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316L不锈钢掺杂SiC环状同轴送粉TIG熔覆层组织结构与性能

高辉, 周灿丰, 胡晓慧, 李文龙

高辉, 周灿丰, 胡晓慧, 李文龙. 316L不锈钢掺杂SiC环状同轴送粉TIG熔覆层组织结构与性能[J]. 焊接学报, 2024, 45(4): 49-56. DOI: 10.12073/j.hjxb.20230424001
引用本文: 高辉, 周灿丰, 胡晓慧, 李文龙. 316L不锈钢掺杂SiC环状同轴送粉TIG熔覆层组织结构与性能[J]. 焊接学报, 2024, 45(4): 49-56. DOI: 10.12073/j.hjxb.20230424001
GAO Hui, ZHOU Canfeng, HU Xiaohui, LI Wenlong. Microstructure and properties of annular coaxial powder feeding TIG cladding layer doped with SiC for 316L stainless steel[J]. TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION, 2024, 45(4): 49-56. DOI: 10.12073/j.hjxb.20230424001
Citation: GAO Hui, ZHOU Canfeng, HU Xiaohui, LI Wenlong. Microstructure and properties of annular coaxial powder feeding TIG cladding layer doped with SiC for 316L stainless steel[J]. TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION, 2024, 45(4): 49-56. DOI: 10.12073/j.hjxb.20230424001

316L不锈钢掺杂SiC环状同轴送粉TIG熔覆层组织结构与性能

基金项目: 国家自然科学基金青年科学基金项目(51109005);北京市自然科学基金项目(3122016).
详细信息
    作者简介:

    高辉,博士,副教授;主要研究方向为焊接装备开发与焊接工艺;Email: gaohui@bipt.edu.cn

    通讯作者:

    周灿丰,博士,教授;Email: canfeng@bipt.edu.cn

  • 中图分类号: TG 444.74

Microstructure and properties of annular coaxial powder feeding TIG cladding layer doped with SiC for 316L stainless steel

  • 摘要:

    TIG熔覆是经济高效的表面修复方法,与传统的预置粉末法相比,同轴送粉法具有优良的适应性,但是试验研究相对较少.自主设计制造了环状同轴送粉TIG熔覆焊枪,与管状同轴送粉TIG熔覆焊枪相比,制造的熔覆层不存在熄弧位置凹坑、焊缝不够平直以及焊缝熔宽不一致等问题,而且具有更高的熔覆效率.结果表明,采用优化的焊接热输入、送粉量和SiC含量参数匹配,在316L不锈钢表面进行环状同轴送粉TIG熔覆,获得了外观优良的单层单道熔覆层、单层多道熔覆层.对熔覆层进行显微硬度测量、微观组织及元素成分分析、宏观电化学腐蚀试验、微区电化学腐蚀试验以及耐磨性能测试,并与母材进行了比对,环状同轴送粉TIG熔覆导入的SiC粉末有效地提升了熔覆层的耐蚀性与耐磨性.

    Abstract:

    TIG cladding is an economical and efficient surface repair method. Compared with the traditional preset powder method, coaxial powder feeding method has excellent adaptability, but there are relatively few experimental studies. The annular coaxial powder-feeding TIG cladding torch was designed and manufactured independently. Compared with the tubular coaxial powder-feeding TIG cladding torch, the cladding layer manufactured has no defects such as arc extinguishing position pit, uneven weld seam and inconsistent weld seam width, and has higher cladding efficiency. By optimizing the parameters of welding line energy, powder feeding and SiC concentration, TIG cladding with annular coaxial powder feeding was carried out on the surface of 316L stainless steel, and single-layer single-pass cladding and single-layer multi-pass cladding with excellent appearance were obtained. The microhardness measurement, microstructure and element composition analysis, macro electrochemical corrosion test, micro electrochemical corrosion test and wear resistance test of the cladding layer were carried out, and compared with the base metal. The research shows that the SiC powder introduced by the annular coaxial powder feeding TIG effectively improves the corrosion resistance and wear resistance of the cladding layer.

