活性劑對(duì)不銹鋼A-TIG焊接組織及性能的影響

付彧，任澤良，肖中，占國(guó)平，張成高

(九江海天設(shè)備制造有限公司，江西 九江 332100)

0 前言

TIG焊由于鎢電極本身的載流能力有限，限制了電弧功率的上限，導(dǎo)致單道焊的焊縫熔深較淺，對(duì)于厚度大于3 mm的板材需要開(kāi)坡口進(jìn)行多道焊。增大焊接電流雖然可以增加熔深，但熔寬增加的幅度更大?；钚訲IG 焊(簡(jiǎn)稱(chēng)A-TIG焊)在待焊表面涂敷活性劑，可使熔深比常規(guī) TIG 焊增加1倍以上，且接頭力學(xué)性能和常規(guī)TIG焊相當(dāng)，有利于提高焊接生產(chǎn)效率，降低焊接生產(chǎn)成本[1-5]。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)A-TIG焊的研究主要集中在活性劑作用機(jī)理和活性化焊接應(yīng)用技術(shù)的研究?jī)蓚€(gè)方面[6-9]。關(guān)于活性化焊接應(yīng)用技術(shù)的研究，Ahmadi 等人[10]研究了4種氧化物對(duì)316L奧氏體不銹鋼焊縫的深寬比和力學(xué)性能的影響。當(dāng)涂層密度為2.6 mg/cm,1.3 mg/cm,2 mg/cm和7.8 mg/cm時(shí)，對(duì)應(yīng)SiO2,TiO2,Cr2O3和CaO焊縫的深寬比最大。A-TIG焊能提高焊接接頭的δ鐵素體含量，提高焊接接頭的強(qiáng)度。Ebrahimi等人[11]采用2種氧化物對(duì)304L奧氏體不銹鋼焊縫性能進(jìn)行了研究。相比于TIG焊，涂敷活性劑后δ鐵素體含量從1.3 FN增加到6.2 FN。涂敷TiO2和SiO2的 A-TIG焊接頭δ鐵素體含量分別為7 FN和7.4 FN。δ鐵素體含量的增加能提高材料的力學(xué)性能。與TIG焊相比，A-TIG焊具有更高的抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率和硬度。Hsu等人[12]研究了5種氧化物對(duì)316L不銹鋼焊縫δ鐵素體含量、組織和硬度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，相比于TIG焊，涂敷活性劑后δ鐵素體含量從1.2 FN增加到 6.1 FN，涂敷活性劑對(duì)焊接接頭的硬度和微觀組織沒(méi)有影響。

文中試驗(yàn)采用國(guó)外活性劑C1、國(guó)內(nèi)活性劑C2和自制活性劑C3進(jìn)行A-TIG焊試驗(yàn)。通過(guò)正交試驗(yàn)確定C3活性劑成分和含量，再以C1，C2活性劑作為基礎(chǔ)對(duì)C3活性劑加以改進(jìn)，改變化學(xué)成分和比例并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。研究不同活性劑對(duì)A-TIG焊接頭組織及性能的影響，對(duì)于加深活性劑改善接頭組織及性能的認(rèn)識(shí)，指導(dǎo)活性劑的研制和應(yīng)用，具有重要意義。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼板，試件尺寸為200 mm×50 mm×6 mm，化學(xué)成分見(jiàn)表1。采用國(guó)外活性劑C1(87.24%SiO2-12.76%TiO2)、國(guó)內(nèi)活性劑C2(35%SiO2-26%TiO2-13%Cr2O3-8%MnO-8%NiO-2%A12O3-8%CuO)和自制活性劑C3(35%SiO2-26%TiO2-13%Cr2O3-6%NiO-6%MnO-8%CuO-6%B2O3)進(jìn)行A-TIG焊，焊接前用砂紙將/1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼板材表面清理干凈，再用丙酮和酒精擦洗板材表面。試驗(yàn)時(shí)將活性劑和丙酮調(diào)成粘稠狀溶液，然后用毛刷將活性劑均勻涂在待焊區(qū)左右各10 mm處，涂敷厚度能蓋住金屬表面即可，待丙酮揮發(fā)后再進(jìn)行焊接。

