电弧喷涂铝的耐候钢无间隙焊接工艺及耐腐蚀性能研究

时间：2017-07-06 23:29:12 来源：焊接技术作者：倪宝成，董洪达，方孝钟，李方

摘要：采用无间隙坡口对表面电弧喷涂铝的P355-NL1耐候钢板进行了CO2气体保护焊。对焊接试样进行拉伸强度测试和盐雾腐蚀性能试验，并与无涂层焊缝试验结果进行对比，采用光学显微镜、扫描电镜（SEM）、能量色散谱仪（EDS）对热喷涂铝涂层耐候钢板焊接接头的显微组织和成分进行分析。结果表明：焊缝中针状及块状的先共析铁素体沿柱状晶界分布；针状铁素体向晶内生长，并在铁素体基底上有粒状贝氏体存在；熔合区很窄，在过热区白色的为粗大的铁素体，黑色的为珠光体；焊缝中w（Al）为0.16%，铝元素具有较强的晶粒细化作用；铝元素向焊缝内部经历3个成分起伏，表面及内部较高的铝含量使焊接接头具有较好的耐腐蚀性能；无间隙焊缝的背面盐雾试验后颜色无明显变化，两试板焊缝背部表面无氯元素存在，铝涂层结合致密，表面有大量的铝存在，表明盐雾试验后涂层仍具有一定的抗腐蚀性能。
关键词：电弧喷涂；铝涂层；无间隙坡口；焊接；耐腐蚀性能

0 前言

    P355-NL1是一种屈服强度为355MPa级车用耐候钢，具有强度高，韧性好，冷作成型性能好的特点，主要用于车辆的大梁、横梁、结构件等。然而，P355-NL1转向架在使用过程中经受季节环境变化、风沙石块冲击、颠簸振动、二氧化硫污染物以及含盐分高湿海洋环境等影响。另外，转向架处于车厢下部，尤其车厢卫生间底部，工作环境更加恶劣，受大量旅客排泄物的影响，在长时间户外运转条件下会受到严重腐蚀，影响了机车的使用寿命^[1]。因此，采用电弧喷涂方法在转向架表面喷涂一层铝涂层，以提高转向架构架的耐腐蚀性能及使用寿命，在P355-NL1耐候钢板表面热喷涂铝涂层后，转向架构架制造过程中，需要对其进行焊接组装。
    热喷涂铝的耐候钢除了基本保持原钢材力学性能外，还增加了铝涂层特有的优异抗高温氧化性、耐硫腐蚀性、耐海洋腐蚀性等性能^[2-4]。由于铝涂层钢在焊接时易产生铝的烧损、扩散、氧化等，导致热喷涂钢焊缝熔合线处的抗氧化、耐腐蚀等各种性能远远低于其它部位，因此阻碍了热喷涂铝钢的应用。关于使用渗铝钢的焊接目前有一些文献，但主要是关于铝涂层在钢的外表面的焊接工艺及方法^[5-8]，所用的方法都是使用不锈钢焊丝如ER309MoL，ER312SL等来进行焊接，涂层具有较好的耐腐蚀性能。然而转向架构架的制造过程中，构架一部分内腔结构作为气室。为了提高气室的使用寿命，在气室内表面热喷涂铝涂层，最后将内表面热喷涂铝层的盖板进行封闭焊接，与以往的表面具有铝涂层的焊接不同的是铝涂层在焊接坡口的钝边侧内表面。为了保证热喷涂铝的耐候钢板的焊接质量，本研究通过对转向架焊接采用无间隙焊接技术，以及试验分析涂层对构架焊缝组织、性能的影响，提出了有效的焊接工艺措施。

1焊接试验方法

1.1焊接工艺
    表面热喷涂铝涂层P355-NL1耐候钢板厚度为8 mm，其无间隙坡口尺寸如图1所示，钝边为0~0.5mm，热喷涂铝涂层厚度约为160~200μm。该无间隙坡口焊接采用CO2气体保护焊焊接2道来完成。用直径1.2mm的G3Si1焊丝，其伸出长12mm，焊接电流270~300A，电弧电压26~30V，焊接速度5~7mm/s，保护气为φ（Ar）80%+φ（CO2）20%，气体流量为15~18L/min。
利用SEM测试设备自带的EDS对靠近背部焊缝的边缘部位进行了成分分析，表1为无间隙焊缝化学成分组成，焊缝中有0.16%的铝，可以显著细化焊缝晶粒，但焊缝有一些Al2O3夹杂物，且比较粗大，同时铝元素又作为固溶体元素强化焊缝金属^[9]。
1.2 焊接接头性能分析和表征
    焊接后，对无间隙坡口试样进行拉伸强度测试和盐雾耐腐蚀性能试验，并与无涂层焊缝试验结果进行对比。拉伸试验采用InstronHDX1000电子万能液压试验机进行，每种接头取3个试样，结果取平均值。盐雾试验依据GB/T9796—1988中6.2节标准在SN－60B型盐雾试验机上进行，试验时间为72h。采用光学显微镜对热喷涂铝涂层耐候钢板钢及焊接区的显微组织进行分析。利用扫描电镜（SEM）、能量色散谱仪（EDS）分析渗铝层的铝和铁元素的浓度分布。
2 结果分析

