在粉末焊接过程中球墨铸铁热影响区中裂纹的特点

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1、在粉末焊接过程中球墨铸铁热影响区中裂纹的特点在粉末焊接过程中球墨铸铁热影响区中裂纹的特点摘要摘要在使用氧乙炔粉末焊接的条件下，裂纹可以发生在球墨铸铁和镍基自熔硬面合 金的热影响区。由于没有半熔化区和未熔的石墨球，因此裂纹具有不同于电弧 焊的冶金学的特点。此外，裂纹发生在石墨球的内部并且裂纹的扩展通过马氏 体基体。本文研究表明，裂纹的扩展过程主要是由残余应力引起的。关键词:粉末焊接；粉末焊接； 球墨铸铁；球墨铸铁； 热影响区；热影响区； 裂纹；裂纹； 焊接区；焊接区； 1.引言球墨铸铁在大型模具行业有许多应用，汽车车身模具需要具备高强度和平滑的表面， 在金属薄板成形过程中，模具的表面由于其表面与

2、金属板间杂质的截留而很少遭到破坏， 而这些缺陷应该尽快的修复。由于粉末焊接在热循环和表面堆焊耗材冶金方面独一无二的 特点，所以被应用于修复模具表面的缺陷。有许多关于铸铁焊接和电弧焊方面的调查，尤 其是手工电弧焊方面的1-5。电弧焊由于熔池的形成和母材的稀释而不同于粉末焊接。 与电弧焊有关的区域有三个，即：熔化区、半熔化区、热影响区 6 。凝固过程中形成的 碳化物和位于半熔化区中的硬的莱氏体是与电弧焊球墨铸铁中位于熔化区域半熔化区中形 成的裂纹有关的问题7。 粉末焊接过程采用的是通过计量装置将细小的合金粉末通入氧气流经的焊炬而形成的 氧乙炔焊炬5。镍基自助熔合金粉末能够避免热烈并且有很好的耐磨性

3、8,9，此外，粉末 焊接几乎不会发生溅（与电弧焊相比） ，也可以用于细微的沉淀甚至其他方面，由于粉末的 供给和热源是独立的。 除了上述，由于镍基自助熔合金的熔点比基体金属的低，在粉末焊接中很少有稀释且 实际上没有半熔化区，由于氧乙炔焊接低的冷却速率，这个过程被认为对热影响区的冷裂 是不易受到影响的，也没有提到在现有资料里可以找到的关于热影响区用氧乙炔或者粉末 焊接的开裂。然而，在考虑到粉末焊接有关大的车身模具成型方面的应用时，因为开裂发 生在热影响区，所以结合硬镍基自熔粉末和使用通常为了粉末焊接球墨铸铁而采取的预热 方法已经建立起来了。开裂问题由于使用了特殊的冷却控制方法而最终被克服了。这篇文

4、 章的目标是叙述关于球墨铸铁在使用粉末焊接时焊接热影响区的裂缝的金相特点。2. 材料及方法球墨铸铁的显微组织由具有典型的屈服强度为483兆帕和极限强度为690兆帕的珠光体 基体和分散的石墨结节组成。金属试样的尺寸是606020mm，大型模具（厚度超过 100mm）实际的焊接热循环过程被测量，为了模拟这些冷却速率与上述有限厚度试样的关 系，水冷铜块被放在试样上。基地金属的化学成分已经在表1中列举给出，表面粉末堆焊具 有试验时需要的高硬度与高的耐磨性，被应用的粉末的数据及其化学成分在表2中列举给出， 样品的存放使用的是焊珠在板技术，而且氧气和乙炔的流动速率稳定在10L/min，这个模式 的火焰为中

5、性。在粉末的沉积物开始之前，由于有成功的键合，粉焊机火焰预热焊接区的 温度一致在大约700，样本沿着焊缝横向分块后,经过抛光和腐蚀，正常的热影响区微观 组织研究使用光学和扫描电子显微镜。3. 结果讨论图1显示焊接界面和作为细线的基底金属。与电弧焊相比，使用镍基自助熔合金的粉末 焊接没有部分熔化区，其原因基底金属的最高温度已经达到了熔点比基底金属低的粉末的 熔点。其他主要不同的是，石墨球几乎没有完整的且不能溶解甚至在外围。除了石墨球， 热影响区的微观组织还由马氏体和残余奥氏体组成。 焊缝是由不同的冷却速率引起的，并且开裂的严重程度是沉积物硬度与冷却速率的函 数。图2显示的是可以观察到的裂纹，从其

