Q235鋼板表面堆焊不銹鋼改性處理

潘 強，劉爾璽，馮淳元，楊耀華，王 波，潘會平

（蘭州市蘭石能源裝備工程研究院有限公司，蘭州730050）

Q235鋼板表面堆焊不銹鋼改性處理

潘 強，劉爾璽，馮淳元，楊耀華，王 波，潘會平

（蘭州市蘭石能源裝備工程研究院有限公司，蘭州730050）

為了提高Q235鋼表面的耐蝕性和硬度等性能，采用TIG堆焊技術對Q235鋼進行表面堆焊不銹鋼試驗，在30個試樣中選取堆焊效果較好的4個試樣，分析了其組織的宏觀和微觀形貌，選擇15#試樣堆焊層進行了腐蝕試驗，并與Q235鋼板的硬度進行了比較分析。試驗結果表明，通過在Q235鋼板表面堆焊不銹鋼進行表面處理，其表面硬度有明顯的提高，堆焊后Q235鋼板表面堆焊層的耐蝕性比Q235鋼母材的耐蝕性強。

Q235鋼；堆焊；不銹鋼；表面性能

Abstract:In order to improve the surface performance of Q235 steel，such as corrosion resistance，hardness and so on，in this article，it adopted TIG technology to conduct surface overlaying welding on stainless steel，carried out 30 groups of tests，selected four samples which possessing good overlaying welding effect，analyzed the macroscopic and microscopic morphology，and selected 15#specimen to conduct corrosion test.Finally，it is concluded that surface overlaying welding on stainless steel for Q235 steel，the surface hardness of steel plate obviously be increased，the corrosion resistance of Q235 steel after surfacing welding is better than that of Q235 steel base metal.

Key words:Q235 steel；overlaying welding；stainless steel；surface performance

Q235鋼由于其擁有良好的綜合力學性能，能滿足一般工程結構及普通零件的要求，然而由于Q235鋼表面硬度低、耐腐蝕性差等缺點限制了其在更多領域的應用[1]。大量的生產實踐表明，Q235鋼不但會在酸性以及中性介質中發生電化學腐蝕，在高溫濃堿中耐腐蝕性更差[2]。隨著表面堆焊與表面鍍覆等技術的發展和應用，可以通過對Q235鋼進行表面堆焊不銹鋼，來提高Q235鋼表面耐腐蝕性和硬度等性能。

1 試驗材料

1.1 材料準備

堆焊是用焊接方法在工件表面堆覆一層具有一定性能的材料的工藝過程。本試驗采用TIG堆焊進行試驗，試驗采用4塊Q235鋼板，鋼板厚度3.60 mm，其化學成分及力學性能見表1和表2[3]。本次試驗焊接材料為309L不銹鋼焊絲，焊絲直徑為1.00 mm，主要化學成分見表3[4]。

表1 Q235鋼板化學成分

表2 Q235鋼板力學性能

表3 309L不銹鋼焊絲化學成分%

1.2 試驗設備

本試驗采用的設備主要有：F-P400型球磨機、JH-16型壓力機、Q-2型金相試樣切割機、MP-2型拋光機、XQ-2B型金相鑲嵌機、XL30 ESEM-TMP型環境掃描電鏡、TT2200型全數字直流TIG焊機、KD4010送絲機、工業控制機和XKA714B/1E數控銑床等組裝成的堆焊成型系統。

2 試驗方法及過程

2.1 焊前準備

堆焊試驗采用TIG焊，直流正接，焊縫長度70 mm。保持焊接電弧長約4.5 mm不變；送絲角度為20°～30°，焊絲末端距工件高度為l mm；鈰鎢極直徑2.4 mm，尖端錐角約35°；保護氣體為99.9%的普通工業純氬，氣體流量為10～15 L/min。

