陳吉,張筍,劉進(jìn)福,張騫

(1.常州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 常州 213164;2.中車戚墅堰機(jī)車有限公司,江蘇 常州 213011;3.滬東中華造船集團(tuán)有限公司,上海 200129)

混凝土攪拌船在跨?；蚩缃幕炷辽a(chǎn)和澆筑方面發(fā)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(tǒng)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(yīng)用見圖1,耐磨板結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1 耐磨板在攪拌船上應(yīng)用示意

圖2 耐磨板(眼鏡板)結(jié)構(gòu)示意

在工作狀態(tài)下耐磨板受力工況復(fù)雜,承受較大的沖擊力、剪切力,以及十分強(qiáng)烈的摩擦,因此耐磨板為易損件,直接影響泵送系統(tǒng)的使用性能、維護(hù)成本和壽命。在耐磨板的制造方面,國外較多地采用硬質(zhì)合金與低合金鋼焊接,具有耐磨性好、經(jīng)濟(jì)成本低等優(yōu)點;國內(nèi)對耐磨板的研制也較為深入[1-2],有學(xué)者對YG20C硬質(zhì)合金與16Mn合金鋼,采用真空釬焊的方式對耐磨板進(jìn)行了研究[3]。但目前尚未有關(guān)YG20與Q355銅釬焊的應(yīng)用研究報道。為此,結(jié)合國外某型混凝土攪拌船的耐磨板國產(chǎn)化需求,對耐磨板合金鋼材料采用YG20、基體選用Q355進(jìn)行真空釬焊展開分析。Q355力學(xué)性能滿足結(jié)構(gòu)要求,其優(yōu)點在于較好的韌性、耐磨性和經(jīng)濟(jì)性,特別是在大批量生產(chǎn)與工程應(yīng)用中Q355鋼經(jīng)濟(jì)性顯著。釬焊的焊接方式有別于常規(guī)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(zhì)合金YG20和Q355基體鋼進(jìn)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(yōu)的易損件。

1 試驗材料的選用及釬焊設(shè)備

1.1 試驗?zāi)覆?/h3>

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(xué)成分與力學(xué)性能分別見表1和表2。

表1 Q355的化學(xué)成分

表2 Q355的力學(xué)性能

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

表3 YG20的化學(xué)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?zāi)覆闹械腇e易形成固溶體、實現(xiàn)接頭的固溶強(qiáng)化,提高焊接接頭的強(qiáng)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(xué)成分見表4。

表4 TU1銅釬料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

2 焊接試驗方案

試驗設(shè)備采用真空釬焊爐進(jìn)行真空釬焊,真空釬焊爐具有加熱均勻、設(shè)備簡單等優(yōu)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(jìn)行焊接時,釬焊間隙過小會導(dǎo)致接頭內(nèi)的空氣不易排出,易產(chǎn)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(kuò)散性也會大大削弱,導(dǎo)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(yīng)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(chǔ)上,結(jié)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(shè)置6組進(jìn)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(jié)果表明最優(yōu)的釬焊間隙在試驗間隙值內(nèi),則無需進(jìn)行后續(xù)試驗;若試驗結(jié)果不能對最優(yōu)的釬焊間隙進(jìn)行推斷,則在上述6種間隙內(nèi)選擇最優(yōu)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(jìn)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(shù)

為確保真空爐爐內(nèi)溫度的一致性及真空度,同時參考GB/T 80825—2016標(biāo)準(zhǔn)及文獻(xiàn)[1-3,5],確定試驗釬焊的工藝參數(shù)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(jìn)行焊接保溫,隨后冷卻。選擇穩(wěn)定溫度為880℃,升溫速率為20℃/min,穩(wěn)定30 min后,真空爐再次升溫至1 130℃保溫15 min后,爐內(nèi)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(jìn)行滲透PT檢測,未發(fā)現(xiàn)氣孔、裂紋等缺陷。為對結(jié)構(gòu)焊縫材料組織分析,進(jìn)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(zhì)合金;釬料銅TU1的金相組織為α單相組織,鑄態(tài)組織,晶粒較為粗大;Q355金相組織為鐵素體和珠光體組織。

經(jīng)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(zhì)合金(這里加上YG20)的接觸面在小范圍內(nèi)有著一定的相互擴(kuò)散,在接近硬質(zhì)合金YG20的釬料層有一定的彌散強(qiáng)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(qiáng),相互擴(kuò)散現(xiàn)象明顯且伴隨著一定新相產(chǎn)生,這有利于焊接接頭力學(xué)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(jié)構(gòu)金相組織

圖5 0.6 mm間隙下結(jié)構(gòu)金相組織

3.4 接頭力學(xué)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(jìn)行拉伸試樣取樣,并在室溫下進(jìn)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(qiáng)度明顯低于母材,詳細(xì)試驗結(jié)果見圖6。

