不同焊条对钢材冷焊修复的影响

2012-08-06贾永真王家伟靳学利路长远吕常胜朱维东

电焊机 2012年12期

贾永真，王家伟，靳学利，路长远，吕常胜，朱维东

(贵州大学材料与冶金学院，贵州贵阳 550003)

0 前言

在精密部件的修复中，传统修复技术的热变形较大、缺陷多、熔合性能差等缺点，冷焊技术作为一门焊接新技术逐渐得到发展，它主要通过表面粘涂[1]和相变扩散实现材料焊接，有效控制变形[2]、咬边及残余应力[3]，不产生局部退火，焊接强度高，冶金结合不脱落，方便快捷，是修复工件时较为理想的焊接技术，已使用于铸件及工模具钢件等的修复[4-5]。由于焊材的力学性能一般比母材低，所以为减小焊接后性能差异，本试验利用全智能精密补焊机（HWS-1000）使用4种焊条对3种钢材缺陷进行同种或异种钢冷焊修复，并分析试样晶体金相显微组织和显微硬度，讨论焊条对冷焊修复的影响，为选择冷焊焊条提供参考。

1 试验原理与内容

1.1 实验原理

冷焊时焊接接头由焊缝、熔合区和热影响区[6]三部分组成。焊接时部分金属被熔化，通过扩散方式使液态金属与母材金属结合在一起，不仅焊缝金属在热源的作用下发生从熔化到结晶等一系列的变化，而且焊缝两侧未熔化的母材经历一定热循环后，组织形态也发生了固态相变过程[7]。因为，在焊接时因焊弧热而熔化成池状的母材部分形成熔池[8]，熔池金属在经历了一系列化学冶金反应时，随着热源的远离，温度迅速下降，凝固后成为牢固的焊缝，并且在继续冷却中发生固态相变。熔合区和热影响区在焊接热源的作用下，也将发生不同的组织变化。熔池的凝固与焊缝的固态相变决定了焊缝金属的结晶过程、组织和性能[9]。

1.2 实验材料和主要过程

试验中所用三类钢材试样分别为：高速钢M2(W6Mo5Cr4V2)、轴承钢(GCr15)、不锈钢(11Cr17)，冷焊的焊条种类[10]较多，根据要求可提供以下4种焊条：CMC-M2高速钢焊条、CMC-M3-2高速钢焊条、CMC-SKD61模具焊条、ER308不锈钢焊条。

实验过程主要分6个步骤：

①焊前准备：工件表面清洁处理、焊丝选择及参数设置；②冷焊修复：全智能精密补焊机(HWS-1000)，焊接电流120A；③线切割：电火花线切割；④磨样抛光及腐蚀：抛光后王水腐蚀；⑤显微组织：金相扫描电子显微镜观测；⑥硬度检测：HVS-1000型数字显微硬度计检测。

2 试验结果分析

2.1 不同焊条对钢材冷焊后各区域显微组织的影响

透过扫描电镜对焊接接头组织进行观察，具体试验方法可参照文献[11]透射电子显微学，获取金相显微组织如图1～图6所示。

由图1～图6可知，试样的焊接接头组织均发生了不同程度的转变，根据实验结果分析如下：

图1 高速钢M2与CMC-M3-2焊后热影响区、熔合区和焊缝金相显微组织

图2 高速钢M2与CMC-M2焊后热影响区、熔合区和焊缝金相显微组织

图3 轴承钢(GCr15)与CMC-M2焊后热影响区、熔合区和焊缝金相显微组织

图4 轴承钢(GCr15)与CMC-SKD61焊后热影响区、熔合区和焊缝金相显微组织

图5 不锈钢(11Cr17)与ER308焊后热影响区、熔合区和焊缝金相显微组织

图6 不锈钢(11Cr17)与CMC-M3-2焊后热影响区、熔合区和焊缝金相显微组织

（1）热影响区。组织结构基本与母材相同，只是由于热扩散作用析出大量黑色第二相粒子碳化物[12]，最终晶界析出大量渗碳体颗粒，弥散分布于晶界上；图2还产生一定程度的枝晶偏析，图4晶间可见少量白色颗粒β固溶体并产生微裂纹，图5母材的片状珠光体束不断长大，图6与图5类似，但生成有微量树枝晶。可见焊条对热影响区的影响较弱。

（2）熔合区。由于母材经过半融化后正火使组织发生部分相变，经过固态相变过程，渗碳体量减少，经过区域偏析、层状偏析，产生一定量珠光体类组织，且由于非平衡结晶出现不同程度的枝晶偏析，产生树枝晶和柱状晶；图2、图3和图5生成不等量的板条状马氏体；图5中板条马氏体聚集群并且由于残余应力作用形成少量孪晶马氏体；图4有所不同，析出的渗碳体经热扩散聚集于晶间成薄片状。可见焊条对熔合区的影响较大。

