鑄鐵等離子焊接組織與性能

陳白陽，高培虎，賈 涵，李建平，李曉航，王喜鋒，楊 忠，郭永春，李全平

(1.西安工業(yè)大學(xué) 材料與化工學(xué)院， 西安 710021；2.陸軍駐西安地區(qū)第八軍代室， 西安 710032；3.山西柴油機(jī)工業(yè)有限責(zé)任公司，山西 大同 037036)

鑄鐵與鋼材相比有良好的減震性、耐磨性以及優(yōu)良鑄造、機(jī)加性能，是機(jī)械裝備的一種常用材料[1-2]。因其低廉的價格和力學(xué)特性方面的優(yōu)勢在工業(yè)上有廣泛的應(yīng)用，鑄鐵類裝備的特點是質(zhì)量大、鑄造工序繁多、運行工況惡劣，在長期的重載、疲勞和沖擊載荷下，鑄鐵工件容易開裂，表面裂紋是其常見的失效形式，若不及時修復(fù)會導(dǎo)致裝備失效[3]。而且，鑄鐵類工件在鑄造過程中通常會產(chǎn)生縮孔等原始缺陷，在運行過程中擴(kuò)展并最終形成裂紋，直接采用鑄造的成本較高，因此，通過焊接的方法可以節(jié)約成本，縮短修復(fù)時間，改善鑄鐵抗失效性能，提高鑄鐵件使用壽命。

針對鑄鐵裝備工件開裂常用的修復(fù)技術(shù)主要有電弧焊和CO2氣體保護(hù)焊等。電弧補(bǔ)焊的特點為基材熱影響區(qū)大，稀釋率高，焊接接頭易產(chǎn)生白口化，接頭強(qiáng)度較低[4]；CO2氣體保護(hù)焊的特點為CO2的強(qiáng)氧化性會造成合金元素的燒損，修復(fù)易產(chǎn)生氣孔、飛濺[5]。等離子弧焊相比于傳統(tǒng)的焊接方法，采用兩種獨立的電弧，具有較高的能量密度和對母材有較低的稀釋率[6-7]。高能量密度的電弧甚至可以與激光焊相比，但比激光焊廉價[8]。同時等離子設(shè)備成本低、操作方便，更易于實現(xiàn)自動化生產(chǎn)[9]。

等離子弧焊中的轉(zhuǎn)移電弧作為等離子焊接的主要熱源，轉(zhuǎn)移電流和轉(zhuǎn)移電壓是主要的焊接參數(shù)。等離子焊接的熱輸入量為轉(zhuǎn)移電壓和轉(zhuǎn)移電流的乘積，決定了熔池的熱量及溫度，對焊接質(zhì)量起到?jīng)Q定性影響[10]。當(dāng)其他工藝參數(shù)確定后，轉(zhuǎn)移弧電壓變化不明顯。所以，轉(zhuǎn)移電流大小是影響焊接質(zhì)量及性能的主要工藝參數(shù)。因此，研究不同電流對焊接質(zhì)量及焊縫性能的影響有十分重要意義。

本文采用鑄鐵粉末利用等離子熔焊進(jìn)行灰鑄鐵的焊接，研究不同電流對焊縫組織和性能的影響，通過掃描電鏡(SEM)分析焊縫組織，XRD表征焊縫物相組成，顯微硬度分析焊縫部分的硬度，拉伸試驗測試焊接接頭的強(qiáng)度。

1 試驗方法

1.1 實驗材料

試驗采用基材是灰鑄鐵，化學(xué)成分如表1所示，其顯微組織如圖1所示，基體組織由石墨和層片狀珠光體組成，尺寸為180mm×100mm×20mm，焊接前除油除銹。焊接材料選用鑄鐵粉末，化學(xué)成分如表2所示，粉末的化學(xué)成分如表2所示，粉末形貌如圖2所示，顆粒呈現(xiàn)扁球狀，約50～100μm。

表1 灰鑄鐵成分表 %

表2 鑄鐵粉末成分表 %

圖1 灰鑄鐵的組織

圖2 粉末SEM形貌

1.2 焊接工藝

采用DML-V03BD等離子焊機(jī)進(jìn)行焊接，焊接工藝參數(shù)如表3所示，等離子弧為主要熱源，Ar為作為保護(hù)氣和離子氣，進(jìn)行三種不同工藝下的焊接試驗。具體焊接參數(shù)為：電流分別為90A、100A、110A，送粉速20rad/min，離子氣1.5L/min，保護(hù)氣10L/min，移動速率150mm/min，距工件距離12mm。