2.1 焊接接头显微形貌分析
    图2为采用碳钢焊丝进行焊接的显微组织形貌。如图2a焊缝组织所示，其白色为铁素体，针状及块状的先共析铁素体沿柱状晶界分布；针状铁素体向晶内生长，并在铁素体基底上有粒状贝氏体存在。图2b为熔合区附近形貌，熔合区是接头中焊缝与热影响区相互过渡的区域，也是焊缝边界上固液两相交错共存的部分。此区很窄，过热区白色为铁素体，黑色为珠光体，铁素体和珠光体晶粒组织粗大，带状组织明显消失。
    图3为焊缝底部元素线扫描的成分分析，从图3可看出，Fe含量从表面向内部逐渐增加，而铝元素分布不均匀，表面含量较多，之后又逐渐降低，又经过2个增加及降低过程。表面及内部较高的铝含量可以与Fe形成金属间化合物，具有较好的耐腐蚀性能，对焊缝可以起到保护作用^[10-11]。
2.2力学性能试验
    图4为无涂层焊缝和无间隙焊缝的力学性能测试结果。从图4看出，无间隙焊接接头抗拉强度达到542MPa，其强度与无涂层焊接接头的抗拉强度几乎相等。这表明采用无间隙的坡口形式可实现表面热喷涂铝耐候钢的焊接，并能满足试样强度要求。     图6为无间隙试样盐雾试验SEM横截面形貌对比，从图6可以看出，试样涂层并未因为盐雾试验而消失，且两试板焊缝背部的铝涂层结合致密。图7为无间隙试样盐雾试验SEM表面形貌，从图7可以看出，无间隙试样焊缝背面的间隙很窄，试板渗铝层之间结合紧密，表面杂质较少；而盐雾试验后试样表面腐蚀产物增加，渗铝层表面局部有微量减薄，但不明显。
2.3 耐腐蚀盐雾试验结果
    耐腐蚀盐雾试验结果如图5所示。从图5可知，无涂层焊缝试样在母材及焊缝都发生了严重的腐蚀，说明P355-NL1耐候钢在（35±2）℃，NaCl的浓度（50±5）g/L盐雾试验条件下耐蚀性较差。无间隙涂层碳钢焊缝的背面经盐雾试验后，前后颜色无明显变化，说明无间隙焊接接头具有较好的耐腐蚀性能。
    图8为无间隙热喷涂铝涂层的盐雾试验前后焊缝三相区处元素分析。测试前，笔者先采用点分析方法分析了表面成分，发现试样表面无氯元素存在，因此，线扫描分析只分析了铝和铁这2种元素的分布。从图8可以看出，盐雾试验前铝元素大量存在于试样表面，局部有微量的铁元素存在。盐雾试验后，表面有大量的铝元素存在，并有一定的铁元素存在，随着进入焊缝金属内部的距离增加，铝含量逐渐降低，而铁含量逐渐增加，涂层表面仍具有一分布不均匀，表面含量较多，之后又逐渐降低，又经过2个增加、降低过程；表面及内部较高的铝含量可以与Fe形成金属间化合物，具有较好的耐腐蚀性能。

3 结论

    （1）对厚度为8mm的表面热喷涂铝涂层的P355-NL1耐候钢板采用的坡口间隙为0mm，钝边为0~0.5mm，用CO2气体保护焊焊接2道来完成。采用直径为1.2mm的G3Si1焊丝，焊接电流为270~300A，电弧电压为26~30V，焊速为5~7mm/s，保护气体为φ（Ar）80%+φ（CO2）20%，气体流量为15~18L/min。
    （2）焊缝中针状及块状的先共析铁素体沿柱状晶界分布；针状铁素体向晶内生长，并在铁素体基底上有粒状贝氏体存在；熔合区很窄，在过热区白色的为铁素体，黑色的为珠光体，铁素体和珠光体晶粒组织粗大，带状组织明显消失；焊缝中的w（Al）为0.16%，铝元素具有较强的晶粒细化作用；Fe元素含量从表面向内部逐渐增加，而铝元素成分分布不均匀，表面含量较多，之后又逐渐降低，又经过2 个增加、降低过程；表面及内部较高的铝含量可以与Fe 形成金属间化合物，具有较好的耐腐蚀性能。
    （3）无间隙涂层碳钢焊缝的背面经耐腐蚀盐雾试验后，其焊缝表面前后颜色无明显变化，具有较好的耐腐蚀性能。两试板焊缝背部表面无氯元素存在，铝涂层结合致密。且表面有大量的铝元素存在，并随着焊缝金属内部的距离增加，铝元素含量逐渐降低，而铁元素含量逐渐增加，故涂层表面仍具有一定的抗腐蚀性能。

参考文献

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