钢芯石墨化铸铁焊补灰口铸铁冷裂倾向的试验研究

钢芯石墨化铸铁焊补灰口铸铁冷裂倾向的试验研究

0扩散氢含量对灰口铸造焊接接头裂纹的影响灰口铸铁是广泛应用于工业生产的金属结构材料，但其化学成分特点决定了焊接性差。焊接接触简单、拆卸容易发生裂纹是铸铁焊接的主要问题。在灰口铸铁焊接方面,有些研究发现,铸铁焊接裂纹具有延迟开裂现象,插销法可以定量评定扩散氢含量对灰口铸铁热影响区裂纹的影响。到目前为止,氢对灰口铸铁焊接裂纹影响方面的研究还停留在宏观,尚未有人从氢的微观角度研究它,也没有人横向地研究比较不同灰口铸铁焊接接头热影响区的抗裂性能。为此,本文采用插销试验法并配合排液测氢试验对此进行了探讨,建立了扩散氢含量与临界应力的关系曲线;并在此基础上采用显微镜下录像测氢法观测了氢在灰口铸铁焊接接头中的微观行为。对此问题的研究将为防止和消除灰口铸铁焊接接头冷裂纹提供科学依据。1试验材料、方法和设备1.1试验条件优化为实现熔敷金属含氢量不同,选用三种药皮中石墨含量不同的钢芯石墨化铸铁焊条,分别指定为1#、2#、3#焊条。文献认为氢在白口铸铁中的逸出速度比灰口铸铁快,为此选择适当降低抗裂性能良好的铸铁焊条药皮中硅含量作为4#焊条,促使其在本试验条件下在熔合线附近形成一层薄白口,加以对比研究。4种焊条施焊的焊缝熔敷金属的C、Si含量见表1。4种焊条直径均为ϕ4mm。插销试验底板材料为HT150,销子材料为HT300,其化学成分及抗拉强度见表2。排液测氢试验试板及引、熄弧板材料为HT150,尺寸分别为70mm×20mm×10mm,40mm×20mm×10mm。显微镜下录像测氢试验材料为HT150,尺寸为20mm×10mm×15mm。1.2扩散氢含量与临界应力试验采用甘油置换法(GB/T3965—1995)测定焊接试件中扩散氢的含量。选用PY-4型扩散氢测定仪。焊接参数为I=140A、U=25V、L=100mm、T=30s。试件焊前充分去油锈,并经250℃×2h去氢处理。采用插销试验法研究灰口铸铁焊接接头扩散氢含量与临界应力的关系。插销试验的程序及参数的确定参照文献。选用HCL-2型插销试验机,辅以NiCr-NiAl热电耦及LZ-300型函数记录仪测定、记录焊接热影响区的热循环曲线。焊机选用BX3-400型交流弧焊机。焊接参数为I=150A、U=25V、L=100mm、v=135mm/min、H=2.2mm。热电耦测温点距底板2.7mm。焊前将底板预热,当测温点处温度至400℃时加载,15s内加载完毕。根据插销的强度极限,载荷的选取由大到小,将24h内2根试件均未断裂的应力值确定为临界应力。通过以上试验建立扩散氢含量与临界应力的关系曲线。采用显微镜下录像测氢法,观察焊接区中氢的微观扩散行为及其逸出的动态过程。选用2#、4#焊条施焊的焊接接头,对其焊接区进行连续24h的录像观察;然后利用氢气泡图像处理软件计算不同时刻氢的逸出量,表达为扩散氢逸出量与时间的关系。2试验结果及分析2.1金相组织分析在插销试验中四种焊接接头的焊缝均由D型和F型石墨组成,且焊道1、2、3的F型石墨依次增多。焊缝基体组织均为马氏体+残余奥氏体+屈氏体。焊道1、2、3半熔化区仅在边角处有少量的白口,而焊道4半熔化区有一层薄白口;焊道2、4半熔化区金相组织见图1、图2。奥氏体区均为奥氏体上镶嵌着针状马氏体,焊道2奥氏体区金相组织见图3。测氢试验的试件焊接接头的金相组织及石墨形态与插销试验相同。2.2高温和高温时对氢在铁合金的溶解度的影响4种焊条施焊的焊道中扩散氢含量见表3,可以看出焊接接头的含氢量随着焊缝中含碳量的增加而减少。这是由于高温时氢在铁合金中的溶解度随着含碳量的增加而降低,焊道1、2、3在高温时溶入的氢依次减少。当焊缝凝固时,由于熔池中的结晶速度很快,氢来不及逸出而被固留在焊缝中。在低温下,处于过饱和状态的氢要极力扩散或逸出焊缝。由于3种焊接接头的组织结构相近,可以认为此时氢在这3种焊接接头中的溶解度近似相等,因而焊道1、2、3释放出的扩散氢是依次减少的。焊道4熔敷金属与焊道2相比,含硅量较少。在高温时,硅对氢在铁合金中的溶解度的影响规律与碳相同,但影响程度较小。因此,焊道4的扩散氢含量高于焊道2,而低于焊道1。2.3扩散氢含量对试验结果的影响在插销试验中,所有的销子断点均处于有马氏体的奥氏体区。插销试验结果见表4及图4。由试验结果看出,销子发生断裂的时间随预加载荷的降低而增加,具有延迟开裂现象,且临界应力值明显低于销子母材的抗拉强度。在高于临界应力值的一定范围内,预加载荷与发生断裂的时间存在线性关系。综合以上试验结果建立临界应力值与含氢量的关系见表5及图5。从图中可看出灰口铸铁焊接接头的临界应力值随扩散氢含量的增加而减小,即氢对灰口铸铁焊接裂纹有影响。低合金高强钢焊接接头临界应力值与扩散氢含量的关系见表6。比较表5和表6可看出,灰口铸铁焊接接头扩散氢含量的变化对临界应力值的影响较高强钢小,即灰口铸铁对氢致裂纹不甚敏感。这是由于灰口铸铁中的片状石墨与基体间的结合力较弱,在焊接热应力、组织应力和拘束应力的共同作用下,石墨所占的空间迅速增加,为氢的存在提供场所,使氢在各缺陷中的浓度降低。正是由于氢有足够的空间存在,所以当氢结合为分子时,缺陷内部的压力不大。此时由氢引起的应力集中远低于大量片状石墨所引起的应力集中,氢对裂纹的产生不起主导作用。所以,尽管灰口铸铁焊接接头扩散氢含量增加较多,而临界应力还是降低较少。2.4熔合线处的氢对样品的吸附在显微镜下观测到无白口的焊接接头中气泡大多数从石墨片的周边析出(图6)。证实了灰口铸铁中石墨与基体之间的狭小空间是氢吸附的良好场所。在显微镜下观测在熔合线处有一层薄白口的4#焊接接头,发现其中氢的微观行为与无白口的焊接接头中氢的行为类似,只是在白口层与热影响区的交界处氢气泡析出稍多些。这是由于氢在白口铸铁中的扩散系数高于灰口铸铁,焊缝中的氢向热影响区扩散时顺利的通过白口层后又受到片状石墨的吸附作用,不能顺利进入奥氏体区,而在两者的交界处发生堆积。3扩散氢对铸造裂纹的影响(1)在排液测氢试验中发现焊缝中扩散氢含量随焊缝中含碳量的增加而减少。(2)在插销试验中证实,氢对灰口铸铁焊接裂纹有影响,其规律与钢近似,扩散氢含量越高,临界应力越低,裂纹倾向越大。与钢相比,氢对灰口