張志璽 包曄峰 楊可 蔣永鋒

摘要：通過(guò)采用帶極電渣焊在Q235表面堆焊Cr-Ni不銹鋼得到堆焊接頭試樣。金相觀察表明：帶極電渣堆焊接頭的熔合區(qū)形貌豐富，存在“ 小島 ”和“ 半島 ”形貌。采用EDS分析橫跨“ 半島 ”熔合區(qū)的成分特點(diǎn)。從電渣堆焊熔滴過(guò)渡和堆焊熔池特點(diǎn)兩方面分析了 “ 小島 ”和“ 半島 ”的形成機(jī)理。堆焊層金相分析表明，堆焊過(guò)程中的焊接熱輸入和冷卻速度是影響堆焊組織形貌的主要因素。隨著焊接熱輸入的降低以及冷卻速度的提高，堆焊金屬中的δ鐵素體含量逐漸增加，其形態(tài)由蠕蟲狀和斷續(xù)狀變?yōu)榧?xì)長(zhǎng)連續(xù)的骨架狀，最后呈現(xiàn)為密集粗大的骨架狀和板條狀。

關(guān)鍵詞：組織形貌;化學(xué)成分;δ-γ相變;帶極電渣堆焊

中圖分類號(hào)：TG455 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：1001-2003（2021）05-0077-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.05.14

0 ? ?前言

在碳鋼上堆焊不銹鋼耐蝕層，既能節(jié)約Cr、Ni等合金材料、降低設(shè)備制造成本，又能發(fā)揮碳鋼和不銹鋼各自性能的優(yōu)點(diǎn)，在石油化工行業(yè)的加氫反應(yīng)器、原流合成塔、煤液化反應(yīng)器及核電站的厚壁壓力容器的生產(chǎn)中得到了應(yīng)用，而堆焊技術(shù)的關(guān)鍵在于控制堆焊層金屬的成分。堆焊時(shí)局部熔化的母材溶入焊縫中，對(duì)熔敷金屬有稀釋作用，堆焊接頭熔合區(qū)的化學(xué)成分、組織和性能既與母材和焊絲的成分有關(guān)，又與堆焊方法和工藝有關(guān)。帶極電渣堆焊（ESW，electroslag strip welding）是一種高效穩(wěn)定的堆焊方法，具有熔敷率高、稀釋率低和成型性好的特點(diǎn)，在石油化工、電力能源等行業(yè)被廣泛采用[1]。文中通過(guò)觀察帶極電渣堆焊接頭的組織形貌，結(jié)合熔合區(qū)化學(xué)成分的變化趨勢(shì)，分析了熔合區(qū)中“ 小島 ”和“ 半島 ”的形成機(jī)理，研究了堆焊金屬的組織特征及熱輸入對(duì)組織形貌的影響。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料及堆焊工藝

試驗(yàn)設(shè)備采用MZ-1000電源和FD11-200T平焊小車配自制送帶裝置。試驗(yàn)用母材為Q235鋼，規(guī)格為400 mm×200 mm×10 mm;焊帶為Cr-Ni不銹鋼，規(guī)格為寬25 mm×厚0.4 mm，母材和焊帶的化學(xué)成分如表1所示。

選用自制ESW專用燒結(jié)焊劑ESW-SJ18/8進(jìn)行堆焊試驗(yàn)，渣系為CaF2-Al2O3-MgO-SiO2，堿度3.7～

4.0，獲得堆焊接頭試樣。堆焊工藝參數(shù)如表2所示。

1.2 顯微組織觀察試驗(yàn)

從ESW堆焊試板上截取金相試樣，經(jīng)打磨、拋光和腐蝕后，利用XJG-05型光學(xué)金相顯微鏡觀察其顯微組織。

1.3 合金元素能譜分析試驗(yàn)

在HITACHI S2400-N型掃描電子顯微鏡下用EDS線掃的方法測(cè)量了熔合區(qū)不同位置的Cr、Ni、C等合金元素含量，以分析ESW堆焊接頭熔合區(qū)成分的變化趨勢(shì)，用EDS定點(diǎn)測(cè)量了熔敷金屬γ相和δ相中的鉻、鎳等合金元素含量。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 熔合區(qū)“ 小島 ”“ 半島 ”形貌及其形成機(jī)理

