哈工大焊接毕业论文 - 图文

Analysis on Microstructure and Hardness of Deposited Metals on Substrate

Low-carbon Steel by Shielded Metal Arc Welding Process

ABSTRACT

Electrode surfacing technology has wide application in practical production.Surfacing process test is made on Q235B steel substrate by shielded metal arc welding process using electrode D212 at different welding current condition.In this article,the microstructure and micro-hardness of deposited weld metals are analyzed separately by optical microscope and micro-hardness instrument,and the effect of the welding heat input on the formation of the deposited metals is also considered, hardness can achieve HRC50.The results show that the micro-hardness of the deposited layers depends on the microstructure whice is related with the value of the welding heat input. And hardfacing layer is effected by heat treatment process obviously, the organization to stress relieving won't change hardfacing layer on the microstructure and properties, and the hardness to completely annealing surfacing layer significantly reduced.

Key Words:surfacing process; deposit metal; microstructure; micro-hardness; welding heat input[1]

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1前 言

1.1 堆焊技术的发展及应用 1.1.1 基本概念

堆焊是用焊接的方法把填充金属熔敷到基体金属表面，以增大或恢复尺寸，以获得具有特殊性能的熔敷金属层而进行的焊接。 1.1.1.1 堆焊的分类

堆焊的分类方法很多。按使用的焊接方法分，堆焊技术有气体火焰堆焊、电弧堆焊、等离子弧堆焊、电阻堆焊、电渣堆焊、激光堆焊等。若按堆焊层的性能分，堆焊通常分为四种类型：包覆层堆焊、耐磨层堆焊、堆积层堆焊和隔离层堆焊。

（1）包覆层堆焊

把填充金属熔敷在低合金钢或碳钢的基体表面，提供抗腐蚀或抗磨保护层的工艺过程。要求包覆层较厚，表面完整、光滑，并完全包住基体。包覆堆焊层主要是用于堆焊不锈钢、镍基合金和铜基合金。常用手弧堆焊和埋弧堆焊，气体保护电弧堆焊用的较少。填充材料有焊条、焊丝和带极等。包覆层除耐均匀腐蚀外，还要抗局部腐蚀，因而应严格控制堆焊层的稀释率，确保包覆层所需要的合金含量。

（2）耐磨层堆焊

把填充金属熔敷在基体表面以提供抗磨损、冲击、腐蚀、擦伤和气蚀等保护层的工艺过程。只要在需要的部位熔敷耐磨层，节省了贵重材料。因所受载荷由韧度基体承受，设计时不在考虑耐磨层强度，所以很可能使用很硬的、耐磨性很好的堆焊层。抗磨料磨损是耐磨层堆焊最重要的应用之一。

（3）堆积层堆焊

把填充金属熔敷到基体表面、坡口边缘或以前堆焊过的堆焊层上以增大或恢复焊件尺寸的工艺过程。堆积层金属的性能和成分一般与基体相似。

（4）隔离层堆焊

焊接异种材料或有特殊要求的材料时，为防止基体成分对焊缝金属的不利影响，以保证接头质量和性能，预先在基体表面或坡口边缘上熔敷一定成分的金属层的工艺过程。隔离层又称过渡层。这主要出于冶金因素的要求。有的是为防止不利成分的扩散，有的是解决不同膨胀系数或不同热处理制度的要求。 1.1.1.2 堆焊的冶金特点

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堆焊是一种异质材料的融化焊，因此需要考虑的冶金问题和异种钢焊接时相类似。其中最突出的是稀释率、熔合区和污染、热循环、热应力和堆焊层外貌等问题。堆焊层被稀释，熔合区变脆，热影响的结果，导致堆焊层及热影响区成分、组织、性能变化是堆焊的明显特点。考虑冶金问题是综合评价堆焊技术选择是否得当，堆焊工艺是否正确，以及堆焊质量是否符合工况要求的重要指标。

（1）稀释率

堆焊时基体和堆焊金属融化，相互溶解，可用稀释率来表示。稀释率是堆焊金属被稀释的程度，用基体的融化面积占整个熔池面积的百分比来表示。堆焊金属的稀释率大小对堆焊层的成分和性能影响很大。稀释率增加使堆焊金属的合金元素比例下降，引起堆焊层硬度下降，堆焊材料消耗量增加。通常的话，堆焊材料中含有较多的合金元素，而基体往往是碳钢和低合金钢。为了获得所需要的表面堆焊层组织，节约合金元素，必须尽量降低稀释率。堆焊时，稀释作用的大小与选用的堆焊方法以及堆焊工艺有关。稀释率高的堆焊方法只有在堆焊层较厚时才能用。采用含有较高合金的堆焊材料，可以对单层堆焊层的稀释率进行补偿，但堆焊层的成分和性能的稳定性却比多层堆焊差。多层堆焊能降低稀释率的影响，一般堆焊三层后性能就趋于稳定。