氬氣是惰性氣體，在焊接過程中既不與金屬發生化學作用，也不溶于金屬中，這為獲得高質量焊縫提供了良好條件。但是氬氣不像還原性氣體或氧化性氣體那樣具有脫氧或去氫能力，因此TIG焊接過程對焊件上的污染極為敏感[5]。為保證焊接質量，焊前必須將焊件和焊絲等清理干凈，不殘留污染物。必須清除的污染物有油脂、油漆、涂層加工時用的潤滑劑、塵土和氧化膜等。因此堆焊前將待焊表面用砂紙手工逐級磨光，以去除試樣表面的氧化膜和吸附層，然后用丙酮擦拭待焊試樣表面，用熱風吹干后即可進行堆焊試驗[6]。

2.2 堆焊焊接參數設計及影響

由相關試驗得知，TIG堆焊不銹鋼適合電流110～130 A，送絲速度 90～130 cm/min，焊接速度100～140 mm/min[7]，因此根據焊接速度、送絲速度和焊接電流的單一變化，設計了30組試驗，設計參數見表4，試驗結果如圖1所示。

表4 30個不銹鋼單道單層堆焊試樣設計參數

從對焊接過程的觀察和試樣焊接結果可以發現，焊接電流、送絲速度以及焊接速度對堆焊層有一定影響。

（1）焊接電流對堆焊層的影響。從堆焊層的表面可以發現，當焊接速度和送絲速度不變，焊接電流為90 A和100 A時，焊絲都會出現不能完全熔化的現象。這表示不銹鋼焊絲的熔點較高，小的電流不能滿足堆焊要求。而當焊接電流為110 A時，在焊接速度不變的情況下，調整焊接速度也很難使堆焊表面平整。雖然焊接電流基本達到要求，可還是會影響堆焊層表面成型。而焊接電流為120 A和130 A時，堆焊層表面基本上可以保持較好美觀程度。但130 A的電流有可能會造成鋼板厚度不夠，而被焊穿的現象。

（2）送絲速度對堆焊層的影響。根據堆焊過程中的觀察和堆焊表面成型的情況，由于本試驗所采用的鋼板厚度較小，使焊接電流受到限制，從而送絲速度同樣不能太大。從堆焊結果發現，當送絲速度大于80 mm/min時，基本都會出現焊絲不能完全熔化的情況，這樣就對堆焊層表面成型有很大的影響；而當送絲速度≤60 mm/min時，堆焊層不能保持很好的連續性。

（3）焊接速度對堆焊層的影響。在不銹鋼堆焊試驗中，大部分采用的焊接速度為100 mm/min，在少數堆焊層表面有重疊現象的情況下，將焊接速度調至120 mm/min時，發現會影響堆焊層的連續性。在焊接電流和送絲速度的限制下，焊接速度不能太高。

圖1 30個不銹鋼堆焊層試樣試驗結果

在上面30組試樣中根據焊接電流、焊接速度和送絲速度的不同，選擇焊接效果較好的4個試樣，分別標記并進行后序試驗。選擇2#、12#、18#試樣做金相試驗，選擇15#試樣做腐蝕試驗。

3 試驗結果分析

3.1 金相分析

金相顯微分析法是用來測定金屬合金相圖的主要方法之一。它借助于光學顯微鏡或者電子顯微鏡觀察合金的微觀組織結構，研究試樣所包含的相數、性質以及各個相的大小、含量、形狀等，借以探討試樣的相關關系[8]。

用2#、12#、18#焊接試樣制做金相試樣，把做成的試樣截取一小段，在砂輪上進行打磨，然后在粗砂紙上粗磨，光滑后在細砂紙上細磨，在拋光機上進行拋光，然后用4%硝酸酒精溶液對試樣進行腐蝕，采用荷蘭飛利浦公司生產的XL30 ESEM-TMP型環境掃描電鏡觀察支架的斷面微觀形貌。圖2為2#、12#和18#試樣宏觀形貌，圖3為12#試樣的顯微組織，圖4為不銹鋼堆焊層與母材結合區組織，圖5為不銹鋼堆焊層金相組織。

