攪拌船用耐磨板YG20、Q355與TU1銅釬焊接頭的性能分析

陳吉,張筍,劉進福,張騫

(1.常州工業職業技術學院,江蘇 常州 213164;2.中車戚墅堰機車有限公司,江蘇 常州 213011;3.滬東中華造船集團有限公司,上海 200129)

混凝土攪拌船在跨?；蚩缃幕炷辽a和澆筑方面發揮著巨大作用。耐磨板(也稱為眼鏡板)是攪拌船中輸送混凝土的重要零件,與泵送系統的S閥一起組成摩擦副,完成混凝土的輸送切換,其在攪拌船上的應用見圖1,耐磨板結構見圖2。

圖1 耐磨板在攪拌船上應用示意

圖2 耐磨板(眼鏡板)結構示意

在工作狀態下耐磨板受力工況復雜,承受較大的沖擊力、剪切力,以及十分強烈的摩擦,因此耐磨板為易損件,直接影響泵送系統的使用性能、維護成本和壽命。在耐磨板的制造方面,國外較多地采用硬質合金與低合金鋼焊接,具有耐磨性好、經濟成本低等優點;國內對耐磨板的研制也較為深入[1-2],有學者對YG20C硬質合金與16Mn合金鋼,采用真空釬焊的方式對耐磨板進行了研究[3]。但目前尚未有關YG20與Q355銅釬焊的應用研究報道。為此,結合國外某型混凝土攪拌船的耐磨板國產化需求,對耐磨板合金鋼材料采用YG20、基體選用Q355進行真空釬焊展開分析。Q355力學性能滿足結構要求,其優點在于較好的韌性、耐磨性和經濟性,特別是在大批量生產與工程應用中Q355鋼經濟性顯著。釬焊的焊接方式有別于常規的熔化焊,適用于焊接面大、精度要求高的零配件焊接,采用硬質合金YG20和Q355基體鋼進行銅釬焊工藝及焊后接頭性能分析,以期獲得良好的焊接接頭性能,為該型攪拌船提供滿足使用要求且成本更優的易損件。

1 試驗材料的選用及釬焊設備

1.1 試驗母材

攪拌船耐磨板的基體材料選擇Q355棒材,試件尺寸為φ300 mm×70 mm(直徑×高度),化學成分與力學性能分別見表1和表2。

表1 Q355的化學成分

表2 Q355的力學性能

硬質合金為YG20,試件尺寸為φ300 mm×70 mm(直徑×高度),化學成分與力學性能見表3。

表3 YG20的化學成分與性能

1.2 釬料的選用

由于純銅的潤濕性好且與試驗母材中的Fe易形成固溶體、實現接頭的固溶強化,提高焊接接頭的強度;同時純銅不易形成對性能有影響的金屬間化合物,因此釬料選擇TU1無氧銅,其熔點的為1 084 ℃,低于Q355鋼的熔點溫度1 500 ℃和YG20的熔點溫度2 000 ℃,滿足釬料要求[4],其化學成分見表4。

表4 TU1銅釬料化學成分(質量分數)

2 焊接試驗方案

試驗設備采用真空釬焊爐進行真空釬焊,真空釬焊爐具有加熱均勻、設備簡單等優點。試樣需用耐熱鋼加載壓緊并固定后放入真空爐,以免影響裝配間隙,焊接裝配示意見圖3。

圖3 焊件裝配示意

采用銅釬焊進行焊接時,釬焊間隙過小會導致接頭內的空氣不易排出,易產生焊接缺陷;釬焊間隙過大則會由于釬料的潤濕性減弱不能完全填充釬縫間隙,母材與釬料的相互擴散性也會大大削弱,導致焊接接頭性能變差。因此,在分析YG20與Q355銅釬焊可行性的同時分析釬縫間隙大小對接頭性能的影響。銅釬焊在對應焊接材料下的焊縫分別為0.1、0.3、0.4 mm時,試驗取得最佳焊接接頭性能[5],在基礎上,結合混凝土攪拌船耐磨板的受力特性、母材性能、試驗成本等多因素對釬縫縫隙設置6組進行試驗,間隙值分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 mm。若試驗結果表明最優的釬焊間隙在試驗間隙值內,則無需進行后續試驗;若試驗結果不能對最優的釬焊間隙進行推斷,則在上述6種間隙內選擇最優的釬焊間隙以供焊接參考。

