CMT堆焊低合金鋼的組織和性能及其沖擊斷裂行為

劉愛軍，王國平，鐘志宏,2，程繼貴,2，劉寧,2

(1.合肥工業大學，合肥 230009；2.安徽省粉末冶金工程技術研究中心，合肥 230009；3.先進功能材料與器件安徽省重點實驗室，合肥 230009)

0 前言

堆焊是采用焊接方法(如焊條電弧焊、埋弧焊和等離子弧焊等)將具有優異性能的材料熔敷在工件表面的工藝過程[1-3]。堆焊不是連接工件，而是改性工件表面，以獲得具有耐磨性、耐熱性、耐蝕性等性能的熔敷層，或修補工件因磨損或加工失誤造成的尺寸不足，從而大幅度延長零件使用壽命。堆焊技術不僅要求堆焊層與基體的實現冶金結合，而且要求很低的稀釋率[4]，因此堆焊工藝對焊接技術提出越來越高的要求。冷金屬過渡焊接技術(CMT)是一種無焊渣飛濺的新型焊接工藝技術，其獨特的數字控制方式下的短電弧和焊絲的換向送絲機構保證焊接熱輸入最小[5-8]。CMT技術還可以實現異種牌號鋁合金的對接，且焊縫成形良好[9-11]。

Q345是一種廣泛應用于橋梁、車輛、船舶、壓力容器等領域的低合金鋼，該材料在壓力容器等領域對力學性能和耐蝕性等方面要求很高。通過冷金屬過渡堆焊技術在Q345表面堆焊高Cr合金鋼，能夠降低熱量輸入，改善Q345綜合性能。文中選用Q345為基體，采用低熱輸入弧焊堆焊高Cr合金鋼，研究CMT電弧堆焊高Cr合金鋼復合層組織及性能，探索雙層復合板的斷裂行為，以期為高Cr合金鋼在低熱輸入弧焊工藝下增強普通鋼材提供工程依據。

1 試驗材料及方法

試驗所使用的原材料主要是市售Q345鋼板(基體厚度12 mm)和焊絲為高Cr合金鋼(直徑為1.0 mm)。采用能譜儀測試焊絲的成分, 圖1a所示整個區域的主要成分如圖1b所示(電壓15 kV)，值得注意的是在能譜儀中C元素測定數據偏差較大。試驗過程：采用冷金屬過渡焊機(CMT)在Q345鋼板表面堆積一層厚8 mm的高Cr合金鋼的堆焊層，一共堆積3層，每層5道，每層具體的工藝參數為：焊接電流132～138 A，電弧電壓22～24 V，送絲速度5.5～6.5 m/min。焊機型號為TPS3200(TransPuls Synergic 3200)，焊機的機器人型號為ABB的IRB1410，機器人行走速度為3 mm/min。保護氣體為Ar(99.999%)。每道焊縫完成，都需要用鋼絲球清潔表面，然后酒精清洗，待焊縫溫度降到50 ℃以下，再進行下一道焊縫。堆焊層用線切割切成沖擊試樣尺寸55 mm×10 mm×10 mm，基體層厚度4 mm，堆焊層厚度6 mm，在堆焊層一端開V形缺口(尺寸參照GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗》)。

圖1 焊絲的主要成分

在堆焊之前，采用SDC1500潤濕角測定儀器測試了Q345和高Cr合金鋼之間的熔合情況。利用MR5000倒置顯微鏡觀察復合板的基體、堆焊層等部位的組織；通過D8Advance多晶X射線衍射儀對堆焊層和基體進行物相分析。采用鎢燈絲掃描電子顯微鏡(JSM-6490LV, SU8020)對堆焊層和基體界面進行組織觀察，并利用附帶能譜儀(Oxford-7573)對感興趣的區域進行成分分析。采用MH-3的維氏硬度計對復合板的顯微硬度進行測試(載荷200 g，保壓時間15 s)，每兩個點之間的間隔為0.1 mm。采用JB-300B擺錘式沖擊試驗機測試復合板的沖擊韌性，試樣尺寸為55 mm×10 mm×10 mm，擺錘速度(5 m/s)。

2 試驗結果與分析

2.1 焊絲與基體的熔合情況

采用測溫儀測量了焊接過程中熔池邊緣溫度結果在1 310～1 350 ℃范圍，為了進一步了解兩者的熔合情況，采用潤濕角測定儀測量了Q345對高Cr合金鋼熔合情況，結果如圖2a～2b所示。在1 330 ℃時，Q345對高Cr合金鋼潤濕角為59.2°，溫度到達1 380 ℃，Q345對高Cr合金鋼潤濕角為63.1°，潤濕角在0°～ 90°之間，說明Q345和高Cr合金鋼熔合性能良好。圖2c所示為冷過渡焊機(CMT)在Q345鋼板上宏觀熔合形貌，說明兩者的界面熔合程度良好。

