实心焊丝堆焊奥氏体不锈钢堆焊工艺与性能

史顺望　向锦　张磊　王帆　姜宏伟

摘要：采用CO2气体保护焊及药芯焊丝在低合金钢上堆焊奥氏体不锈钢时，堆焊层出现了较多夹渣、气孔、尺寸不良等焊接缺陷。现采用MAG焊及实心焊丝进行堆焊工艺试验，其过渡层和耐蚀层材料分别为ER309L和ER308L实心不锈钢焊丝。对堆焊层进行液体渗透检测、弯曲性能和电化学腐蚀性能测试，并与药芯焊丝堆焊的相关性能进行比较。结果表明，堆焊层与基体熔合良好，无裂纹、气孔等焊接缺陷，堆焊效率更高，其弯曲和电化学腐蚀性能良好;耐蚀层组织为树枝状奥氏体。

关键词：MAG堆焊;实心焊丝堆焊;显微组织与性能;电化学腐蚀

中图分类号：TG455 文献标志码：A文章编号：1001-2303（2020）03-0137-03

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.03.26

0 前言

奥氏体不锈钢的韧塑性较高，工艺性等各方面性能均优异[1]。但若只用奥氏体不锈钢制造零件，成本很高。因此，为降低生产成本，保证零件满足设计和使用要求，通常是在低合金钢上堆焊奥氏体不锈钢[2-3]。重庆水泵厂的外壳体、泵盖等许多零件都需要堆焊不锈钢层来满足使用要求，原有工艺采用CO2气体保护焊及药芯焊丝进行耐蚀层堆焊，但在机加工时发现堆焊层出现了较多的夹渣、气孔、尺寸不良等焊接缺陷，严重降低接头的使用性能[4]。而且焊接缺陷需反复焊补才能满足设计要求，严重影响生产周期，增加生产成本。

本文采用MAG焊及实心焊丝进行堆焊工艺试验，通过液体渗透检测、测试堆焊试样的彎曲性能和电化学腐蚀性能、观察与分析显微组织等方法，得到合理的堆焊工艺及性能良好的堆焊层。并可提供关键的数据和依据，为堆焊同类产品提供了技术支持[5]。

1 试验材料及方法

采用MAG焊，保护气为φ（Ar）98%+φ（CO2）2%，共堆焊2层，堆焊厚度为9 mm，分别采用实心焊丝ER309L和ER308L堆焊过渡层和耐蚀层。ER308L和ER309L两种焊丝的化学成分如表1所示。焊前去除基材表面的铁锈、油污等，使其露出金属光泽。焊后进行去应力热处理，热处理后铣平堆焊层，按照标准NB/T 47013-2015对表面做液体渗透检测，并加工弯曲、电化学腐蚀及金相试样。

弯曲试验采用WDW-300型微机电子式万能试验机，电化学腐蚀试验采用RST-500腐蚀测量系统，金相组织分析采用TESCAN VEGA 3 LMH SEM扫描电镜。

2 试验结果及分析

2.1 工艺参数及PT检测结果

实际焊接工艺参数如表2所示。堆焊焊缝宏观形貌如图1所示，堆焊层成形良好且在基体上铺展均匀。PT检测结果显示堆焊层表面无裂纹、气孔等焊接缺陷，堆焊质量良好，符合相关标准要求。且在相同的工艺下，药芯焊丝堆焊一层的厚度为2 mm，实心焊丝堆焊一层的厚度约为4～5 mm，大大提高了焊接效率。

2.2 弯曲试验

在焊缝横向上取4个侧弯试样，试样包含堆焊层、热影响区和基体，尺寸为200 mm×38 mm×10 mm。弯心直径4a，弯曲角度180°。侧弯试样照片如图2所示，堆焊层和基体未出现分层、裂纹和未熔合等缺陷。弯曲试验结果表明堆焊试样抗弯性能良好。

2.3 显微组织

实心焊丝焊接接头的显微组织如图3所示。基体主要为珠光体+铁素体（见图3a）;靠近母材一侧的热影响区组织主要为铁素体和残余奥氏体（见图3b），由于堆焊过程中升温速度快且高温停留时间短，使得母材中的铁素体在溶解后未能充分扩散而形成残余奥氏体。熔合区组织为奥氏体+铁素体+碳化物（见图3c）。耐蚀层组织主要为树枝状奥氏体（见图3d）。堆焊层与基体界面熔合良好，没有分离现象，也没有裂纹、气孔和夹杂等显微缺陷。

2.4 电化学腐蚀试验

采用RST-5000腐蚀测量系统，分别研究实心焊丝堆焊层、药芯焊丝堆焊层及母材的电化学腐蚀行为。每个样品都是工作电极。分别以饱和甘汞电极（SCE）和铂箔为参照电极和对比电极，腐蚀介质采用3.5%NaCl溶液。每个样品分别浸泡在溶液中1 h，预设电位从-0.5～0.5 VSCE，扫描速率为1 mV/s。

堆焊层及母材在3.5%NaCl中的极化曲线如图4所示。可以看出，不锈钢堆焊层的极化曲线上有明显的钝化区，且电位在0.3 V左右时腐蚀电流密度迅速上升，而母材的极化曲线只有一段较短的钝化平台。由于可以通过电流密度来评价材料的耐蚀性，结合表3的极化曲线特征值可以看出，耐蚀性能优劣依次为：实心焊丝堆焊层、药芯焊丝堆焊层、母材。

3 结论

（1）采用MAG焊及实心焊丝堆焊，基体和堆焊层结合良好，堆焊层无焊接缺陷，且提高了焊接效率。

（2）实心焊丝焊接接头的基体组织主要为珠光体+铁素体;热影响区组织主要为铁素体和残余奥氏体;熔合区组织为奥氏体+铁素体+碳化物;耐蚀层组织主要为树枝状奥氏体。

（3）实心焊丝堆焊层的抗弯性能及耐蚀性能良好，且耐蚀性能优劣依次为：实心焊丝堆焊层、药芯焊丝堆焊层、母材。

参考文献：

[1] 钱文焕. 起重机用Q235钢耐蚀性的改进研究[J]. 铸造技术，2013，34（11）：1499-1500.

[2] 黄健，梁晓. 低合金高强度钢压力容器焊接的质量控制[J].装备制造技术，2007（8）：98-100.

[3] 王芝玲，于根喜. 低合金钢表面奥氏体不锈钢堆焊层组织与性能研究[J]. 铸造技术，2016，37（3）：771-772.

[4] 黄秀娟，韩微，王刚. 奥氏体不锈钢焊接特性及工艺要点[J]. 现代焊接，2012，111（3）：40-43.

[5] 周彦林，谷文. 低双钨极TIG奥氏体不锈钢堆焊层组织与性能[J]. 热加工，2017（2）：52-56.