在Q235上進(jìn)行Cr-Ni不銹鋼帶極電渣堆焊獲得的堆焊接頭顯微組織如圖1所示，整個(gè)接頭主要由焊縫區(qū)（堆焊層金屬）、熔合區(qū)和母材區(qū)（熱影響區(qū)）3個(gè)區(qū)域組成。觀察發(fā)現(xiàn)，熔合區(qū)并非理想的線狀，一些位置存在“ 小島 ”和“ 半島 ”形貌。圖2a中的L（little island）由塊狀游離母材組織進(jìn)入熔敷金屬區(qū)域形成，形貌類似小島，故稱其為“ 小島 ”[2];圖2a、2b中的P（peninsula）由熔敷金屬與母材金屬組織相互咬合或嵌入形成，凸入焊縫中的母材形似半島，故稱之為“ 半島 ”[2]。根據(jù)金相形貌可初步判斷L和P的成分與母材類似，為了進(jìn)一步分析L和P的成分構(gòu)成，用能譜分析熔合區(qū)各區(qū)域中Cr、Ni、C等元素含量。試驗(yàn)采用線性掃描方式，從焊縫區(qū)域開始，即圖3a中的A，經(jīng)過(guò)“ 半島 ”B，焊縫C，逐漸掃描至母材D，結(jié)果如圖3b所示。

由圖3可知，焊縫區(qū)域A的Cr含量約為15%～

25%，Ni為4%～8%，與焊材成分接近。從A至B的過(guò)程中鉻鎳含量逐漸減少，到達(dá)“ 半島 ”B時(shí)，鉻鎳

含量驟降，Cr含量?jī)H為4%～6%，Ni為2%～4%，到焊

縫C區(qū)，鉻鎳合金元素含量又有所回升，分別為8%～

10%和4%～6%，區(qū)域D的w（Cr）<3%，w（Ni）<3%，與母材的原始成分基本相同。

從EDS線掃描結(jié)果可以看出，“ 半島 ”區(qū)域B的Cr、Ni合金元素的含量比母材區(qū)域D的高得多。其原因?yàn)椋喊雿u雖然是由熔池底部不完全熔化的母材伸入液態(tài)熔池形成，但由于其三面均為液態(tài)焊縫金屬，高溫停留時(shí)間長(zhǎng)，液態(tài)焊縫金屬中的鉻鎳元素通過(guò)擴(kuò)散大量進(jìn)入該區(qū)域，故半島中的合金元素比母材多。焊縫區(qū)域C的鉻、鎳含量明顯低于區(qū)域A，原因是該區(qū)域更接近熔池底部，受母材的稀釋作用強(qiáng)。母材區(qū)域D因焊接時(shí)受焊接熱的作用溫度較高，少量合金元素?cái)U(kuò)散至該區(qū)域，但其在高溫時(shí)間短于區(qū)域B，且與液態(tài)焊縫金屬僅為單側(cè)接觸，故受焊縫金屬元素?cái)U(kuò)散的影響較小，元素含量少。

“ 小島 ”“ 半島 ”形貌的形成機(jī)理可以從帶極電渣堆焊的特點(diǎn)及堆焊熔池的形成兩個(gè)方面進(jìn)行分析。

不同于電弧焊依靠電弧熱熔化焊材和母材，帶極電渣堆焊是利用電流流過(guò)液態(tài)熔渣產(chǎn)生的電阻熱熔化焊帶和母材表層形成液態(tài)金屬熔池，凝固后成為堆焊層。在電弧焊過(guò)程中，工件和焊絲間產(chǎn)生電弧，而電弧的高溫使得焊絲端部熔化形成熔滴，熔滴脫離焊絲，穿過(guò)電弧氣氛進(jìn)入金屬熔池，熔滴在自身重力、電磁收縮力和等離子流力等電弧力的作用下，從焊絲端頭到熔池的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不斷加速，電弧的本質(zhì)是一種電離狀態(tài)的氣體，對(duì)熔滴的阻礙作用很小，當(dāng)熔滴到達(dá)熔池時(shí)具有較高的動(dòng)能，對(duì)熔化的母材表層產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖刷作用，電弧力除通過(guò)熔滴對(duì)熔池有作用力外，自身對(duì)熔池也有直接作用，熔池中的液態(tài)金屬在力的作用下產(chǎn)生攪拌運(yùn)動(dòng)，成分趨于均勻化。帶極電渣堆焊時(shí)，焊帶端頭在渣池電阻熱作用下熔化所形成的熔滴，脫落焊帶后必須穿過(guò)液態(tài)渣池才能進(jìn)入金屬熔池，熔滴受力情況與電弧焊相比有所變化。

