打底用自保护药芯焊丝堆焊组织和性能研究

摘要

堆焊作为材料表面改性的一种经济而快速的工艺方法，越来越广泛地应用于各类工业零件的制造修复中。为了更有效地发挥堆焊层的作用，结合焊材和母材特性，找寻更为合理的焊接工艺，保证堆焊打底层应有的“承上启下”的效果，是获得高性能堆焊组织的关键。本文以焊缝区、熔合区及过热区显微组织（以下简称“堆焊显微组织”）和相关力学性能为研究对象，重点研究了层间温度、预热温度及电弧稳定性对自保护药芯焊丝堆焊显微组织和性能的影响规律，最终优化出较为合理的焊接工艺，并对其进行了部分重复性检验。 采用OM、热模拟机分别对试验所用调质态45钢（母材）和自保护药芯焊丝堆焊熔敷金属的显微组织及热膨胀系数进行测试分析，结果表明，两种材料显微组织完全不同，熔敷金属线膨胀系数比调质态45钢线膨胀系数大，属异种钢焊接范畴。 采用OM、SEM/EDS、XRD等方法对堆焊显微组织进行了分析，结果表明，相比于对照组（预热50℃、150℃），预热温度100℃所得堆焊显微组织分布相对均匀，晶粒大小适中，（残余）奥氏体含量占比较大，杂质及微裂纹较少，组织过渡更佳。层间温度150℃堆焊显微组织晶粒较细小，马氏体含量较少，未观察到微裂纹存在，显微组织过渡明显优于对照组（层间温度100℃、200℃）。 采用盲孔测试残余应力法对堆焊熔合区残余应力进行了测试，结果表明，相比于对照组，预热温度为100℃焊接所得熔合区不同测试位置残余应力数值均小于其他两组，中间位置残余应力最小；层间温度150℃试板不同测试位置残余应力数值均小于对照组，尤其中间位置残余应力较小，与对照组相比更利于材料稳定。 采用室温冲击实验机和显微硬度测试仪对堆焊熔合区的冲击功和显微硬度梯度进行了测定，结果表明，预热温度100℃焊接所得试板中间位置冲击吸收功均值为35.1 J，微观断口具有典型河流花样形貌，属解理断裂；显微硬度跳跃幅度较小，明显优于对照组；层间温度150℃焊接试板中间位置冲击吸收功均值达34.4 J，微观形貌为典型河流花样形貌，含有少量的韧窝，属解理断裂；显微硬度数值跳跃幅度较小，明显优于对照组。 试验条件下，同一焊接条件所得的试板中间位置显微组织分布较均匀，组织过渡更好，焊接残余应力数值较小，冲击吸收功较大，显微硬度数值梯度波动均较小，明显优于两端位置。换言之，电弧稳定性越好，堆焊显微组织和相关力学性能越佳。 综上所述，合理的焊接工艺更有利于保证堆焊质量。通过以上研究优化得出的预热温度和层间温度分别为100℃和150℃。在此条件下，堆焊显微组织分布及相关力学性能最佳。此外，与两端相比，堆焊试板中间位置的显微组织及相关力学性能较好。这意味着良好的电弧稳定性有利于提高焊接质量。