  • 铝合金具有比强度高、塑性好等优点,广泛用于轨道列车、高铁车体中的轻质承载结构,在轨道交通轻量化中发挥重要作用[1-3]. 同时由于铝合金具有比热容大、热导率高、热膨胀系数大等物理特性,在焊接过程容易产生液化裂纹缺陷[4-6]. 液化裂纹通常尺寸较小、难以发现,但在服役过程中可能发展成为裂纹源,严重影响焊接结构的性能和安全[7]. 6005A铝合金为Al-Mg-Si系可热处理强化铝合金,由于具有较好的挤压性和延展性,是大型铝型材的主要选材之一,轨道交道领域多采用6005A铝合金型材作为车体组焊构件[8-9]. 多位学者对6005A铝合金焊接裂纹敏感性以及接头疲劳性能进行了研究. 张健等人[10]通过热塑性试验证实6005A铝合金具有较高的热裂纹敏感性. 刘敬萱等人[11]研究了6005A-T6铝合金搅拌摩擦焊接头疲劳裂纹的萌生、扩展机制,结果显示疲劳裂纹均在试样表面萌生. Liu等人[12]研究6005A铝合金CMT焊接头的疲劳损伤机理,发现通过CMT电弧搅拌细化焊缝组织可以改善接头疲劳性能.

    由于铝型材挤压工艺的局限性和材料本身的特性,铝型材表层存在晶粒异常粗大的粗晶组织[13]. 申澎洋等人[14]的研究表明晶界析出物是造成铝合金粗晶组织和细晶组织腐蚀性能差异的主要原因. 张大鹏等人[15]研究发现粗晶组织会降低铝合金挤压棒材的力学性能. 刘聪等人[16]研究发现小角度晶界对铝合金焊接裂纹的扩展有阻碍作用. 组织不均匀性对铝合金加工特性的影响已受到学者关注,而关于母材表层组织状态对6005A铝合金MIG焊接头液化裂纹及疲劳性能的影响研究较少,并且接头疲劳性能对表面缺陷非常敏感. 当前国内轨道交通铝合金车身焊接以多层多道MIG焊为主,焊缝经过多次加热,焊接液化裂纹问题更为突出.

    文中对保留表层粗晶组织和铣除表层粗晶组织的6005A铝合金进行多层多道MIG焊接,对比研究了母材表层组织状态对6005A铝合金多层多道MIG接头液化裂纹及疲劳性能的影响,为轨道交通铝合金焊接液化裂纹的控制及接头设计提供理论依据和试验数据.

    试验材料选用厚度10和12 mm的6005A-T6铝合金型材,尺寸为350 mm × 150 mm. 如图1所示,对保留表层粗晶组织的10 mm厚铝合金母材进行三层三道MIG焊接,对12 mm厚铝合金母材铣至10 mm厚、去除表层粗晶组织后进行三层三道MIG焊接. 填充材料选用直径1.6 mm的ER5356焊丝,母材及焊丝的合金化学成分如表1所示. 焊接坡口角度60°,预留装配间隙1 mm,试板背部加铝合金垫板进行全熔透焊接. 试验所用设备为福尼斯TPS5000焊接电源和IGM焊接机器人,焊接工艺参数如表2所示.

    图  1  不同表层组织状态的MIG焊接头(mm)
    Figure  1.  MIG joints of different surface microstructure. (a) surface coarse-grained joints; (b) surface fine-grained joints
    表  1  6005A及ER5356的化学成分(质量分数,%)
    Table  1.  Chemical composition of 6005A and ER5356
    材料MgSiFeMnCrAl
    母材 0.52 0.68 0.15 0.24 0.13 余量
    焊丝 4.9 0.04 0.12 0.14 0.012 余量
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    表  2  焊接工艺参数
    Table  2.  Welding parameters
    焊道焊接电流I/A焊接电压U/V焊接速度v/(cm·min−1)摆动参数n/min
    打底 256 23.5 60 0
    填充 256 23.5 60 100
    盖面 233 23.5 60 100
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    焊接完成之后,采用线切割方式切取接头截面和焊缝表面的金相试样,然后进行研磨、抛光及腐蚀,采用的腐蚀试剂为凯勒试剂,腐蚀时间30 s.利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、电子背散射衍射(EBSD)技术等分析测试方法对接头微观组织及成分进行分析. 采用高频疲劳试验机分别对表层粗晶接头和表层细晶接头进行高周疲劳测试,应力比R = 0,试验完成后通过最小二乘法绘制S-N曲线,并对两种组织状态下接头的疲劳性能进行对比分析.