3 焊接試驗

3.1 焊前工件表面清理

在焊接試驗前需對YG20和Q355加工好的棒材進行表面清理,首先采用砂紙打磨去除表面氧化膜,直至表面光滑、肉眼觀測無明顯劃痕,然后采用5%～10%的硫酸和2%～10%的鹽酸混合水溶液對試件清洗,之后再采用丙酮清洗并擦拭干凈。

3.2 釬焊工藝參數

為確保真空爐爐內溫度的一致性及真空度,同時參考GB/T 80825—2016標準及文獻[1-3,5],確定試驗釬焊的工藝參數為：先將爐溫升至釬料的熔點溫度880℃附近并保溫30 min,升溫速率為20℃/min;待溫度均勻后再逐步升溫至釬焊溫度,然后再進行焊接保溫,隨后冷卻。選擇穩定溫度為880℃,升溫速率為20℃/min,穩定30 min后,真空爐再次升溫至1 130℃保溫15 min后,爐內冷卻。

3.3 焊后觀測與金相檢測

焊后對耐磨板試件的焊縫進行滲透PT檢測,未發現氣孔、裂紋等缺陷。為對結構焊縫材料組織分析,進一步分別測試母材與焊縫釬料的金相組織：YG20為粗粒碳化物的硬質合金;釬料銅TU1的金相組織為α單相組織,鑄態組織,晶粒較為粗大;Q355金相組織為鐵素體和珠光體組織。

經過金相組織對比,間隙值在0.1～0.6 mm之間的6組試件金相組織較為相近,釬料層與硬質合金(這里加上YG20)的接觸面在小范圍內有著一定的相互擴散,在接近硬質合金YG20的釬料層有一定的彌散強化,界面整體融合良好,未見氣孔、夾雜、裂紋等缺陷,分界線相對比較清晰;而釬料層與Q355接觸面的分界線相對模糊,這是因為Fe與Cu原子半徑較為接近且在元素周期表上為同一周期,其融合能力較強,相互擴散現象明顯且伴隨著一定新相產生,這有利于焊接接頭力學性能的提高。因各試件的金相組織較為接近,限于篇幅僅給出間隙為0.2和0.6 mm的金相圖,見圖4、5。

圖4 0.2 mm間隙下結構金相組織

圖5 0.6 mm間隙下結構金相組織

3.4 接頭力學性能檢測及分析

3.4.1 拉伸試驗

對6種間隙下的焊接試樣進行拉伸試樣取樣,并在室溫下進行拉伸試驗,斷裂位置全部在焊縫中心,這表明焊縫中心的強度明顯低于母材,詳細試驗結果見圖6。

圖6 屈服強度與抗拉強度隨釬縫間隙變化規律

從圖6可見,隨著釬縫間隙從0.1～0.6 mm增加,接頭屈服強度和抗拉強度都呈現出先小幅上升達到最大值后再下降的趨勢;接頭屈服強度和抗拉強度均在釬縫間隙為0.4 mm時達到最大值,分別為304.75和439.8 MPa,屈服強度達到母材的85.8%,抗拉強度達到母材抗拉強度上限值的69.8%。但隨后隨著釬縫間隙的進一步增加,屈服強度和抗拉強度急劇下降,當釬縫間隙為0.6 mm時,屈服強度下降到158.65 MP,抗拉強度下降到208.64 MPa,此狀態不能滿足強度要求。這主要是因為釬縫間隙在0.4 mm范圍內時,釬料毛細作用強、潤濕性好,釬料與母材相互之間擴散良好,保證了接頭的力學性能;但是隨著釬縫間隙的進一步增大,釬料的毛細作用減小,釬料的潤濕性減弱甚至不能完全填充滿釬縫間隙,相互擴散性也進一步削弱,導致焊接接頭性能變差。另一方面釬縫間隙也不宜過小,間隙過小雖有利于毛細作用但會導致接頭內的空氣不易排出,易產生焊接缺陷。

3.4.2 拉伸試樣斷口形貌分析

6組拉伸試樣的斷口宏觀形態見圖7,拉伸斷口均發生在釬縫中心,但不同的釬縫間隙斷口形貌不同。釬縫間隙為0.1和0.2 mm的試件斷口平整,肉眼觀測斷口幾乎沒有凹凸現象;而隨著釬縫間隙增大,斷口凹凸不平越顯著;同時,試驗表明：釬縫是焊接結構最薄弱的部位,對于不同的釬縫間隙母材與釬料層的熔合情況不同。釬縫間隙在0.1和0.2 mm時,斷口平整且斷口兩側均勻分布著釬料,脆性斷裂明顯,釬縫強度比兩側與母材的融合面低。隨著釬縫間隙增大,斷口邊緣產生顯著頸縮現象、45°剪切唇現象,在釬縫間隙為0.3 mm時這一現象較為輕微,當釬縫間隙大于0.3 mm后這一現象較為明顯,表明隨著釬縫間隙增大,斷口呈現出塑性斷裂傾向。

