熔化極氬弧焊焊接工藝研究

艾柏梁, 劉蔚倩, 朱賽龍

(湖南理工學(xué)院 機械工程學(xué)院，湖南 岳陽 414006)

熔化極氬弧焊焊接工藝研究

艾柏梁, 劉蔚倩, 朱賽龍

(湖南理工學(xué)院 機械工程學(xué)院，湖南 岳陽 414006)

通過304不銹鋼熔化極氬弧焊的工藝試驗來研究不同的焊接參數(shù)對焊縫成形的影響, 確定焊接奧氏體不銹鋼中厚板時的合理焊接工藝參數(shù).

熔化極氬弧焊; 奧氏體不銹鋼; 焊接工藝; 焊縫; 熱影響區(qū)

引言

熔化極氬弧焊是一種焊接質(zhì)量好、焊接生產(chǎn)率高、綠色環(huán)保的焊接工藝. 與CO2焊相比, 熔化極氬弧焊具有電弧穩(wěn)定、熔滴過渡穩(wěn)定、焊接飛濺少、焊縫成形美觀等優(yōu)點, 該工藝適合焊接不銹鋼中厚板. 由于機械行業(yè)中大量運用奧氏體不銹鋼中厚板, 為此對氬弧焊焊接不銹鋼進行了工藝試驗.

本文將主要研究焊接電流及電弧電壓、焊接速度、焊絲伸出長度以及不同流量的保護氣體對焊縫成形的影響, 從而找到最合適的焊接參數(shù).

1 實驗材料設(shè)備及方法

實驗所用焊機為奧太NBC-500氣體保焊機, 具有陡降的電源外特性. 本次試驗所采用的焊絲牌號為ER304, 直徑為1.2mm. 實驗所用的保護氣體為氬氣與二氧化碳的混合氣體. 試驗使用的板材是8mm厚的牌號為304的不銹鋼板, 其化學(xué)成分如表1所示, 尺寸規(guī)格為35mm×90mm, 開Y型坡口. 焊前需將試板表面打磨干凈, 防止鐵銹、油污影響焊接質(zhì)量.

表1 304不銹鋼的化學(xué)成分

2 實驗結(jié)果與分析

由于NBC-500氣體保焊機在調(diào)節(jié)焊接電流大小的時候, 焊機會自動匹配一個合適的電弧電壓, 所以NBC-500氣體保焊機不能單獨的調(diào)節(jié)焊接電流的大小或電弧電壓的大小.

2.1 焊接電流(電弧電壓)對焊縫質(zhì)量的影響

表2 不同焊接電流下的焊接參數(shù)

圖1 實驗1的焊縫成形圖

圖2 實驗2的焊縫成形圖

(1) 焊縫成形分析

對比圖1與圖2的焊縫成形圖可知, 當(dāng)焊接電流為135A時的焊縫成形比焊接電流為110A時的焊縫成形美觀, 焊縫均勻一致, 焊縫外觀質(zhì)量較好. 而且實驗2所得到的焊縫的余高、熔深和熔寬都有所增加.原因: a) 焊接電流增加時, 電弧的熱功率與電弧力都會增加, 因此熔池體積和弧坑深度都會隨著電流的增加而增加. b) 熔化極氬弧焊中焊接電流增加時, 焊絲熔化量也會有所增加, 故焊縫的增高也隨之增加.

(2) 焊縫組織形貌分析

焊接母材是牌號為304的奧氏體不銹鋼, 即0Cr18Ni9, 其金相組織如圖3所示. 304奧氏體不銹鋼中Cr的含量較高(一般為18%～20%), 基體為奧氏體, 呈現(xiàn)孿晶態(tài)以及少量的碳化物.

焊接過程實際上可以看作是一次“特殊的熱處理過程”, 焊縫以及熱影響區(qū)的各部分因為離焊接熔池的距離不同而被加熱到不同的溫度, 焊接后又會以不一樣的冷卻速度冷卻下來, 因此其成分變得較為復(fù)雜.

圖3 母材金相組織

圖4 實驗1焊縫區(qū)域金相組織

圖5 實驗2焊縫區(qū)域金相組織

結(jié)合圖4和圖5可以看出, 實驗2所得到的焊縫區(qū)域金相組織的晶粒比實驗1的更為粗大一些. 這是因為焊接電流越大, 也就意味著焊接熱輸入量越大, 加熱溫度越高, 保溫時間越長, 所以得到的奧氏體晶粒越粗大.

由圖4可以看出, 母材是奧氏體組織, 焊縫區(qū)域是粗大的柱狀組織, 其中夾雜有一些碳化物. 焊接熔池的結(jié)晶過程一般是從熔池邊界開始的, 非自發(fā)晶核就依附在半熔化的母材晶粒上. 一般情況下, 以柱狀晶的形式由半熔化的母材晶粒向焊縫中心成長, 而且成長的取向和母材晶粒相同, 結(jié)晶時各個方向的散熱速度有所不一樣. 散熱快的方向晶體將會沿其反向擇優(yōu)生長成為柱狀晶. 焊縫區(qū)域主要是奧氏體組織加少量的鐵素體以及碳化物. 由于焊縫的柱狀晶是從半熔化的母材晶粒長大的, 其初始尺寸等于焊縫邊界母材晶粒的尺寸, 同時因為焊縫中存在較高含量的鐵素體, 因而在焊接熱循環(huán)的作用和鐵素體的影響下, 奧氏體不銹鋼的焊縫柱狀晶會發(fā)生粗化.