表3 焊接工藝參數(shù)

1.3 分析測試方法

垂直于焊縫處截取10mm×10mm×8mm試塊制成金相試樣，研磨拋光后采用4%硝酸酒精腐蝕，經(jīng)水和酒精清洗、吹干。在VEGA Ⅱ XMU型掃描電子顯微鏡下對不同電流下的焊接組織進(jìn)行觀察。利用布魯克D2 PHASER XRD衍射儀，對焊層組織進(jìn)行物相分析。在焊接區(qū)采用顯微硬度計，載荷200g，加載10s，進(jìn)行硬度分析。采用長春機(jī)械科學(xué)研究院的DDL300電子萬能試驗機(jī)對基體和不同電流焊接試樣進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測試，拉伸速率2mm/min。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 焊接接頭顯微組織分析

2.1.1 焊縫區(qū)顯微組織分析

圖3a、3b、3c是焊接電流為90A、100A、110A時熔焊縫區(qū)未腐蝕的SEM圖。

圖3 不同電流焊縫區(qū)SEM形貌

圖3d、3e、3f是不同電流條件下的焊縫區(qū)經(jīng)4%硝酸酒精腐蝕后的SEM圖，可見腐蝕后的枝晶內(nèi)主要由珠光體，馬氏體，二次碳化物，殘余奧氏體組成[12]。圖3e中，珠光體被周圍析出網(wǎng)狀碳化物所包圍，較硬的網(wǎng)狀碳化物可以形成網(wǎng)狀骨架，包圍著力學(xué)性能較好的珠光體，有利于提高焊縫的強(qiáng)度。隨著電流的增大，珠光體的含量也不斷增加，如表4所示，電流90A時焊縫中珠光體平均含量為3.76%。電流增大到110A時，珠光體含量達(dá)到6.83%。珠光體塑性韌性較好，含量的增加有利于焊縫綜合力學(xué)性能的提高。

表4 不同電流焊縫區(qū)珠光體含量

表5是不同電流條件下焊縫的稀釋率，在焊縫截面積中，母材熔入的金屬面積與焊縫橫截面積百分比就是焊縫的稀釋率。電流為110A時稀釋率最高為32.89%，過高的稀釋率會使得焊縫的力學(xué)性能下降。電流為100A時稀釋率為14.7%，此時的焊接接頭，應(yīng)具有良好的力學(xué)性能。

表5 不同電流焊縫稀釋率

2.1.2 結(jié)合區(qū)顯微組織分析

圖4為焊縫結(jié)合區(qū)SEM圖。

圖4 不同電流焊縫結(jié)合區(qū)SEM形貌

圖4a、4b、4c分別是焊接電流為90A、100A、110A時，未腐蝕的形貌圖。結(jié)合區(qū)是熔化的基體表面與焊接填充材料在高能量密度等離子電弧加熱下，相互擴(kuò)散形成的。隨著電流的增大，焊接熱輸入量增大，明顯可以看出結(jié)合區(qū)的寬度也增加，元素擴(kuò)散加強(qiáng)，電流從90A增大至100A時，結(jié)合區(qū)寬度增加了118μm；電流從100A增大至110A時，結(jié)合區(qū)寬度增加了53μm。因此說明在電流為100A時，熱輸入量對結(jié)合區(qū)大小影響最明顯。

圖4d、4e、4f分別是結(jié)合區(qū)電流為90A、100A、110A時，經(jīng)4%硝酸酒精腐蝕后的形貌圖?；诣T鐵的碳含量較高，焊接過程中較大冷速下易出現(xiàn)白口化，該組織極大降低了界面的結(jié)合強(qiáng)度和力學(xué)性能，嚴(yán)重時可能會導(dǎo)致微裂紋的發(fā)生，因此盡量要避免焊接接頭白口化的產(chǎn)生。圖4d、4e、4f可以明顯看出，隨著焊接電流的增大，珠光體由小片分布轉(zhuǎn)變?yōu)榇笃B續(xù)分布。這是由于熔池?zé)嵝?yīng)增加，熔池達(dá)到最高溫度和熱循環(huán)時間均增大，存儲熱量增多，因此結(jié)合區(qū)冷卻速率變化量相對降低，從而結(jié)合區(qū)珠光體組織增多，有效降低白口組織生成[13]。并且結(jié)合區(qū)有少量石墨析出，增加了金屬凝固過程中的體積膨脹，減少了體積收縮，有利于焊接接頭界面殘余應(yīng)力和裂紋敏感性的降低[14]。

