Fe3Al堆焊及焊条电弧焊的优化方法

1.TIG堆焊工艺及特点

将尺寸规格40mm×20mm×6mm的2.25Cr-1Mo钢板待堆焊表面的油污和铁锈清除，采用钨极氩弧焊方法在2.25Cr-1Mo耐热钢上堆焊Fe₃Al合金（Fe84％、Al16％，质量分数），焊接电流为75A。焊前母材需经300℃预热，焊后进行600℃×1h的后热处理。

通过扫描电镜观察，Fe₃Al堆焊层与2.25Cr-1Mo耐热钢基体之间界面结合良好，形成的堆焊层熔合区宽度约为300μm。堆焊层内组织为粗大的柱状晶组织，每个柱状晶内分布有大量的针状化合物。通过电子探针分析，这些针状化合物含有大量的Fe和Al，构成α-Fe（Al）固溶体。熔合区是Fe₃Al与2.25Cr-1Mo耐热钢堆焊接头组织性能最薄弱的环节，Fe₃Al与2.25Cr-1Mo堆焊接头熔合区化学成分的能谱分析见表13-25。

表13-25Fe₃Al与2.25Cr-1Mo堆焊接头熔合区化学成分的能谱分析 （质量分数，％）

注：表中的前5个位置分别为从熔合线开始，每隔100μm取测定点。

在Fe₃Al堆焊层与2.25Cr-1Mo基体熔合区附近，合金元素Cr、Mo、Al的浓度梯度变化比较显著，堆焊金属中的Al被大量稀释，堆焊层相结构中的Al含量较低，主要形成单相α-Fe（Al）固溶体和针状Fe-Al金属间化合物。

2.Fe₃Al的焊条电弧焊

（1）焊条电弧焊焊接参数在不预热和焊后热处理条件下，采用焊条电弧焊（SMAW）进行Fe₃Al／Fe₃Al、Fe₃Al／Q235钢和Fe₃Al／18-8不锈钢的对接焊试验。选用E309-16、E310-16焊条，焊条直径2.5mm和3.2mm，采用的焊接参数见表13-26。

表13-26Fe₃Al焊条电弧焊的焊接参数

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焊接热输入过大或过小都易引起焊接裂纹。焊接热输入过小时，焊缝冷却速度快，焊后产生明显的表面裂纹。焊接热输入过大，熔池过热时间长，导致焊缝组织粗化进而诱发裂纹。尤其是焊条电弧焊的熔渣附着在熔敷金属上导致散热缓慢和组织粗化。采用合适的焊接热输入，焊条电弧焊采用E310-16焊条可获得无裂纹的Fe₃Al接头。Fe₃Al／Q235钢焊条电弧焊焊缝的显微组织如图13-32所示。

图13-32 Fe₃Al／Q235钢焊条电弧焊焊缝的显微组织

a）250× b）500×

（2）焊条电弧堆焊焊条电弧堆焊可以赋予零件表面耐磨、耐腐蚀、耐热等特殊性能。在石油化工及能源电力生产中，存在大量用不锈钢堆焊耐热钢的结构，若以Fe-Al合金取代不锈钢作为堆焊层，或在零件表面形成一层Fe₃Al堆焊层（如可采用焊条电弧焊将Fe₃Al合金堆焊在奥氏体不锈钢、2.25Cr-1Mo钢或其他钢材基体上），可以发挥其优异的性能。

将经中频感应炉熔炼的Fe₃Al合金浇注成铸锭，经过多道热轧和热锻（温度控制在900℃以上），制成直径为3.2mm的棒料，用作堆焊焊条的焊芯。选用低氢钾型药皮，焊芯成分和堆焊金属的成分见表13-27。为了保证成分稳定，至少应堆焊三层。采用直流弧焊机，堆焊电压约为25V，堆焊电流取下限（一般为90～110A），堆焊焊条移动速度约12cm／min。堆焊时的飞溅较小，但脱渣性较差，堆焊下一层时要仔细清除残渣，可得到无裂纹的Fe₃Al堆焊层。

表13-27Fe₃Al焊芯成分和堆焊金属的成分（质量分数，％）

堆焊前将工件预热到300～350℃，保温30min，堆焊后对焊件进行700℃×1h退火处理。堆焊层金属以粗大的柱状晶为主，堆焊层的Al含量在堆焊过程中损失较大，导致堆焊层组织以α-Fe（Al）固溶体为主，但不影响堆焊层的抗氧化性。在空气炉中经800℃×70h氧化后，不锈钢基体氧化严重，而Fe₃Al堆焊层氧化轻微，表明其高温抗氧化性优于18-8不锈钢。