圖3 12#試樣微觀照片

圖4 不銹鋼堆焊層與母材結合區組織

圖5 不銹鋼堆焊層金相組織

從圖2和圖3可以看出，作為亞共析鋼，母材的組織主要由鐵素體和珠光體組成。粒狀的珠光體彌散分布在比較粗大的鐵素體晶粒中間。而熱影響區的組織經歷過回復（指新的無畸變晶粒出現之前所產生的亞結構和性能變化的階段）、再結晶（指出現無畸變的等軸新晶粒逐步取代變形晶粒的過程）、晶粒長大（指再結晶結束之后晶粒的繼續長大）過程。經歷這個過程之后，得到的就是尺寸較為穩定的、無畸變的細等軸晶粒[9]。

從圖4可以看出，在靠近與母材結合部分的組織有部分等軸晶，這是因為有鐵元素滲透進去，這就是堆焊過程中的滲鐵現象。在堆焊過程中，靠近母材的熔敷層中溶解了較多的Fe，Fe一方面作為形核質點，大大增加了液態金屬中的晶核；而另一方面，在凝固過程中Fe和其他雜質元素又阻礙了晶粒的生長，從而使晶粒以等軸晶存在[10]。而在遠離結合面的堆焊層中，滲透的Fe很少或根本沒有Fe的滲透，所以其組織以樹枝晶存在。

從圖5可以看出，其組織主要為等軸晶，還存在部分的樹枝晶。從腐蝕的過程中看，不銹鋼需要用腐蝕性更強的硝酸氫氟酸溶液腐蝕后才能看清其金相組織[11]。而且在腐蝕的過程中，母材很容易出現腐蝕過度的情況。

3.2 堆焊層硬度性能比較

在對Q235鋼板進行不銹鋼堆焊后，對堆焊后的表面性能進行比較。選擇15#堆焊層做腐蝕試驗，并且與未進行堆焊的Q235鋼板進行比較。用HVS-1000型數顯顯微硬度計測試復合材料的顯微硬度，100g載荷加載15s[12]，每個試樣取3個值，如果離散太大則取5個值，最后求平均值[13]，測試結果見表5。

表5 Q235鋼板和堆焊層表面硬度值

從表5的數據可以看出，不銹鋼堆焊層的表面硬度值都高于Q235鋼板。所以，通過對Q235鋼板表面進行不銹鋼堆焊可以提高其表面硬度。

4 結 論

（1）焊接電流、焊接速度和送絲速度影響表面堆焊層的焊接效果，要根據焊件材料、厚度、接頭形式、焊接位置、焊絲的直徑等因素選擇合適的焊接參數。

（2）在奧氏體不銹鋼焊接接頭中, 按照鐵素體形態的變化定義特征區，較為合理的過渡區由未混合區、部分熔化區和固態相變區組成,其與兩側的焊縫區和熱影響區之間均有明顯的邊界。

（3）焊接接頭的未混合區與焊縫區雖均為凝固組織, 但由于化學成分、過熱度和冷卻速度等的差異而形成形態不同的組織。部分熔化區與固態相變區無明顯的組織差異，它們形成的鐵素體細小、不連續、無方向性，奧氏體基體上無柱狀晶形態。

（4）通過在Q235鋼板表面堆焊不銹鋼進行表面處理，可以提高其表面的硬度和耐蝕性能。

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Q235 Steel Plate Surface Overlaying Stainless Steel Modified Process

PAN Qiang，LIU Erxi，FENG Chunyuan，YANG Yaohua，WANG Bo，PAN Huiping
（Lanshi Energy Equipment Engineering Research Institute Co.，Ltd.，Lanzhou 730050，China）

TG455

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.04.005

2017－01－12

編輯：汪翰云

潘 強（1987—），男，2013年畢業于南昌大學材料成型及控制工程專業，大學本科，現主要從事材料研發、車輛工程方面的工作。