帶極電渣堆焊時(shí)，熔滴受力模型如圖4所示，焊帶端頭形成的熔滴受到的力有：表面張力σ、電磁力F、重力G和熔渣的浮力f [3]。熔滴從焊帶端頭脫落進(jìn)入液態(tài)渣池后，受到的力有重力G、電磁力F和浮力f，電弧焊時(shí)，電弧氣氛的密度很小，熔滴在電弧中的浮力可以忽略;但帶極電渣堆焊時(shí)，熔渣密度為2.8～3.2 g/cm3，熔滴在熔池中受到的浮力與自身重力在同一數(shù)量級(jí)，是熔滴在渣池中運(yùn)動(dòng)的阻力，因此促進(jìn)熔滴運(yùn)動(dòng)的力比電弧氣氛中低得多，當(dāng)熔滴到達(dá)金屬熔池時(shí)，熔滴速度小，對(duì)熔池底部局部熔化的母材的沖刷作用弱，熔滴運(yùn)動(dòng)對(duì)熔池內(nèi)液態(tài)金屬的攪拌作用也比電弧熔滴過(guò)渡小，影響熔化焊材與熔化的母材之間的均勻混合，為“ 小島 ”或“ 半島 ”的形成提供了可能。

帶極電渣堆焊時(shí)，熔融態(tài)渣池的溫度較低，為1 700～2 200 ℃，遠(yuǎn)低于電弧焊接時(shí)電弧的溫度，使得熔池底部靠近固態(tài)母材的區(qū)域溫度較低，過(guò)熱度小，受熱后難以徹底熔化，母材晶界處易形成元素偏析，因此晶界處的微觀缺欠相對(duì)晶核內(nèi)部較多，熔池中熔化的金屬可沿晶界熔入母材，這種溶蝕作用使部分塊狀金屬?gòu)哪覆闹蟹蛛x飄入熔池，加上熔池液態(tài)金屬的流動(dòng)性差、凝固冷卻快、液態(tài)停留時(shí)間短，滯留在焊縫中形成“ 小島 ”，而沒(méi)有完全與母材基體分離的則成為“ 半島 ”。C、Cr、Ni等元素的擴(kuò)散受“ 小島 ”或“ 半島 ”溫度的制約，化學(xué)成分難以均勻，形成如圖2所示的分布特點(diǎn)。

2.2 堆焊金屬的組織特征及其形成過(guò)程

根據(jù)堆焊材料的鉻、鎳當(dāng)量和Fe70%-Cr-Ni偽二元合金相圖[4-5]可以確定，試驗(yàn)堆焊熔池在冷卻凝固過(guò)程中以FA（Ferrite and Austenite，鐵素體-奧氏體模式）模式凝固結(jié)晶，首先從液態(tài)金屬中析出一次δ鐵素體，隨著溫度的下降，在δ鐵素體枝晶晶界處發(fā)生δ-γ轉(zhuǎn)變，析出二次奧氏體，形成如圖5所示的金屬組織。圖5中黑色為δ鐵素體相，整體上沿柱狀晶方向生長(zhǎng)，灰白色為γ奧氏體基體，這種混合組織有利于抗熱裂紋[5]。

采用能譜（EDS）分析圖6中γ相和δ相的鉻、鎳合金元素的含量，結(jié)果如表3所示。

由表3可知，奧氏體對(duì)應(yīng)點(diǎn)的鉻含量為17%～

18%，鎳含量約為8%，成分起伏較小;δ相內(nèi)鉻含量為18%～23%，鎳含量為3.8%～7.6%，成分變化較大。產(chǎn)生差異的原因與焊縫金屬冷卻過(guò)程中的凝固和相變有關(guān)。Cr為鐵素體形成元素，Ni為奧氏體形成元素，焊接過(guò)程中焊縫金屬在高溫停留時(shí)間短，凝固速度快，合金成分均勻化受到限制。Cr、Ni元素在奧氏體-鐵素體邊界的擴(kuò)散控制了相變的性質(zhì)與速率，決定了堆焊金屬的組織形貌變化。

