激光和感应重熔对奥氏体不锈钢堆焊层组织及耐腐蚀性的影响
摘要：本文利用带极电渣堆焊在板厚为 10mm 的母材 Q235 上进行奥氏体不锈钢堆焊试验，用感应加热和激光重熔对试样进行表面处理。结果表明表面热处理对堆焊层显微组织有较大影响，其中，感应加热热处理后的组织晶粒变小，激光表面重熔后显微组织呈柱状枝晶奥氏体+网状 δ 铁素体，奥氏体晶粒极为细小。堆焊层金属的显微硬度测试表明，感应加热处理后堆焊层显微硬度达到 433.38HV，较焊态堆焊层组织有了较大的提高，各参数下激光重熔试样显微硬度差异较大。对各试样进行了电化学实验，由极化曲线及其特征值可知，在 9.8%H2SO4 溶液中，表面热处理后的堆焊 层金属耐腐蚀性较焊态要好。
引言
腐蚀是现代工业中一种极为重要和极具危害性的破坏因素，它给国民经济带来的损失是巨大的。 与碳钢相比，不锈钢具有成本高、生产技术和工艺复杂、投资大等特点，因此采用堆焊技术在价格 低廉的低碳钢或低合金钢上熔敷耐腐蚀合金，即可避免工件整体使用昂贵的高合金材料，又使其具 有一定的抗腐蚀性能，从而大大节约资源、降低成本。研究表明，堆焊后的金属层具有较好的强度 及耐腐蚀性[1]，但同时也存在一些缺陷和不足，因此对堆焊层进行表面热处理及其它特殊表面处理 对于提高堆焊层强度及耐腐蚀性等方面具有重要意义[2]‐[5]。
本文对自制奥氏体不锈钢堆焊层表面进行了感应加热及激光重熔，分析了处理后堆焊层金属表 面的组织、强度及耐腐蚀性能。
1 试验方法
1.1 试验材料
焊接采用带极电渣堆焊，堆焊试板选用尺寸为 400mm×200mm×10mm 的 Q235 低碳钢，焊带选用尺 寸为 25mm×0.4mm 的奥氏体不锈钢带，焊速为 8m/h，其堆焊层化学成分如表 1 所示。试样的截取 如图 1 所示，单位为 mm，其中，焊态试样 1 个，编号为 1‐1，感应加热试样 1 个，编号为 2‐1，激 光重熔试样 4 个，编号分别为 3‐1、3‐2、3‐3、3‐4。
.2 试验方法
1.2.1 感应加热工艺
用砂轮机将试样从顶部刨去,打平，随后采用 GJ‐BFY‐50 型新型全固态感应加热设备对试样进行 感应加热，振荡频率为 20‐40kHz，设置加热功率为。加热后立即放人冷水中进行淬火。
1.2.2 激光重熔工艺
用砂轮机将试样从顶部刨去,打平，采用 HAN′S‐LASER YAG W200A 激光焊接机对试样盖面进行多 道扫描，扫描过程采用氩气保护，光斑直径为，扫描速度为，其他参数如表 2。
1.2.3 电化学腐蚀试验
堆焊层金属的电化学腐蚀试样如图 1 所示制取。在堆焊层的中部位置处，从表面刨去 3mm，采 用线切割方法截取 10mm×10mm×3mm 试样，在试样背面锡焊铜导线，使用环氧树脂进行镶样，并 对试样的试验表面进行打磨和抛光。
选用 PS‐268A 型电化学测量仪进行试验，电极采用参比甘汞电极、辅助铂电极和工作电极构成 的三电极体系。试验在室温下进行，腐蚀液选用质量分数为 9.8%H2SO4 溶液。采样周期为 1s，以 60mV/min 的速度进行扫描，对电流和电位进行采集，通过数据处理得到工作电极的极化曲线。
2 实验结果与讨论
2.1 显微组织分析
对不同热处理下的带极电渣堆焊试样进行打磨抛光，采用王水（浓硝酸和浓盐酸，体积比 1:3） 进行腐蚀，腐蚀时间为 3‐8s，然后通过光学显微镜进行显微金相观察，如图 2 所示。结果表明：堆 焊层金属组织为奥氏体+少量 δ 铁素体，且 δ 铁素体呈骨架状，如图 2（a）。感应加热后组织中 δ 铁素体不再呈规则骨架状，而是呈絮状不均匀分布，如图 2（b），原因是感应加热速度较快，组织不 完全分解，快速淬火使得分解了的组织来不及分配完全就重新凝固，导致部分残留 δ 铁素体呈不连 续点状分布于原晶界处，分解了的 δ 铁素体原骨架状结构，使其呈不均匀絮状分布。激光重熔后组 织如图 2（c）所示，观察可以发现，晶粒明显变细，没有马氏体相产生，细小的 δ 铁素体呈网状分 布，形成 γ‐和 δ‐Fe 双相结构。重熔后的组织为晶粒位向不完全一致的柱状晶，原因是重熔区域原存 在的晶粒晶界阻碍亚晶粒的生长，使亚晶粒从晶界处按不同方向重新生长[6]，故同一晶粒内的亚晶 粒位向分布一致，而不同晶粒内的亚晶粒位向分布不完全一致，如图 3 所示。
为更全面观察重熔层组织，将试样截面进行打磨、抛光、腐蚀，观察得到如图 4 所示组织，可以发 现晶粒从基体向外生长，且产生分布较为均匀的析出相。由于激光重熔是以点的形式进行，所以一 个熔池中存在温度梯度，中心温度高，边缘温度低，晶粒从熔池边缘开始形核，向中心生长，且中 心位置晶粒较边缘细小[7]。
（a）焊态（b）感应加热（c）激光种熔
图2堆焊层金属显微组（王水）
2.2 显微硬度分析