焊接接頭可分為焊縫、熔合區(qū)及熱影響區(qū). 其中熱影響區(qū)分為過熱區(qū)、完全重結(jié)晶區(qū)以及不完全結(jié)晶區(qū).

在焊縫中, 熔合區(qū)是介于焊縫與熱影響區(qū)之間相當(dāng)窄小的過渡部分, 是由部分已經(jīng)熔化的母材和部分還未熔化的母材所組成的區(qū)域. 熔合區(qū)的溫度介于液、固兩相之間, 焊縫金屬與母材金屬產(chǎn)生規(guī)則熔合,因此會形成參差不齊的分界面, 該區(qū)域的化學(xué)成分、微觀組織以及力學(xué)性能極為不均勻. 由于熔合區(qū)非常窄小, 實際上在金相顯微鏡下觀察焊縫金相組織時很難將其區(qū)分開來, 但是該區(qū)域?qū)附咏宇^的塑性、強度等影響很大, 因此熔合區(qū)常常是熱裂紋、冷裂紋以及脆性相的發(fā)源地, 從而成為焊接接頭的最為薄弱的環(huán)節(jié).

過熱區(qū)又被稱為粗晶區(qū), 它緊鄰熔合區(qū), 其峰值溫度范圍從晶粒急劇長大的溫度到固相線的溫度. 因為加熱溫度非常高, 導(dǎo)致金屬處于過熱狀態(tài), 特別是在固相線附近的區(qū)域, 一些難溶的碳化物及氮化物質(zhì)點也都會溶入到奧氏體中去, 因此奧氏體晶粒組織會發(fā)生嚴重長大, 粗大的奧氏體在較快的冷卻速度下冷卻會形成一種非常特殊的組織——魏氏組織. 魏氏組織的組織特征為一個粗大的奧氏體晶粒內(nèi)形成很多平行的鐵素體針片, 在鐵素體針片之間的剩余奧氏體會轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w, 魏氏組織的韌性很低. 過熱區(qū)的組織特征決定了該區(qū)域脆性較大, 韌性較低, 甚至?xí)a(chǎn)生裂紋, 因而過熱區(qū)也是焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié).

完全重結(jié)晶區(qū)又被稱為正火區(qū), 該區(qū)域的峰值溫度范圍是從Ac3線一直到晶粒急劇長大的溫度. 在該區(qū)域的峰值溫度范圍內(nèi), 加熱時金屬組織發(fā)生奧氏體化, 由于加熱時間短, 加熱速度快, 高溫停留時間短,在奧氏體晶粒還未長得足夠大時就已經(jīng)開始冷卻了, 冷卻就得到了均勻細小的奧氏體組織加以少量的鐵素體組織, 這相當(dāng)于熱處理時的正火組織. 因為該組織的晶粒細小、均勻, 故完全重結(jié)晶區(qū)的韌性以及塑性都非常好, 具有比較高的力學(xué)性能.

不完全結(jié)晶區(qū)又被稱為部分相變區(qū)或者不完全正火區(qū), 該區(qū)域的峰值溫度介于Ac1～Ac3之間. 該區(qū)域只有一部分金屬經(jīng)歷過兩次相變重結(jié)晶, 而另一部分為始終未能發(fā)生重結(jié)晶的原始奧氏體晶粒, 因此, 該區(qū)域的組織特征為晶粒大小不一的奧氏體, 而且分布不均, 這使得該區(qū)域的力學(xué)性能也不均勻, 其沖擊韌性比完全重結(jié)晶區(qū)低.

2.2 焊接速度對焊縫質(zhì)量的影響

表3 不同焊接速度下的焊接參數(shù)

圖6 實驗3的焊縫成形圖

圖7 實驗4的焊縫成形圖

結(jié)合圖6和圖7可以看出, 隨著焊接速度的陡然增加, 焊縫的外觀成形質(zhì)量變得極差, 實驗3所得到的焊縫已經(jīng)出現(xiàn)咬邊缺陷了, 另外, 實驗3的焊縫的熔深和熔寬都比實驗4的要小. 原因是: 當(dāng)其他焊接條件不變的情況下, 焊接速度增加意味著焊縫的熱輸入量減少, 熔化的焊絲熔滴在單位時間內(nèi)進入到熔池內(nèi)的量變少, 電弧作用在工件上的能量密度降低, 在焊縫位置的母材還未熔化之前焊接便已完成. 故當(dāng)焊接速度增加時, 焊縫的熔深和熔寬都會減小, 尤其是過高的焊接速度會產(chǎn)生咬邊缺陷.