（2）熔合区的成分、组织和性能

堆焊金属和基体热影响区之间存在一个融合区，其化学成分介于基体和堆焊层之间，性能也不同于基体，形成过渡层。堆焊的熔合区和堆焊层之间，性能也不同于基体，形成过度层。堆焊的熔合区和异种焊接相似，有时会出现延性下降的脆性交界层，在冲击载荷作用下易出现堆焊层剥离。而且当工件在高温环境下长期工作或堆焊后热处理时，沿熔合线有时出现碳的迁移现象，使高温持久强度和抗蚀性能下降。有些对含铁量有严格要求的有色金属堆焊材料，如果堆在钢质基体上，将受到铁的严重污染。如果基体与堆焊层热膨胀系数差别较大时，在堆焊过程、焊后热处理或使用过程中，可能发生裂纹。熔合区的成分和性能通常通过选择堆焊材料和选择正确的堆焊工艺来控制，必要时可在工作层堆焊前在基体上堆焊隔离层。如在钢基体上堆焊铜合金时，常采用镍、铝、青铜等作障碍层。

（3）热循环

堆焊层的化学成分除了受到基体稀释的影响外，还受到热循环的影响。堆焊层常采用多道焊或多层焊。后续焊道使先焊的焊道反复多次加热。另外，为了防止堆焊层开裂或剥离，有时还需要对工件进行预热、层间保温或焊后缓冷等措施。因此，堆焊层经受的热循环比一般焊缝复杂得多，在这种复杂的热循环作用下，堆焊层和熔合区的成分和组织变得

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很不均匀。不同的堆焊方法，热循环状况不同，对堆焊层的影响也不同。如氧-乙炔火焰堆焊钴铬钨合金时，由于加热、冷却速度都较慢，因此，堆焊层中碳化物颗粒较粗大。使用还原性火焰堆焊有增碳的作用，碳量增加使堆焊层耐磨性提高，但抗裂性下降。不锈钢和镍基合金堆焊层在490~870℃高温退火时，可能析出碳化物和σ相沉淀物，这将引起堆焊层变脆，并降低抗腐蚀能力。

（4）热应力

堆焊应用的成功与否有时取决于内应力的大小和外应力的类型（剪力、拉伸或压缩应力）。堆焊件的残余应力将加大或减小堆焊层开裂的倾向。当堆焊层和基体线膨胀系数差别较大，在焊后的冷却、热处理和运行中将产生很大的热应力，甚至出现裂纹。减小残余应力，除对堆焊工艺采取必要的措施外，还可以减小堆焊金属与基体的线膨胀系数差、增设过渡层以及改进堆焊层金属的塑性来控制[2]。 1.1.2 我国堆焊技术的发展状况

堆焊技术的显著特点是堆焊层与母材具有典型的冶金结合，堆焊层在服役过程中的剥落倾向小，而且可以根据服役性能选择或设计堆焊合金，使材料或零件表面具有良好的耐磨、耐腐蚀、耐高温、抗氧化、耐辐射等性能，在工艺上有很大的灵活性。我国堆焊专家围绕提高堆焊质量和效率开展了大量工作。堆焊方法方面，相继开发了电弧堆焊（单丝、多丝、单带极、多带极）、电渣堆焊（窄带极、宽带极、躺极）、MIG 堆焊、等离子弧粉末 堆焊、高能光束（激光、聚焦光束）粉末堆焊等，就熔敷效率而言，已从单丝电弧堆焊的11 kg/h 发展到多带极电弧堆焊的70 kg/h[3]，而稀释率从电弧堆焊的30 %～60 %降低到等离子弧、激光、聚焦光束堆焊的5 ％左右[4]。堆焊材料方面，针对被修复零件的服役要求，相继开发了耐磨的硬质合金复合堆焊材料（包WC 的管状焊条以及含碳化物的钴基合金、镍基合金、铁基合金粉末），耐冷热疲劳的CrNiWMoNb 及镍马氏体时效钢等模具堆焊材 料，以及用于轧辊修复的低合金钢堆焊材料(30CrMnSi，40CrMn)、热作模具钢堆焊材料(3Cr2W8，Cr5Mo)、弥散硬化钢堆焊材料(15Cr3Mo2MnV，25Cr5WMoV，27Cr3Mo2W2MnVSi)、马氏体不锈钢堆焊材料（1Cr13NiMo 配SJ11 烧结焊剂[5]，0Cr14Ni2Si 配SJ11 烧结焊剂）[3]等。在堆焊材料的使用形式方面，已从堆焊发展初期的以焊条为主转向焊条、实心焊丝配焊剂、焊带配焊剂、药芯焊丝及粉末等多种使用形式，而且药芯焊丝的使用比例呈逐年增长趋势。与堆焊技术的国际发展前沿相比较，我国在堆焊基础理论方面（如堆焊合金的设计、堆焊缺陷的形成机理等）并不落后于工业发达国家，但堆焊材 料和设备的工业发展水平与发达国家存在较大差距，我国堆焊材料方面的突出特点是“焊条

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