采用 HXD—1000TC 显微硬度计对后热带极电渣堆焊层金属进行硬度测试，显微硬度测试结果如 图 4 所示。图中焊态堆焊层金属的平均硬度为 231.0HV，正负波动为‐5.46%——4.12%；感应加热后的堆 焊层金属硬度的平均值为 433.38HV，正负波动为‐3.25%——2.17%；激光重熔后各个堆焊层金属试样硬 度平均值相差较大，但大部分重熔试样相较于焊态试样明显提高。这表明热处理堆焊层金属的显微 硬度比焊态要高。对于感应加热试样，由于淬火时，试样表层产生较大的压应力，同时产生较为细 小的奥氏体晶粒，使得试样表层硬度大幅度提高。而激光重熔试样由于其较快的加热和冷却速度， 相当于对重熔层进行了淬火，使得重熔层金属的硬度显著提高。
2.3 电化学腐蚀试验结果与分析
质量分数为 9.8%H2SO4 溶液中，各堆焊层金属试样电化学腐蚀的极化曲线如图 6 所示，其性能 特征值如表 3 所示。自腐蚀电位和自腐蚀电流是判断试样在活化阶段耐腐蚀性能的依据。由表 3 可 看出，表面热处理后堆焊层金属的自腐蚀电位普遍低于焊态堆焊层金属；表面热处理后堆焊层金属 的自腐蚀电流远小于焊态堆焊层金属。说明在活化阶段，表面热处理后的堆焊层金属耐腐蚀性较焊 态要好。由图 6 可以看出，激光重熔后的试样较早进入钝化区，钝化区较宽，而感应加热试样钝化 区宽度与焊态试样差别不大。这说明激光重熔后的堆焊层金属组织较容易形成钝化膜，阻碍腐蚀的 进行，使其不易腐蚀。因此总体上来说，采用感应加热处理和激光重熔技术得到的堆焊层金属，其 耐蚀性能有所提高。分析可知，经感应加热表面热处理后，堆焊层金属中的碳化物分解后重组，使 碳与其他元素形成固溶体，防止铬的碳化物在晶界析出而形成“贫铬层”，从而提高其电化学耐腐蚀 性能[8]。而激光重熔后的堆焊层金属晶粒细小，易形成致密的钝化膜，从而提高其耐腐蚀性能。
3 结论
（1）通过对堆焊层金属显微组织的观察发现，感应加热处理后的组织晶粒变小，δ‐Fe 呈不均匀 絮状分布，激光重熔后组织变细小，δ‐Fe 呈网状分布；
（2）通过对堆焊层金属的显微硬度测试得知，感应加热处理后堆焊层显微硬度有了较大的提高， 各参数下激光重熔试样显微硬度差异较大，但整体上其显微硬度有所提高；
（3）对各试样进行了电化学实验，由极化曲线及电化学腐蚀性能特征值可知，9.8%H2SO4 溶液 中，在活化阶段，表面热处理后的堆焊层金属耐腐蚀性较焊态要好，而在钝化阶段，激光重熔过的 堆焊层组织较早进入钝化区，钝化区较宽，其耐腐蚀性提高。
参考文献
[1]谢翔，包晔峰等.不锈钢带极电渣堆焊层金属耐腐蚀性能[J].焊接学报.2011.10,32(10):77‐80.
[2]曾初升.316L 不锈钢腐蚀性能电化学研究[D].昆明:昆明理工大学.2006:1‐3.
[3]李长胜.新型奥氏体不锈钢磨损‐腐蚀性能研究[D].镇江:江苏大学.2007:1‐2.
[4]Edmund Tasak. Influence of post‐weld heat treatment(PWHT) on the structure and properties ofwelded joints[J]. Welding International, 25, 8: 608‐613.
[5]Abu Syed H. Kabir. Effect of Postweld Heat Treatment on Microstructure, Hardness, and Tensile Properties of Laser‐Welded Ti‐6Al‐4V[J]. metallurgical and Materials Transactions A, 2012, 43(11): 4171‐4184.
[6]O. V. AKGUN, O. T. INAL. Laser surface melting and alloying of type 304L stainless steel[J]. Journal of Materials Science. 1995,30:6097‐6104.
[7][美]John C.Lippold，Damian J.Kotecki.不锈钢焊接冶金学及焊接性[M].陈剑虹译.北京：机械工业出版社，2008.8:185‐189.
[8]A Conde, R Colaço, R Vilar, J De Damborenea.Corrosion behaviour of steels after laser surface melting[J].Materials & Design, 2000, 21(5): 441‐445.
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