2.3 焊絲伸出長度對焊縫質(zhì)量的影響

表4 不同焊絲伸出長度下的焊接參數(shù)

圖8 實驗5的焊縫形貌圖

圖9 實驗6的焊縫形貌圖

結(jié)合圖8和圖9的焊縫形貌圖可以看出, 實驗5所得到的焊縫外觀成形質(zhì)量較為優(yōu)秀, 實驗8所得到的焊縫的余高過高且成形質(zhì)量較差. 原因是: 焊絲的伸出長度的增加意味著焊絲的電阻熱也會增加, 電阻熱增加直接導(dǎo)致焊絲的熔化速度加快, 單位時間內(nèi)過渡到熔池中去的焊絲金屬增多, 焊縫的余高也隨之增高. 雖然這樣可以使生產(chǎn)率獲得提高, 但是焊絲的電阻熱增加會造成焊絲過熱而成段熔斷, 結(jié)果使焊接過程變得不穩(wěn)定、金屬飛濺嚴重、焊縫外觀成形不良以及保護氣體對焊接熔池的保護效果減弱. 由于不銹鋼焊絲的電阻率很大, 所以這種影響尤為突出. 因此, 對于細焊絲, 特別是不銹鋼熔化極氬弧焊時, 必須特別注意控制焊絲的伸出長度的穩(wěn)定.

2.4 保護氣體流量對焊縫質(zhì)量的影響

具體實驗數(shù)據(jù)如表5所示. 兩種保護氣體流量下的焊縫成形圖如圖10、11所示. (注: 兩組實驗用的保護氣體不但流量不同, 而且氬氣與二氧化碳的比值也不同. 如實驗7的保護氣體的組成為12LAr+3LCO2,而實驗8的保護氣體的組成為18.5LAr+6.5LCO2. )

表5 不同保護氣體流量下的焊接參數(shù)

圖10 實驗7的焊縫形貌圖

圖11 實驗8的焊縫形貌圖

圖12 實驗8的焊縫截面圖

對比圖10和圖11可以看出, 實驗7所得到的焊縫成形質(zhì)量較好, 焊縫金屬散發(fā)著金屬光澤, 金屬飛濺物很少; 實驗8所得到的焊縫成形質(zhì)量差, 焊縫金屬色澤黑暗, 焊縫兩側(cè)區(qū)域金屬飛濺物很多. 從圖12可以看出實驗8所得到的焊縫中存在氣孔等焊接缺陷. 原因是: 1) 保護氣體的流量過高會導(dǎo)致保護氣體從焊槍噴嘴處噴出時形成紊流, 而不是層流. 紊流的保護效果比層流的保護效果差, 容易在焊縫中形成氣孔. 氣孔容易降低焊接接頭的力學(xué)性能, 因此, 在焊接中應(yīng)該盡量控制它; 2) 熔化極氬弧焊中Ar與CO2的混合比例一般是Ar80%+CO220%或Ar82%+CO218%, 實驗8的保護氣體中CO2的含量過高. 由于CO2在高溫下會分解, 具有強烈的氧化作用, 會使合金元素出現(xiàn)燒損, CO2含量越高, 合金元素?zé)龘p越嚴重, 焊接后焊縫金屬色澤越黑暗. CO2含量增加還會導(dǎo)致嚴重的焊接飛濺和CO氣孔, 因此, 用富氬混合氣體保護焊焊接不銹鋼時必須注意嚴格保護氣體中氧化性氣體如CO2的含量.

3 結(jié)論

(1) 熔化極氬弧焊焊接工藝特別適合不銹鋼的中厚板的焊接, 采用電流為135A、電壓為21V、焊絲伸出長度為6mm、保護氣體為12LAr+3LCO2的焊接工藝焊接8mm厚的不銹鋼板時, 焊縫的成形質(zhì)量較好.

(2) 對于焊后焊縫的組織形貌進行金相顯微鏡觀察分析, 焊縫組織為柱狀晶, 熱影響區(qū)的組織形態(tài)較為復(fù)雜.

(3) 對于保護氣體為Ar+CO2的熔化極氬弧焊, 在焊接施工過程中必須注意嚴格控制CO2的含量, 確保CO2的含量在20%以下.

[1] 王宗杰. 熔焊方法及設(shè)備[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2006

[2] 劉會杰. 焊接冶金與焊接性[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2007

[3] 陳裕川. 現(xiàn)代焊接生產(chǎn)使用手冊[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2005

[4] 張其樞, 堵耀庭. 不銹鋼焊接[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2000

A Study of Melting Pole Argon Arc Welding Technology

AI Bai-liang, LIU Wei-qian, ZHU Sai-long
(College of Mechanical Engineering，Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, China)

The effect of different welding parameters on weld is tested by the 304 stainless steel melt electrode argon arc welding process test to study, the reasonable welding process parameters are determined when welding Austenitic stainless steel p l a t e . Keywords: melting pole argon arc welding; Austenitic stainless steel; welding process; weld; heat affected zone

TM27

A

1672-5298(2014)03-0060-05

2014-06-23

艾柏梁(1992? ), 男, 湖南汨羅人, 湖南理工學(xué)院機械工程學(xué)院材料成型及控制工程專業(yè)本科生. 主要研究方向: 焊接工藝