圖6 屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度隨釬縫間隙變化規(guī)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(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都呈現(xiàn)出先小幅上升達(dá)到最大值后再下降的趨勢;接頭屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均在釬縫間隙為0.4 mm時達(dá)到最大值,分別為304.75和439.8 MPa,屈服強(qiáng)度達(dá)到母材的85.8%,抗拉強(qiáng)度達(dá)到母材抗拉強(qiáng)度上限值的69.8%。但隨后隨著釬縫間隙的進(jìn)一步增加,屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度急劇下降,當(dāng)釬縫間隙為0.6 mm時,屈服強(qiáng)度下降到158.65 MP,抗拉強(qiáng)度下降到208.64 MPa,此狀態(tài)不能滿足強(qiáng)度要求。這主要是因為釬縫間隙在0.4 mm范圍內(nèi)時,釬料毛細(xì)作用強(qiáng)、潤濕性好,釬料與母材相互之間擴(kuò)散良好,保證了接頭的力學(xué)性能;但是隨著釬縫間隙的進(jìn)一步增大,釬料的毛細(xì)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(kuò)散性也進(jìn)一步削弱,導(dǎo)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(xì)作用但會導(dǎo)致接頭內(nèi)的空氣不易排出,易產(chǎn)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(tài)見圖7,拉伸斷口均發(fā)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(xiàn)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(jié)構(gòu)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(cè)均勻分布著釬料,脆性斷裂明顯,釬縫強(qiáng)度比兩側(cè)與母材的融合面低。隨著釬縫間隙增大,斷口邊緣產(chǎn)生顯著頸縮現(xiàn)象、45°剪切唇現(xiàn)象,在釬縫間隙為0.3 mm時這一現(xiàn)象較為輕微,當(dāng)釬縫間隙大于0.3 mm后這一現(xiàn)象較為明顯,表明隨著釬縫間隙增大,斷口呈現(xiàn)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(xué)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(jìn)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(xiàn)較多深度較淺的韌窩,表明斷口呈現(xiàn)一定的塑性斷裂現(xiàn)象;當(dāng)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(xiàn)象更為顯著。表明隨著釬縫間隙增大,焊接接頭處塑性增強(qiáng);但由于硬質(zhì)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(jìn)一步檢驗焊接接頭及其附近區(qū)域的力學(xué)性能,對焊縫位置進(jìn)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(xiàn)的韌窩多且深、斷口較為齊整,呈混合型斷裂,進(jìn)一步說明了試驗結(jié)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(jié)果可見,釬縫間隙在0.1～0.5 mm時,焊接接頭呈現(xiàn)一定的塑性且力學(xué)性能滿足要求。為進(jìn)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(cè)分別進(jìn)行,其中硬質(zhì)合金側(cè)因成分較多且數(shù)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(kuò)散現(xiàn)象比較明顯,特別是Co的擴(kuò)散距離更大,相較之W元素的擴(kuò)散能力較差。Fe元素為基體組織,向釬縫中的擴(kuò)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(dá)飽和后Fe在釬料中不再進(jìn)一步擴(kuò)散而呈現(xiàn)均勻分布狀態(tài)。Cu的擴(kuò)散性能較Fe差,主要集中于母材表面與釬料接觸的較窄區(qū)域上。總體上C元素雖然擴(kuò)散能力不如Cu和Fe,但其擴(kuò)散距離較遠(yuǎn)且均勻。Co、Cu、Fe、C等元素的相互擴(kuò)散,使得交界面充分融合,改善焊接接頭的力學(xué)性能,有利于焊接質(zhì)量的提高。母材中的Fe元素向銅釬料中擴(kuò)散溶解,待焊件冷卻后Fe元素以游離態(tài)鐵均勻的彌散分布在釬縫中,達(dá)到了彌散強(qiáng)化效果,提高了焊接接頭力學(xué)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(xiàn)完全脆性斷裂現(xiàn)象,但化學(xué)元素之間的相互擴(kuò)散使得焊縫性能仍滿足力學(xué)性能要求。

4 結(jié)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(cè)相互擴(kuò)散情況較好,而與硬質(zhì)合金YG20相互擴(kuò)散情況相對較差;但當(dāng)釬縫間隙適當(dāng),能夠獲得良好的焊接接頭。

2)釬縫間隙在0.1～0.6 mm區(qū)間時,隨著間隙的增加,接頭力學(xué)性能先小幅增大后再減小;當(dāng)釬縫間隙升至0.4 mm時,接頭力學(xué)性能達(dá)到最大值,滿足攪拌船工程使用要求,屈服強(qiáng)度達(dá)到母材的85.8%,抗拉強(qiáng)度達(dá)到母材抗拉強(qiáng)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(chǎn)應(yīng)用,硬質(zhì)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。