圖7 不同釬縫間隙斷口宏觀形貌

因釬縫間隙為0.4 mm時接頭拉伸力學性能最好,0.6 mm時最差,故對釬縫間隙為0.4和0.6 mm的斷口進行SEM掃描分析,斷口SEM圖見圖8、9。

圖8 釬縫間隙為0.4 mm的斷口形貌

圖9 釬縫間隙為0.6 mm的斷口形貌

由圖8可見,釬縫間隙為0.4 mm的斷口出現較多深度較淺的韌窩,表明斷口呈現一定的塑性斷裂現象;當間隙為0.6 mm時韌窩明顯變多、變深、斷口較為齊整,呈混合型斷裂,斷口的塑性斷裂現象更為顯著。表明隨著釬縫間隙增大,焊接接頭處塑性增強;但由于硬質合金YG20為脆性材料,焊接接頭不會形成完全的塑性斷裂,這與圖7的斷口宏觀形貌相吻合。

3.4.3 沖擊試驗及斷口形貌分析

為進一步檢驗焊接接頭及其附近區域的力學性能,對焊縫位置進行沖擊試驗,斷口宏觀形貌與拉伸試樣極為相似,見圖10。限于篇幅,給出釬縫間隙為0.6 mm的試樣的斷口形貌掃描分析圖,見圖11。斷口呈現的韌窩多且深、斷口較為齊整,呈混合型斷裂,進一步說明了試驗結果與拉伸斷裂斷口形貌的一致性。

圖10 沖擊試樣及斷口

圖11 釬縫間隙0.6 mm時的斷口形貌

3.5 焊接接頭EDS能譜分析

從試驗結果可見,釬縫間隙在0.1～0.5 mm時,焊接接頭呈現一定的塑性且力學性能滿足要求。為進一步研究焊接接頭在完全脆性斷裂下的微觀情況,故選擇對釬縫間隙為0.2 mm的焊接接頭金相EDS掃描,在垂直焊縫方向的焊縫兩側分別進行,其中硬質合金側因成分較多且數值較近,為避免圖像重疊影響觀察效果,故對集中元素單獨表示。

通過掃描分析,Co和Cu的相互擴散現象比較明顯,特別是Co的擴散距離更大,相較之W元素的擴散能力較差。Fe元素為基體組織,向釬縫中的擴散較為均勻,且沒有隨著距離的增大而明顯變化,這是因為在1 130℃時Fe在Cu中的飽和溶解度約為3.5%,到達飽和后Fe在釬料中不再進一步擴散而呈現均勻分布狀態。Cu的擴散性能較Fe差,主要集中于母材表面與釬料接觸的較窄區域上。總體上C元素雖然擴散能力不如Cu和Fe,但其擴散距離較遠且均勻。Co、Cu、Fe、C等元素的相互擴散,使得交界面充分融合,改善焊接接頭的力學性能,有利于焊接質量的提高。母材中的Fe元素向銅釬料中擴散溶解,待焊件冷卻后Fe元素以游離態鐵均勻的彌散分布在釬縫中,達到了彌散強化效果,提高了焊接接頭力學性能。因此,雖然釬縫間隙為0.1和0.2 mm時的拉伸試驗接頭呈現完全脆性斷裂現象,但化學元素之間的相互擴散使得焊縫性能仍滿足力學性能要求。

4 結論

1)TU1銅作為釬料與YG20、Q355焊接時,焊接接頭中TU1銅釬料與Q355側相互擴散情況較好,而與硬質合金YG20相互擴散情況相對較差;但當釬縫間隙適當,能夠獲得良好的焊接接頭。

2)釬縫間隙在0.1～0.6 mm區間時,隨著間隙的增加,接頭力學性能先小幅增大后再減小;當釬縫間隙升至0.4 mm時,接頭力學性能達到最大值,滿足攪拌船工程使用要求,屈服強度達到母材的85.8%,抗拉強度達到母材抗拉強度上限值的69.8%。

3)間隙太小對焊接工裝、焊接操作要求都相對較高,因此考慮釬焊的易操作性及工程量產應用,硬質合金YG20與Q355的銅釬焊的釬縫間隙推薦值為0.2～0.5 mm,可獲得良好的焊接接頭,能夠滿足耐磨板在攪拌船上的使用。