（3）焊缝。经过液态转变为固态的过程，由于过冷度较熔合区大，根据金属结晶的基本规律，渗碳体及珠光体量不断减少，并获得大量的树枝晶和板条马氏体；图3中有少量珠光体分布于渗碳体上形成低温莱氏体；图4中渗碳体片聚集成束形成片层网状二次渗碳体，由于碳含量降低使基体组织几乎全部转化为珠光体；图5中板条马氏体群量增多且孪晶马氏体长大产生孪晶界。可见焊条对焊缝的影响最大。

对于高速钢M2的冷焊，相关文献[13]认为冷焊时最好选择相同钢材的焊条，试验将图1和图2比较，图2获得的板条状马氏体及树枝晶均比图1多，而马氏体强度很高，树枝晶强韧性较好[14]，所以高速钢M2与CMC-M2焊接的强度、硬度等力学性能比其与CMC-M3-2焊接更高，可得出类似结论：同为高速钢，相同材料的焊接性能效果更好。对于轴承钢(GCr15)的冷焊，文献[15-16]指出异种钢冷焊需分析焊条综合力学性能，比较图3和图4，因为马氏体、莱氏体组织的力学性能均比珠光体组织好，所以轴承钢(GCr15)与CMC-M2冷焊后的连接性及力学性能明显比其与CMC-SKD61焊接后的好。可见异种焊材的焊接，用力学性能更好的高速钢CMC-M2比模具钢CMC-SKD61焊接效果更好[17]。对于不锈钢(11Cr17)的冷焊，比较图5和图6，因为板条马氏体群力学性能较好，所以不锈钢(11Cr17)与ER308焊接后力学性能比其与CMC-M3-2焊接后更好，与文献[18-19]类似，可得出相似结论：用同类材料焊接不锈钢ER308得到的力学性能比用高速钢CMC-M3-2焊接的更好。

2.2 不同焊条对钢材冷焊后硬度的影响

试验中试验力2.942 N，保压时间20 ms，从热影响区到焊缝顺序打点，进行硬度检测，如表1所示，并绘制不同焊条的焊接接头显微硬度对比曲线，如图7所示。

表1 各试样冷焊后焊接接头显微硬度分布HV

图7 各试样冷焊后焊接接头显微硬度对比曲线

由表1和图7可知，试样经冷焊后，焊接接头的显微硬度值从热影响区到焊缝顺序减小，在热影响区显微硬度值缓慢下降，在熔合区硬度出现突变，迅速下降，最后在焊缝趋于平稳，焊接熔池经固态相变、再结晶，组织发生转变导致力学性能低于母材；从图7a可知，高速钢M2与CMC-M2冷焊后三个区域显微硬度约为940HV、780HV和680HV，比其与CMC-M3-2冷焊后的920 HV、760 HV和640 HV略高，所以同种材料冷焊硬度最高；从图7b可知，在熔合区及焊缝，轴承钢(GCr15)与CMC-M2冷焊后硬度约为660 HV和600 HV，比其与CMCSKD61冷焊后的590 HV和480 HV高，因此异种焊材的焊接，用力学性能更好的钢材焊接更好[23]；由图7c可知，不锈钢(11Cr17)与ER308冷焊后硬度约为935HV、830HV和765HV，比其与CMC-M3-2冷焊后的900 HV、640 HV和460 HV明显偏高，因此不管焊条力学性能如何，同类材料冷焊后的硬度均比异种材料冷焊高。

3 结论

(1)材料在冷焊修复过程中，焊接熔池的结晶符合金属结晶的规律，焊接接头发生了组织的固态相变，晶体发生转变，力学性能也将改变，其中熔合区和焊缝还获得大量树枝晶和板条马氏体等新组织，晶界还弥散分布着碳化物颗粒渗碳体，保证了焊接接头良好的力学性能。

(2)对于同类型材料，M2与CMC-M2冷焊后焊缝硬度可达680 HV，比其与CMC-M3-2冷焊后的640 HV略高，因此同种材料的焊材冷焊后力学性能相对较好；异种钢冷焊，GCr15与CMC-M2冷焊后焊缝硬度达600 HV，比其与CMC-SKD61冷焊后的480 HV高；11Cr17与ER308冷焊后焊缝硬度高达765 HV，明显高于与CMC-M3-2冷焊后的460 HV，进一步证明了不管焊条力学性能如何，同类材料冷焊后力学性能总比异种材料好。

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