表1 1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

焊接設(shè)備為SOUARE WAVE TIG-355TIG焊機(jī)。平鋪焊接工藝參數(shù)為：焊接電流100 A，焊接速度44 mm/min，電弧電壓14 V，氬氣流量15 L/min，鎢極直徑3.2 mm。對(duì)接焊接工藝參數(shù)為：焊接電流175 A，焊接速度80 mm/min，電弧電壓14 V，氬氣流量15 L/min，鎢極直徑3.2 mm。焊后將試件切割，并用砂輪機(jī)將表面磨平，采用5 g FeC13+50 mL HCl+100 mL H2O對(duì)金相試樣進(jìn)行腐蝕，時(shí)長(zhǎng)2 min。采用WT-401MVD型數(shù)顯維氏顯微硬度計(jì)測(cè)定接頭的硬度分布，試驗(yàn)所用載荷為200 g，點(diǎn)間距0.5 mm，每個(gè)試樣取20個(gè)點(diǎn)。拉伸試樣按GB/T 2652—2008《焊縫及熔敷金屬拉伸試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)加工，拉伸試樣尺寸如圖1所示。

圖1 拉伸試件尺寸

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 活性劑對(duì)接頭成形的影響

圖2為常規(guī)TIG焊及涂敷活性劑接頭表面宏觀形貌。由圖可知，涂有C1，C2活性劑焊縫表面出現(xiàn)大量黑色熔渣，C3活性劑焊縫表面黑色熔渣較少。與未涂活性劑的焊縫相比，涂有活性劑的焊縫表面凹凸不平，但焊道寬度較均勻。圖3為平鋪接頭橫截面宏觀形貌。由圖可知，涂敷活性劑的焊縫熔深均顯著高于不涂活性劑的焊縫熔深，熔寬有所減小。其中，不涂活性劑的焊縫熔深為1.38 mm，熔寬為7.32 mm，涂敷C1活性劑的焊縫熔深為3.91 mm，熔寬為7.18 mm。涂敷C2活性劑的焊縫熔深為3.98 mm，熔寬為7.26 mm，涂敷C3活性劑的焊縫熔深為4.29 mm，熔寬為7.13 mm。

圖2 焊接接頭表面宏觀形貌

圖3 平鋪接頭橫截面宏觀形貌

2.2 活性劑對(duì)接頭微觀組織的影響

圖4為未涂活性劑和涂敷活性劑接頭顯微組織。從圖4a～圖4d中可以看出焊縫組織為奧氏體和鐵素體，基體為奧氏體，鐵素體分布在晶界和枝晶處。從圖4e～圖4h可以看出加入活性劑后均有助于熔合線附近的晶粒細(xì)化，組織更加密集，其中涂敷C1活性劑的晶粒細(xì)化效果較明顯。

圖4 未涂和涂敷活性劑接頭顯微組織

相比于不涂活性劑焊縫，涂敷C1，C2和C3活性劑后的焊縫晶粒得到細(xì)化，晶界的面積增加，更多晶界的出現(xiàn)有效地阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，起到了晶界強(qiáng)化的作用。從圖4e～圖4h可以看出加入活性劑后，在熱影響區(qū)析出了更多的δ鐵素體。δ鐵素體在奧氏體基體上彌散分布，而且δ鐵素體的增加可以提高焊接接頭的力學(xué)性能。加入活性劑后均有助于熔合線附近的晶粒細(xì)化，組織更加密集。經(jīng)掃描電鏡能譜分析(EDS)面掃描發(fā)現(xiàn)涂敷C2，C3活性劑的焊縫和熔合線附近存在Al，B元素。如圖5所示，Al是鋼中常用的脫氧劑，鋼中加入少量的鋁可以促進(jìn)析出反應(yīng)而使鋼強(qiáng)化，B2O3中的B元素對(duì)晶粒有細(xì)化作用。因此，對(duì)于涂敷C2，C3活性劑的接頭，熔合線附近的晶粒細(xì)化是由于活性劑中的Al，B元素進(jìn)入了接頭，阻礙晶粒長(zhǎng)大，增加形核率。焊縫晶粒變細(xì)小可能是由于晶界強(qiáng)化以及Ti，Si，B，Cr，Cu，Ni和Mn元素進(jìn)入了焊縫，在液相結(jié)晶過(guò)程中形成化合物或中間相，阻礙位錯(cuò)的移動(dòng)，增加形核率共同作用的結(jié)果。對(duì)于涂敷C1活性劑的接頭，通過(guò)冶金反應(yīng)，SiO2會(huì)略微增加焊縫中的 Si含量，這些對(duì)凝固模式有直接影響。Si可增加w(Cr)eq/w(Ni)eq，促進(jìn) FA 凝固模式的發(fā)展有利于鐵素體的形成，促進(jìn)δ相的生成。焊縫組織明顯改善為細(xì)小的等軸晶組織，晶界和枝晶間的鐵素體呈短棒狀分布。其次，與TIG相比，A-TIG能量更加集中，有利于減少熱量輸入，并且具有更快的冷卻速度，進(jìn)一步阻礙了δ鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，δ鐵素體含量增多，改善焊縫組織。