圖5是電流為110A的結(jié)合區(qū)組織形貌。

圖5 110A焊縫結(jié)合區(qū)SEM形貌

從圖5中可以看出電流為110A的結(jié)合區(qū)組織形貌。由于結(jié)合區(qū)的碳原子不均勻擴(kuò)散及石墨和基體熱物理性能差異，結(jié)合區(qū)形成了馬氏體、珠光體、少量石墨和二次碳化物的復(fù)雜多相組織。圖4f中可以看出，馬氏體的形成位置靠近石墨片，因為靠近石墨的奧氏體含碳量高且冷速較大[15]，急冷后有部分發(fā)生轉(zhuǎn)變形成馬氏體。冷卻速度相對較低的區(qū)域形成珠光體片區(qū)，珠光體的片層間距極細(xì)，小于0.2μm，珠光體的片層間距越小，其強(qiáng)度越高，塑性韌性越好。

圖6是電流110A焊接結(jié)合區(qū)能譜(EDS)線掃圖。

從圖6中可以看出，在等離子焊接過程中，焊接界面會與基體區(qū)域元素發(fā)生擴(kuò)散，粉末中含有Al元素，圖中可以看出Al元素發(fā)生明顯擴(kuò)散現(xiàn)象，含量從結(jié)合區(qū)到基體中逐漸減小，結(jié)合區(qū)兩側(cè)Si、Mn、Fe含量變化不大，界面元素發(fā)生相互擴(kuò)散稀釋，表明了界面結(jié)合優(yōu)良，呈冶金結(jié)合。

圖6 110A結(jié)合區(qū)EDS

2.2 XRD物相分析

圖7是不同電流條件下的焊縫XRD衍射譜圖。

圖7 不同電流焊縫XRD

從圖7可見，在不同電流下的焊縫組織主要有奧氏體和馬氏體兩種物相，隨著電流的增大，馬氏體峰越來越強(qiáng)，說明熱輸入量的增加也提高一定的過冷度，靠近石墨附近含碳量較高的奧氏體發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的組織變多，并且在圖5也可看出馬氏體在珠光體周圍出現(xiàn)。

2.3 顯微硬度分析

圖8是焊縫組織的顯微硬度分布圖。

在圖8中90A、100A、110A電流所對應(yīng)的平均顯微硬度分別為，356.5±44.3HV、447.2±24.1HV、489.6±51HV。電流增大焊縫熔合較好，因此焊縫區(qū)的硬度有所上升，而且珠光體周圍析出的二次碳化物，有助于提高焊縫區(qū)的硬度。熔合區(qū)和熱影響區(qū)硬度較高，因為熱影響區(qū)在冷卻過程中發(fā)生固態(tài)相變，形成馬氏體和二次碳化物，提高了硬度。

圖8 焊縫組織顯微硬度

2.4 焊接接頭拉伸試驗分析

圖9是基體和不同電流焊接試樣的拉伸試驗結(jié)果。

圖9 拉伸試驗工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線

抗拉強(qiáng)度是表征材料抵抗拉伸變形和斷裂的能力。從圖9中明顯可以看出應(yīng)力-應(yīng)變曲線均沒有明顯的屈服階段，但焊接試樣的總應(yīng)變增加了。焊接試樣與基體的抗拉強(qiáng)度大致相當(dāng)，但是當(dāng)焊接電流達(dá)到100A時，抗拉強(qiáng)度最高為213MPa，焊接電流繼續(xù)增大到110A時，抗拉強(qiáng)度明顯降低到182MPa，因為過大的電流一方面對母材的稀釋作用明顯，使得力學(xué)性能下降，從而導(dǎo)致了強(qiáng)度的降低。

3 結(jié)論

(1)灰鑄鐵熔焊鑄鐵粉末焊縫的顯微組織由珠光體、馬氏體、殘余奧氏體、二次碳化物組成;在電流為100A時，焊縫結(jié)合區(qū)寬度、顯微硬度明顯增大，結(jié)合區(qū)寬度為251μm、焊縫區(qū)顯微硬度為447.2±24.1。

(2)焊接電流為100A時，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值為213MPa，且稀釋率為14.7%，焊縫區(qū)珠光體含量為5.34%，得出在本文實驗中，焊接電流100A是最優(yōu)的焊接工藝參數(shù)。