    图2给出了6005A-T6铝合金母材的微观组织.图2a为光学显微镜下阳极覆膜后的母材组织截面形貌,可以看出母材表面存在厚度约为330 μm的粗晶组织. 母材表层晶粒明显粗化,沿挤压方向呈粗大纤维状分布,晶界附近第二相粗大且聚集(图2b);母材中心层晶粒细小,呈现明显的挤压流线,晶界附近第二相细小且弥散分布(图2c).

    图  2  6005A-T6铝合金微观组织
    Figure  2.  Microstructure of 6005A-T6 aluminum alloy. (a) cross-section of the base metal; (b) the second phase in coarse-grained microstructure; (c) the second phase in fine-grained microstructure

    图3为保留表层粗晶组织的6005A-T6铝合金三层三道MIG接头截面及微观组织形貌. 图3a为接头截面形貌,整体呈现上宽下窄的“V”形特征. 铝合金MIG焊接头由焊缝区(weld zone, WZ)、部分熔化区(partially melted zone, PMZ)、热影响区(heat affected zone, HAZ)3部分组成. 图3b为焊缝区微观组织,主要由填充金属熔化、凝固形成的等轴晶组成,同时出现了条带状的层间再热组织. 图3c为熔合线附近微观组织:位于熔合线附近的焊缝组织以熔化边界存在的母材晶粒为形核基体外延生长为柱状晶;部分熔化区为焊缝区和热影响区的过渡区,该区域晶粒发生明显的晶界液化现象,是局部熔化后的液相和未熔固相共存的区域;热影响区虽未发生熔化,但在焊接热循环的作用下形成一个过热区.

    图  3  6005A-T6铝合金MIG焊接头微观组织
    Figure  3.  Microstructure of 6005A-T6 aluminum alloy MIG joints. (a) morphology of the cross-section; (b) microstructure of the WZ; (c) microstructure near the fusion line

    图4为两种焊接接头焊缝表面熔合线附近的微观组织形貌,取样位置和选区如图4a所示. 图4b为表层粗晶接头熔合线附近微观组织的反极图,插入的图片为该区域的晶粒取向图,从图中可以看出焊缝区和热影响区晶粒组织差异较大:焊缝晶粒比较细小,热影响区因原始母材表层粗晶组织的原因晶粒异常粗大;同时表层粗晶接头热影响区中产生液化裂纹:萌生于熔合线,沿着粗晶晶界穿过PMZ后向HAZ扩展. 图4c为表层细晶接头熔合线附近的晶粒取向图,从图中可以看出焊缝区和热影响区晶粒尺寸接近:焊缝组织由细小的等轴晶组成,热影响区因原始母材表层细晶组织的原因晶粒比较细小;表层细晶接头热影响区晶粒因发生再结晶呈现等轴化,晶粒纤维状特征明显弱化. 同时在表层细晶接头热影响区没有发现液化裂纹缺陷. 对比图4b图4c可以看出,6005A铝合金母材表层组织状态对焊接液化裂纹有明显影响,表层粗晶组织是6005A铝合金接头热影响区产生液化裂纹缺陷的重要原因.