圖5 涂敷C2，C3活性劑焊縫和熔合線附近能譜分析圖

圖6、圖7所示分別為不涂活性劑和涂敷C3活性劑接頭的衍射圖譜。由圖可知，不涂活性劑和涂敷C3活性劑接頭的相組成主要是面心立方奧氏體和體心立方鐵素體。但不涂活性劑接頭中出現(xiàn)中間相Cr13Ni5Si2，而涂敷C3活性劑接頭出現(xiàn)中間相Cr2Ni3和Fe3Ni2，衍射峰強(qiáng)度低于不涂活性劑接頭，衍射峰越高，半峰寬越窄，晶粒越大。因此涂敷C3活性劑后接頭晶粒得到細(xì)化。根據(jù)謝樂(lè)公式，D=Kγ/Bcosθ(K是Scherrer常數(shù)；D是垂直于晶面方向的晶粒平均厚度；B是測(cè)量樣品的衍射峰的半高寬度；θ為衍射角；γ為X射線波長(zhǎng)，為0.154 056 nm)計(jì)算得出，不涂活性劑接頭的平均晶粒尺寸為97.13 μm，涂敷C3活性劑接頭的平均晶粒尺寸為91.4 μm，涂敷C3活性劑的接頭晶粒得到細(xì)化。此外，在接頭的組織圖和能譜分析圖中既沒(méi)有看到中間相也沒(méi)有元素偏析現(xiàn)象，這說(shuō)明接頭中這些中間相是彌散分布的，對(duì)接頭的力學(xué)性能有促進(jìn)作用。

圖6 不涂活性劑接頭衍射圖譜

圖7 涂敷C3活性劑接頭衍射圖譜

根據(jù)圖7可以發(fā)現(xiàn)，與不涂活性劑相比，涂敷C3活性劑后鐵素體衍射峰強(qiáng)度增高，說(shuō)明接頭中鐵素體含量增多，因此本試驗(yàn)對(duì)鐵素體含量進(jìn)行了分析。如圖8所示，可以看出涂敷C3活性劑后接頭中鐵素體含量由2.9%增加到7.8%，鐵素體的增多，可以增加接頭硬度和強(qiáng)度，因此接頭力學(xué)性能越好。根據(jù)鐵碳相圖可知，在焊接區(qū)域由于A-TIG電弧收縮熱源更加集中，相應(yīng)減少了焊接熱輸入，因此A-TIG比TIG具有更快的冷卻速度，導(dǎo)致更多的δ鐵素體來(lái)不及轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，接頭中鐵素體含量更多。但是接頭中δ鐵素體不是越多越好，它存在一個(gè)范圍，如果δ鐵素體過(guò)多會(huì)形成較多的σ相，會(huì)消耗大量的Cr造成接頭脆化，δ鐵素體含量一般控制在3%～15%，該試驗(yàn)接頭鐵素體含量為7.8%，處于規(guī)定的范圍內(nèi)，因此涂敷C3活性劑對(duì)接頭并沒(méi)有惡化作用。