圖2 不同溫度下基體和焊絲熔合情況

2.2 雙層復合板的物相和組織

堆焊層和基體X射線衍射結果如圖3所示，結果表明：堆焊層主要物相是馬氏體和殘余奧氏體，基體主要物相主要是α-Fe和Fe3C。圖4所示為復合板不同部位的組織。圖4a為靠近焊縫處基體組織，由圖可知，珠光體較多，鐵素體明顯減少，這是由于部分焊絲中的Cr進入基體導致的組織改變。圖4b和圖4c基體的組織主要為鐵素體和珠光體；圖4d為熔合區的位置(基體和焊絲的結合位置)，二者結合良好；界面結合處堆焊層組織主要是柱狀晶，柱狀晶數量較少，這是由于CMT熱輸入小引起的；圖4e 為堆焊層組織，主要是馬氏體和殘余奧氏體。圖5是夾雜物能譜儀結果，由圖可知，其主要是氧化物，含有硅元素，該夾雜存在容易造成沖擊載荷下的裂紋源。已有的研究表明，夾雜物主要來自外界(如焊劑)和冶金反應[12]。圖6是掃描電鏡觀察堆焊層和基體結合處組織，并對該區域做Fe,Cr,O和C元素面掃描(15 kV, 80 mm2)。結果表明Cr，O元素主要分布在堆焊層，Fe,C元素基體、堆焊層分布較為均勻，然而有少量Cr元素進入基體，從而導致了結合處基體珠光體多鐵素體少，這個結果與圖4a組織結果相符合。基體和堆焊層的成分無明顯變化，這是由于CMT的熱輸入小，焊絲的元素擴散程度較小，焊絲的稀釋率低。

圖3 堆焊層和基體的X射線衍射圖

圖4 復合板不同部位的組織

圖5 熔合區孔隙能譜結果

圖6 熔合區面掃描結果

2.3 雙層復合板的性能和沖擊斷裂行為

基體和堆焊層顯微硬度如圖7所示，可以看出，堆焊層的硬度值大于基體的硬度值，堆焊層的硬度平均值為490 HV0.2。由圖7可知，在熔合區左邊少量區域硬度有所上升，這是由于少量合金元素擴散進入基體導致的組織的改變(圖4a)從而導致硬度上升。在熔合區右邊硬度基本變化不大，這是有CMT熱輸入小，因而基體的稀釋效低導致的單層硬度基本不變。基體的復合板的沖擊吸收能量為35 J，復合板的沖擊韌度主要受到三個方面影響：一是彈性功主要與堆焊層相關；二是塑性功主要因素是基體；三是撕裂功主要因素是堆焊層和基體結合程度及堆焊層。圖8所示為復合板的沖擊韌性斷口形貌，由圖8a可知在堆焊層斷口主要呈放射狀，圖8c基體斷口主要呈纖維狀，圖8b堆焊層和基體層結合處存在裂紋分叉，可以造成能量耗散，延遲裂紋擴展。復合板的斷裂主要分為3個部分，堆焊層、基體及兩者的界面。堆焊層合金元素含量高，強度較高，裂紋萌生功較大；基體塑性高可以有效增加裂紋的擴展阻力增加裂紋的擴展功；在兩者的界面存在裂紋分叉現場，也延遲了裂紋的擴展。

圖7 復合板的硬度分布

圖8 復合板的沖擊韌性斷口形貌

3 結論

(1)CMT堆焊高Cr合金鋼可獲得到了成形良好的堆焊層。堆焊層主要物相是馬氏體和奧氏體，基體相主要是α-Fe和Fe3C。界面處堆焊層組織柱狀晶較少，基體組織中珠光體含量明顯增加。

(2)堆焊層平均硬度值為490 HV0.2，基體組織平均硬度值為182 HV0.2，復合板的沖擊吸收能量為35 J。CMT焊接熱輸入小，材料稀釋率低，單層硬度變化較小。復合板的主要斷口形貌是撕裂棱和解理，在基體和堆焊層界面沖擊斷裂過程中存在裂紋分叉，可以有效延遲斷裂。采用CMT進行堆焊可以獲得綜合性能優異的堆焊層，可用于Q345表面堆焊高Cr合金鋼。