6、中可以看到很多裂纹并且在裂纹的扩展路径上有 石墨球，进一步研究一条开裂程度比较低的裂缝表明，从图2.a的角落里可以发现开裂是从 石墨球开始的。以前研究者的研究已经表明在扩散焊接的石墨铸铁的石墨球周围应力高度 集中10。 表1 铸铁的化学成分 (wt.%)Fe CSi MnP S Cr Ni MoAl Remained 3.53.8522.20.50.6 0.035 0.02 0.06 11.5 0.4-0.5 0.0078 表2 化学成分及粉末的一般特点 (wt.%)Powder Typical mesh sizeChemical composition Typical hardness Ni

7、 Cr B Fe C Si P 140 + 20 lm 67.61 15.93 2.0010.08 1 3.38 HRC 60图1 粉末焊接下球墨铸铁焊缝熔合线的微观结构合理的观点在这里同样适用，当一个裂纹开始形成，热应力开始释放，然而，当在相 邻的区域热应力进一步发展，另一条裂纹从石墨球开始并在马氏体基体中扩张，在图2.b可 以看到这些小裂纹最终连接形成了贯穿马氏体基体的大裂纹。图2（a）粉末焊接下球墨铸铁热影响区的裂纹（b）球墨铸铁热影响区在SEM下的裂纹扩展路径图3球墨铸铁热影响区的情况比较 （a）粉末焊接（b）电弧焊 L:莱氏体区域 G:石墨球图4 热影响区的焊缝高度与强度之间的关系从

8、扫描电子显微镜观察热影响区的微观结构可以看到在马氏体的层片间没有渗碳体层， 所以在基地金属中马氏体微观结构的脆性是唯一影响裂纹扩展的因素。马氏体针叶直接从 石墨球后的裂缝开始，因此这条裂缝的性质是借助于残余应力和硬的马氏体相存在的冷裂 纹。图3表示的是球墨铸铁的热影响区在粉末焊接过程(图3.a)和电弧焊过程(图3.b)下的开裂情况的区别。在电弧焊中由于网状碳化物和莱氏体的形成(11、12)大部分裂缝发生在 熔池和基底金属的界面。在粉末焊接中的莱氏体相和碳化物通常并不在热影响区形成的和 主要马氏体存在。 进一步的研究表明，镍基沉淀物的浓度对于铸铁热影响区裂纹的严重程度有重要影响。 图4显示的是焊

9、缝高度对裂纹严重程度的影响就单位面积上可察的裂纹的总长度来说。随着 焊缝高度的增加，裂纹的严重程度增加，想必这是由焊缝的高度对残余应力的影响所引起 的。增加会导致一个更强烈的残余应力场，镍基自熔合金的热膨胀系数低于基底金属，这 导致热影响区受到拉伸残余应力,焊缝金属受到压缩残余应力13。考虑到在氧乙炔粉末焊 接对基底金属会有较小的氢吸收的趋势,考虑上述趋势开裂严重,我们有理由认为,开裂过程 已经主要应力诱导的。图5加热后的热影响区由细珠光体和铁素体层组成的微观组织样本图6 破裂的石墨球，裂纹不会在后加热样品的热影响区扩展 Malek Ghaini et al. / 工程失效分析18 (2011

10、) 4751在一个免费裂纹焊接样品和可能的优化条件下,样品经受一种焊后加热加热到400 - 500 10分钟。见图5,这些样品热影响区的微结构主要由珠光体和铁素体组成。这种微观 结构承受硬沉积粉末引起的的高残余应力,但显然还没有被破解。然而，仔细研究这些样本热影响区的微观结构显示，一些石墨球已经分解。因为从图 6可以看出性对比较硬的珠光体和铁素体基体周围的石墨球，裂纹没有扩张。在这个示例中， 焊后加热降低了样品的冷却速率，从而阻止了在热影响区形成硬的马氏体相。4. 结论在球墨铸铁的耐磨堆焊中使用镍基自助熔合金的粉末焊接，热影响区可以破裂生成硬的沉 淀物，并且焊接中厚的部分会导致冷却速率的升高。

11、裂缝通常隐藏在焊缝中而不被发现， 从而导致在冲击载荷下失去了成分的完整性。这些裂纹不同于之前报道的在电弧焊下球墨 铸铁中发现的裂纹。对于在马氏体基体中可以扩展的裂纹来讲石墨球是它的开始部位，并 且开裂郭晨主要是由残余应力控制的。参考文献参考文献1 Nippes EF. Heat affected zone of arc welded ductile iron. Weld J 1960;39:46572. 2 Pease GR. Welding of ductile iron. Weld J 1960;39:19. 3 El-Banna EM, Nageda MS, Abo El-Saadat

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