不同焊條對鋼材冷焊修復的影響

賈永真，王家偉，靳學利，路長遠，呂常勝，朱維東

(貴州大學 材料與冶金學院，貴州 貴陽 550003)

0 前言

在精密部件的修復中，傳統修復技術的熱變形較大、缺陷多、熔合性能差等缺點，冷焊技術作為一門焊接新技術逐漸得到發展，它主要通過表面粘涂[1]和相變擴散實現材料焊接，有效控制變形[2]、咬邊及殘余應力[3]，不產生局部退火，焊接強度高，冶金結合不脫落，方便快捷，是修復工件時較為理想的焊接技術，已使用于鑄件及工模具鋼件等的修復[4-5]。由于焊材的力學性能一般比母材低，所以為減小焊接后性能差異，本試驗利用全智能精密補焊機（HWS-1000）使用4種焊條對3種鋼材缺陷進行同種或異種鋼冷焊修復，并分析試樣晶體金相顯微組織和顯微硬度，討論焊條對冷焊修復的影響，為選擇冷焊焊條提供參考。

1 試驗原理與內容

1.1 實驗原理

冷焊時焊接接頭由焊縫、熔合區和熱影響區[6]三部分組成。焊接時部分金屬被熔化，通過擴散方式使液態金屬與母材金屬結合在一起，不僅焊縫金屬在熱源的作用下發生從熔化到結晶等一系列的變化，而且焊縫兩側未熔化的母材經歷一定熱循環后，組織形態也發生了固態相變過程[7]。因為，在焊接時因焊弧熱而熔化成池狀的母材部分形成熔池[8]，熔池金屬在經歷了一系列化學冶金反應時，隨著熱源的遠離，溫度迅速下降，凝固后成為牢固的焊縫，并且在繼續冷卻中發生固態相變。熔合區和熱影響區在焊接熱源的作用下，也將發生不同的組織變化。熔池的凝固與焊縫的固態相變決定了焊縫金屬的結晶過程、組織和性能[9]。

1.2 實驗材料和主要過程

試驗中所用三類鋼材試樣分別為：高速鋼M2(W6Mo5Cr4V2)、軸承鋼(GCr15)、不銹鋼(11Cr17)，冷焊的焊條種類[10]較多，根據要求可提供以下4種焊條：CMC-M2高速鋼焊條、CMC-M3-2高速鋼焊條、CMC-SKD61模具焊條、ER308不銹鋼焊條。

實驗過程主要分6個步驟：

①焊前準備：工件表面清潔處理、焊絲選擇及參數設置；②冷焊修復：全智能精密補焊機(HWS-1000)，焊接電流120A；③線切割：電火花線切割；④磨樣拋光及腐蝕：拋光后王水腐蝕；⑤顯微組織：金相掃描電子顯微鏡觀測；⑥硬度檢測：HVS-1000型數字顯微硬度計檢測。

2 試驗結果分析

2.1 不同焊條對鋼材冷焊后各區域顯微組織的影響

透過掃描電鏡對焊接接頭組織進行觀察，具體試驗方法可參照文獻[11]透射電子顯微學，獲取金相顯微組織如圖1～圖6所示。

由圖1～圖6可知，試樣的焊接接頭組織均發生了不同程度的轉變，根據實驗結果分析如下：

圖1 高速鋼M2與CMC-M3-2焊后熱影響區、熔合區和焊縫金相顯微組織

圖2 高速鋼M2與CMC-M2焊后熱影響區、熔合區和焊縫金相顯微組織

圖3 軸承鋼(GCr15)與CMC-M2焊后熱影響區、熔合區和焊縫金相顯微組織

圖4 軸承鋼(GCr15)與CMC-SKD61焊后熱影響區、熔合區和焊縫金相顯微組織

圖5 不銹鋼(11Cr17)與ER308焊后熱影響區、熔合區和焊縫金相顯微組織

圖6 不銹鋼(11Cr17)與CMC-M3-2焊后熱影響區、熔合區和焊縫金相顯微組織

（1）熱影響區。組織結構基本與母材相同，只是由于熱擴散作用析出大量黑色第二相粒子碳化物[12]，最終晶界析出大量滲碳體顆粒，彌散分布于晶界上；圖2還產生一定程度的枝晶偏析，圖4晶間可見少量白色顆粒β固溶體并產生微裂紋，圖5母材的片狀珠光體束不斷長大，圖6與圖5類似，但生成有微量樹枝晶。可見焊條對熱影響區的影響較弱。

（2）熔合區。由于母材經過半融化后正火使組織發生部分相變，經過固態相變過程，滲碳體量減少，經過區域偏析、層狀偏析，產生一定量珠光體類組織，且由于非平衡結晶出現不同程度的枝晶偏析，產生樹枝晶和柱狀晶；圖2、圖3和圖5生成不等量的板條狀馬氏體；圖5中板條馬氏體聚集群并且由于殘余應力作用形成少量孿晶馬氏體；圖4有所不同，析出的滲碳體經熱擴散聚集于晶間成薄片狀。可見焊條對熔合區的影響較大。