圖8 接頭中的δ鐵素體含量

2.3 活性劑對(duì)接頭力學(xué)性能的影響

圖9為焊接接頭的硬度分布圖。由圖可以看出，未涂活性劑對(duì)接接頭硬度平均值為154 HV，涂有C1活性劑對(duì)接接頭硬度平均值為163 HV，涂有C2活性劑對(duì)接接頭硬度平均值為172 HV，涂有C3活性劑對(duì)接接頭硬度平均值為161 HV。涂有活性劑對(duì)接接頭硬度均高于TIG焊，這可能是因?yàn)榧尤牖钚詣┖?，活性劑在電弧熱作用下進(jìn)入焊縫，增加了焊縫合金元素種類(lèi)和含量，阻礙晶粒長(zhǎng)大，增加形核率，細(xì)化了晶粒，改變凝固模式，析出更多的δ鐵素體，從而提高焊縫硬度。而且δ鐵素體相比于奧氏體具有更高的強(qiáng)度，相比于TIG，A-TIG具有電弧能量高，冷卻速度快的優(yōu)點(diǎn)，含有更多的δ鐵素體，也提高了焊縫硬度。在焊縫無(wú)論是否涂敷活性劑硬度都是最低，涂敷活性劑前后整體變化趨勢(shì)一致，由焊縫到熱影響區(qū)再到母材，硬度始終是一個(gè)增大的趨勢(shì)，不同活性劑之間的接頭硬度差異較小，沒(méi)有較大的變化。

圖9 焊接接頭硬度分布圖

圖10為焊接接頭的室溫抗拉強(qiáng)度柱狀圖。各接頭均是在打磨清理余高后所測(cè)得。從圖中可以看出，未涂活性劑的對(duì)接接頭抗拉強(qiáng)度為707.4 MPa，涂敷C1活性劑的對(duì)接接頭抗拉強(qiáng)度為716.7 MPa，涂敷C2活性劑的對(duì)接接頭抗拉強(qiáng)度為708.6 MPa，涂敷C3活性劑的對(duì)接接頭抗拉強(qiáng)度為738.5 MPa。無(wú)論是否涂敷活性劑焊縫的抗拉強(qiáng)度均達(dá)到了母材強(qiáng)度的90%。試樣拉伸后發(fā)現(xiàn)涂敷活性劑與未涂活性劑的試樣均在熱影響區(qū)處斷裂，這可能是因?yàn)樵诤缚p和熔合線附近晶粒細(xì)化的情況下，由于熱影響區(qū)在焊接過(guò)程中未熔化，活性劑元素沒(méi)有進(jìn)入熱影響區(qū)，所以涂敷活性劑試樣在熱影響區(qū)斷裂。對(duì)于未涂敷活性劑的試樣，焊縫和熔合線附近晶粒沒(méi)有細(xì)化，熔合線附近的化學(xué)成分、微觀組織和力學(xué)性能極不均勻，是焊接接頭的最薄弱環(huán)節(jié)，所以未涂敷活性劑的試樣在熔合線附近斷裂。此外Cr2O3的填加可以提高接頭抗拉強(qiáng)度，這是因?yàn)殂t是形成鐵素體的有利元素，另外奧氏體不銹鋼在焊接過(guò)程會(huì)在晶界處形成碳化物Cr23C6發(fā)生貧鉻現(xiàn)象，添加鉻可以阻止貧鉻現(xiàn)象的發(fā)生，從而提高抗拉強(qiáng)度。

圖10 對(duì)接接頭的室溫抗拉強(qiáng)度柱狀圖

3 結(jié)論

(1)C1，C2，C3這3種活性劑均能增加熔深。其中，涂有C3活性劑的焊縫熔深增加最大，是TIG焊的3.11倍。

(2)未涂活性劑和涂敷活性劑的焊縫組織均為奧氏體和鐵素體，涂敷活性劑后接頭析出了更多的δ鐵素體，晶粒得到細(xì)化。對(duì)不銹鋼接頭進(jìn)行XRD分析發(fā)現(xiàn)，涂敷活性劑后接頭相組成發(fā)生改變，焊縫生成了中間相Cr2Ni3和Fe3Ni2。

(3)A-TIG焊焊接1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼時(shí)，涂敷C1，C2和自制的C3活性劑能提高焊縫硬度，接頭抗拉強(qiáng)度有所提升，其中涂敷C3活性劑的接頭抗拉強(qiáng)度比不涂活性劑接頭抗拉強(qiáng)度提升了4.3%(不處在誤差帶)。在不同活性劑中，涂敷C3活性劑的接頭熔深、顯微組織和力學(xué)性能最好。