    图  4  焊缝表面熔合线附近微观组织
    Figure  4.  Microstructure near the fusion line on the surface of the weld. (a) sampling location and EBSD selection; (b) surface coarse-grained joints; (c) surface fine-grained joints

    图5为两种焊接接头部分熔化区微观组织,选区位置分别如图4b中区域Ⅰ和图4c中区域Ⅱ所示,可以看出两种接头部分熔化区均发生晶界液化现象. 对比图5a图5b可以发现,表层粗晶接头部分熔化区晶界液化严重并产生液化裂纹,而表层细晶接头部分熔化区仅发生晶界液化没有形成液化裂纹. 焊接过程中,部分熔化区的温度介于固相线和液相线之间,根据Al-Mg-Si系三元合金平衡相图[17],位于晶界的低熔点成分(Mg2Si、游离Si)与周围的α(Al)基体发生组分液化反应(α + Mg2Si + Si→L,576 ℃)、(α + Mg2Si→L,594 ℃),生成围绕晶粒的晶界液化带,在凝固之后形成由贫溶质α带 + 共晶晶体组成的晶界液化组织[18].

    图  5  部分熔化区微观组织
    Figure  5.  Microstructure of the PMZ. (a) surface coarse-grained joints; (b) surface fine-grained joints

    图6为两种焊接接头部分熔化区微观组织EDS元素扫描结果,扫描位置分别如图5所示. 可以看出,表层粗晶接头液化裂纹(图6a)附近Mg和Si元素出现明显富集并且液膜厚度较大(8 ~ 10 μm),而表层细晶接头液化晶界(图6b)附近Mg和Si元素没有明显富集、液膜厚度较小(1 ~ 2 μm). 表层粗晶组织晶界附近第二相粗大(图2b),通过成分液化反应产生的液化相较多. 同时粗晶组织晶粒尺寸较大、晶界面积较小,在同等液化相体积下具有较高的液膜厚度,抵抗拉应力的能力较小,更容易形成液化裂纹[19]. 因此粗晶组织中晶界附近粗大的第二相、较小的晶界面积是表层粗晶组织容易产生液化裂纹的主要原因.

    图  6  部分熔化区EDS元素线扫描
    Figure  6.  EDS of the PMZ microstructure. (a) EDS of liquation crack; (b) EDS of liquefied grain boundary

    图7描述了表层粗晶接头液化裂纹的形成机理. 图7a为焊接熔池示意图,焊接方向如黑色箭头所示,在液态熔池后方存在一个固-液共存的区域(PMZ),该区域中的晶粒边界发生了成分液化,弱化了晶粒之间的连接. 如图7b所示,表层粗晶组织晶界附近低熔点第二相(Mg2Si和Si)沿着晶界连续分布,加剧了晶界成分液化的敏感性;焊接加热过程中,熔合线附近母材晶界低熔点成分Mg2Si和Si与α(Al)基体发生成分液化反应,形成连续分布的液化通道,如图7c所示. 这种晶间液相的存在大大削弱了晶粒之间的连接. 焊接熔池的凝固过程如图7d所示,连续分布的晶界液化通道受到焊接拉应力的作用,同时晶间液相凝固过程中得不到其它液态金属的补充,从而在热影响区形成液化裂纹. 细晶组织晶界附近第二相细小(图2c),液化反应产生的晶间液膜较薄,抵抗晶界拉应力的能力较强,晶间液相凝固后只是形成晶界液化组织,而没有出现液化裂纹.

    图  7  表层粗晶接头液化裂纹形成机理
    Figure  7.  Mechanism of liquation crack formation. (a) weld pool; (b) aggregation of low melting components; (c) liquid channel; (d) liquation crack

    图8分别为两种焊接接头的S-N曲线. 可以看出,应力幅值对接头的疲劳性能影响显著,随着应力幅值的降低接头疲劳寿命呈增加趋势. 根据S-N曲线拟合方程,计算出不同表层组织状态下的焊接接头在1 × 107循环寿命下的疲劳强度:表层粗晶接头的疲劳强度为93 MPa,表层细晶接头的疲劳强度为107 MPa.