堆焊金屬凝固時(shí)，從熔池液態(tài)金屬中析出的初始δ鐵素體在形核過(guò)程中產(chǎn)生了Cr偏析，生成的一次鐵素體樹枝晶晶核處富鉻貧鎳，枝晶間和晶界處富鎳貧鉻。隨著溫度的下降，當(dāng)過(guò)冷度滿足δ-γ轉(zhuǎn)變時(shí)，在富鎳貧鉻的δ鐵素體樹枝晶的晶界處開始形成二次奧氏體的晶核，并沿著一次鐵素體枝晶的邊界向晶粒中心迅速生長(zhǎng)。隨著奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，剩余的一次δ鐵素體的體積越來(lái)越小，因溫度下降速度很快，δ-γ轉(zhuǎn)變處于非平衡狀態(tài)，較多的富鉻貧鎳的δ-鐵素體相晶核來(lái)不及轉(zhuǎn)變被保留下來(lái)，成為殘余δ-鐵素體，分散在新生的二次奧氏體晶粒之間，二次奧氏體的生長(zhǎng)程度決定了殘余δ-鐵素體的形貌。

二次奧氏體晶粒的長(zhǎng)大與焊接過(guò)程的熱輸入、冷卻速度、鉻鎳元素的擴(kuò)散速率等密切相關(guān)[6]。當(dāng)焊接熱輸入為142.8 kJ/cm時(shí)，焊縫金屬凝固冷卻速度緩慢，二次奧氏體晶粒有充足的時(shí)間沿一次δ鐵素體枝晶界向中心長(zhǎng)大，彼此相鄰的晶粒能長(zhǎng)到相互接觸，殘留的δ鐵素體位于原一次δ鐵素體的晶核處，被二次奧氏體晶粒包圍，形成了斷續(xù)、彎曲的蠕蟲狀形貌，如圖5a所示。

當(dāng)焊接熱輸入為58.5 kJ/cm時(shí)，熱輸入較小，冷卻速度加快，Cr和Ni等合金元素奧氏體-鐵素體邊界的擴(kuò)散受到影響，相變反應(yīng)緩慢，二次奧氏體晶粒沒(méi)有足夠的時(shí)間長(zhǎng)大，相鄰晶粒長(zhǎng)不到相互接觸就停止了相變，δ鐵素體仍舊彼此相連，形成了網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，形態(tài)酷似骨架，故稱之為骨架狀δ鐵素體，圖5b中即為細(xì)長(zhǎng)連續(xù)的骨架狀組織。

當(dāng)焊接熱輸入為44.6 kJ/cm時(shí)，冷卻速度進(jìn)一步提高，熱量損失加劇，相變時(shí)間減小，鉻、鎳等元素的擴(kuò)散成為制約δ-γ相變過(guò)程二次奧氏體晶粒長(zhǎng)大的主要因素，為滿足相變需求，元素的擴(kuò)散只能縮短擴(kuò)散距離，相變以緊密排列的板條狀形態(tài)進(jìn)行。δ鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)闄M切過(guò)原始枝狀晶或胞狀晶生長(zhǎng)方向的板條狀δ鐵素體組織，如圖5c的左側(cè)所示，圖5c右側(cè)為密集、粗大、連續(xù)的骨架狀δ鐵素體。

3 結(jié)論

（1）ESW堆焊時(shí)，熔滴因受渣池浮力的影響，進(jìn)入金屬熔池的速度小，對(duì)熔池底部熔化母材的沖刷作用和對(duì)熔池內(nèi)液態(tài)金屬的攪拌作用弱，是熔合區(qū)形成“ 小島 ”和“ 半島 ”形貌的條件之一，液態(tài)金屬沿母材晶界的熔蝕，使塊狀母材飄入熔池是“ 小島 ”和“ 半島 ”形貌形成的另一原因。“ 小島 ”和“ 半島 ”區(qū)域的成分分布特點(diǎn)，與電渣堆焊液態(tài)熔池的過(guò)熱度小、流動(dòng)性差、凝固冷卻快、液態(tài)停留時(shí)間短，化學(xué)成分難以均勻有關(guān)。

（2）ESW堆焊金屬的組織為奧氏體+殘余δ鐵素體。殘余δ-鐵素體的形貌由堆焊金屬固態(tài)相變時(shí)二次奧氏體的析出程度決定。焊接熱輸入和冷卻速度是影響二次奧氏體析出的主要因素。焊接熱輸入越低，冷卻速度越高，二次奧氏體的析出越不完善，殘余δ鐵素體量越多，形貌由蠕蟲狀、斷續(xù)狀演變?yōu)榧?xì)長(zhǎng)連續(xù)的骨架狀和密集粗大的骨架狀，直到密排的板條狀。

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