（3）焊縫。經過液態轉變為固態的過程，由于過冷度較熔合區大，根據金屬結晶的基本規律，滲碳體及珠光體量不斷減少，并獲得大量的樹枝晶和板條馬氏體；圖3中有少量珠光體分布于滲碳體上形成低溫萊氏體；圖4中滲碳體片聚集成束形成片層網狀二次滲碳體，由于碳含量降低使基體組織幾乎全部轉化為珠光體；圖5中板條馬氏體群量增多且孿晶馬氏體長大產生孿晶界。可見焊條對焊縫的影響最大。

對于高速鋼M2的冷焊，相關文獻[13]認為冷焊時最好選擇相同鋼材的焊條，試驗將圖1和圖2比較，圖2獲得的板條狀馬氏體及樹枝晶均比圖1多，而馬氏體強度很高，樹枝晶強韌性較好[14]，所以高速鋼M2與CMC-M2焊接的強度、硬度等力學性能比其與CMC-M3-2焊接更高，可得出類似結論：同為高速鋼，相同材料的焊接性能效果更好。對于軸承鋼(GCr15)的冷焊，文獻[15-16]指出異種鋼冷焊需分析焊條綜合力學性能，比較圖3和圖4，因為馬氏體、萊氏體組織的力學性能均比珠光體組織好，所以軸承鋼(GCr15)與CMC-M2冷焊后的連接性及力學性能明顯比其與CMC-SKD61焊接后的好。可見異種焊材的焊接，用力學性能更好的高速鋼CMC-M2比模具鋼CMC-SKD61焊接效果更好[17]。對于不銹鋼(11Cr17)的冷焊，比較圖5和圖6，因為板條馬氏體群力學性能較好，所以不銹鋼(11Cr17)與ER308焊接后力學性能比其與CMC-M3-2焊接后更好，與文獻[18-19]類似，可得出相似結論：用同類材料焊接不銹鋼ER308得到的力學性能比用高速鋼CMC-M3-2焊接的更好。

2.2 不同焊條對鋼材冷焊后硬度的影響

試驗中試驗力2.942 N，保壓時間20 ms，從熱影響區到焊縫順序打點，進行硬度檢測，如表1所示，并繪制不同焊條的焊接接頭顯微硬度對比曲線，如圖7所示。

表1 各試樣冷焊后焊接接頭顯微硬度分布HV

圖7 各試樣冷焊后焊接接頭顯微硬度對比曲線

由表1和圖7可知，試樣經冷焊后，焊接接頭的顯微硬度值從熱影響區到焊縫順序減小，在熱影響區顯微硬度值緩慢下降，在熔合區硬度出現突變，迅速下降，最后在焊縫趨于平穩，焊接熔池經固態相變、再結晶，組織發生轉變導致力學性能低于母材；從圖7a可知，高速鋼M2與CMC-M2冷焊后三個區域顯微硬度約為940HV、780HV和680HV，比其與CMC-M3-2冷焊后的920 HV、760 HV和640 HV略高，所以同種材料冷焊硬度最高；從圖7b可知，在熔合區及焊縫，軸承鋼(GCr15)與CMC-M2冷焊后硬度約為660 HV和600 HV，比其與CMCSKD61冷焊后的590 HV和480 HV高，因此異種焊材的焊接，用力學性能更好的鋼材焊接更好[23]；由圖7c可知，不銹鋼(11Cr17)與ER308冷焊后硬度約為935HV、830HV和765HV，比其與CMC-M3-2冷焊后的900 HV、640 HV和460 HV明顯偏高，因此不管焊條力學性能如何，同類材料冷焊后的硬度均比異種材料冷焊高。

3 結論

(1)材料在冷焊修復過程中，焊接熔池的結晶符合金屬結晶的規律，焊接接頭發生了組織的固態相變，晶體發生轉變，力學性能也將改變，其中熔合區和焊縫還獲得大量樹枝晶和板條馬氏體等新組織，晶界還彌散分布著碳化物顆粒滲碳體，保證了焊接接頭良好的力學性能。

(2)對于同類型材料，M2與CMC-M2冷焊后焊縫硬度可達680 HV，比其與CMC-M3-2冷焊后的640 HV略高，因此同種材料的焊材冷焊后力學性能相對較好；異種鋼冷焊，GCr15與CMC-M2冷焊后焊縫硬度達600 HV，比其與CMC-SKD61冷焊后的480 HV高；11Cr17與ER308冷焊后焊縫硬度高達765 HV，明顯高于與CMC-M3-2冷焊后的460 HV，進一步證明了不管焊條力學性能如何，同類材料冷焊后力學性能總比異種材料好。

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