    图  8  S-N曲线
    Figure  8.  S-N curves. (a) surface coarse-grained joints; (b) surface fine-grained joints

    为了研究液化裂纹对疲劳过程的影响,对表层粗晶接头疲劳试样的断口形貌进行了分析,结果如图9所示. 可以看出,疲劳断口主要分为3个部分:疲劳裂纹萌生区、疲劳裂纹扩展区、疲劳裂纹瞬断区. 从图9a可以看出,疲劳裂纹萌生于试样表面,并且裂纹萌生区晶粒边缘圆滑、晶界被液态薄膜覆盖,呈现典型的液化裂纹断口形貌,可以推断该试样的疲劳断裂萌生于液化裂纹附近. 因此表层粗晶组织形成的液化裂纹成为疲劳过程中可能的裂纹源,对接头疲劳性能造成不利影响. 在疲劳裂纹扩展阶段(图9b),断口形貌呈现与裂纹扩展方向垂直的疲劳辉纹及二次裂纹. 疲劳断口瞬断区形貌(图9c)呈现韧窝状特征,为典型的韧性断裂.

    图  9  表层粗晶接头疲劳断口形貌
    Figure  9.  Fatigue fracture morphology of surface coarse-grained joints. (a) initiation zone; (b) propagation zone; (c) short interruption zone

    (1) 母材表层组织状态对6005A铝合金MIG焊接头液化裂纹影响显著,母材表层为粗晶组织的接头更容易产生液化裂纹缺陷,改善母材组织状态可以减少液化裂纹的产生.

    (2) 表层粗晶组织晶界附近第二相粗大、通过组分液化产生的液化相较多,同时晶粒尺寸大、晶界面积小,晶界液化薄膜的厚度较大,降低了晶界抵抗拉应力的能力,是表层粗晶组织容易产生液化裂纹缺陷的主要原因.

    (3) 因表层粗晶组织形成的液化裂纹成为疲劳过程中可能的裂纹源,对接头疲劳性能产生不利影响. 在1 × 107循环周次下,表层粗晶接头的疲劳强度为93 MPa,表层细晶接头的疲劳强度为107 MPa.

  • 图  1   环状同轴送粉结构

    Figure  1.   Powder feeding structure. (a) structure diagram; (b) outer structure; (c) powder deliverystructure; (d) annular gap

    图  2   TIG熔覆焊枪

    Figure  2.   The cladding gun

    图  3   TIG熔覆装置示意图

    Figure  3.   TIG cladding device schematic diagram

    图  4   316L粉末微观结构

    Figure  4.   Microscopic morphology of316L powder

    图  5   SiC粉末微观结构

    Figure  5.   Microscopic morphology of SiC powder

    图  6   单层单道熔覆层

    Figure  6.   Single-layer single-pass cladding layer

    图  7   单层多道熔覆层

    Figure  7.   Single-layer multi-passes cladding layer

    图  8   测试区域示意图

    Figure  8.   Schematic diagram of the testing area

    图  9   摩擦磨损试验原始样件

    Figure  9.   Original samples of friction and wear test

    图  10   熔覆层SEM测试结果

    Figure  10.   SEM test results of cladding layer

    图  11   母材EDS测试结果

    Figure  11.   EDS result of base metal

    图  12   熔覆层EDS测试结果

    Figure  12.   EDS result of cladding layer

    图  13   XRD测试结果

    Figure  13.   XRD test results

    图  14   OCP测试结果

    Figure  14.   OCP test results

    图  15   电化学阻抗图谱

    Figure  15.   Electrochemical impedance spectrum. (a) Nyquist; (b) Bode

    图  16   PDP测试结果

    Figure  16.   PDP test results

    图  17   母材LEIS图谱

    Figure  17.   LEIS map of base metal

    图  18   熔覆层LEIS图谱

    Figure  18.   LEIS map of cladding layer

    图  19   试样摩擦磨损形貌

    Figure  19.   Samples after friction and wear testing

    图  20   磨痕深度

    Figure  20.   Abrasion depths. (a) base material; (b) cladding layer material

    图  21   熔覆层磨损表面微观结构图

    Figure  21.   Wear surface microstructure of cladding layer

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出版历程
  • 收稿日期:  2023-04-23
  • 网络出版日期:  2024-01-29
  • 刊出日期:  2024-04-24

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