不銹鋼A-TIG焊時電弧形貌和熔寬熔深研究

錢建偉

(中國船舶重工集團(tuán)公司 第七二六研究所,上海201108)

0 引言

不銹鋼自20世紀(jì)初問世，至今已有90多年的歷史。不銹鋼的發(fā)明是世界冶金史上的重大成就，不銹鋼的發(fā)展為現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和科技進(jìn)步奠定了重要的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)。而不銹鋼作為工程材料時最常用的連接方法是焊接，因此不銹鋼焊接技術(shù)的重要性由此顯現(xiàn)出來。目前工業(yè)上應(yīng)用的不銹鋼焊接方法主要有鎢極氬弧焊(TIG)、高頻焊、等離子焊和激光焊等。這幾種焊接方法各具特點，使用最多的是TIG焊。TIG焊應(yīng)用于不銹鋼焊接的主要缺點是：熔深淺，只能焊接厚度小于6 mm的材料；而焊接厚度較大的金屬材料時，則需要開坡口，填充焊絲，進(jìn)行多層焊接，加大了工藝復(fù)雜性，降低了效率[1]。為了提高焊接效率，人們一直在嘗試新的焊接方法，A-TIG就是其中一種較有效的新方法。焊前將在焊縫表面涂敷上一層活性焊劑(簡稱活性劑)，在相同的焊接規(guī)范下，可以大幅度地提高熔深(最大可達(dá)300%)[2-3]。本文通過試驗獲得了A-TIG焊和傳統(tǒng)TIG焊的焊縫和電弧形態(tài)以及顯微組織相關(guān)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了一些規(guī)律并嘗試對其機理進(jìn)行分析。

1 試驗方法

1.1 試驗材料及設(shè)備

試驗采用6 mm厚的304不銹鋼試板，具體化學(xué)成分見表1，機械性能見表2?；钚院竸镕S-01。試驗選用氬氣作為保護(hù)氣體，氬氣純度應(yīng)達(dá)到99.995%以上。焊機為MAGIC WAVE 2600型TIG焊機。

表1 304不銹鋼的化學(xué)成分

表2 304不銹鋼的室溫機械性能

1.2 試驗方法

焊接方法采用直流TIG焊，焊接參數(shù)見表3。試驗分為兩組。第一組試驗(試樣編號A～G)，電流值不變，固定在140 A，增加活性劑的相對涂敷厚度(依次為1～7)，以獲得活性劑涂敷量與焊縫深寬的關(guān)系。第二組實驗(試樣編號H～Q)，取電流值80～170 A之間5個量，分別焊一道涂敷活性劑和不涂敷活性劑焊縫，以獲得在電流增加時，涂敷及未涂敷活性劑的焊縫與電流之間的關(guān)系，以及它們之間的對比關(guān)系。焊接參數(shù)具體設(shè)置見表4。

表3 焊接參數(shù)

1.3 高速攝影

為了解A-TIG焊時焊接電弧的動態(tài)狀況，采用日本Photron Fastcan Super彩色高速攝錄系統(tǒng)，拍攝了兩組照片，分別為電流80 A高焊速和電流80 A低焊速。

表4 焊接電流電壓及活性劑相對涂敷厚度

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 焊縫的熔寬和熔深

焊縫的熔寬和熔深的具體數(shù)值見表5。

表5 焊縫熔深和熔寬數(shù)值

2.2 熔深熔寬和電流的關(guān)系

熔寬、熔深和電流的關(guān)系分別見圖1、圖2。

圖1 熔寬和電流的關(guān)系曲線

由曲線可以看出，不管電流怎樣變化，涂敷活性劑的試樣熔深和熔寬都要比沒有涂敷活性劑的大。電流小于110 A時，電流的變化對涂敷活性劑的試樣熔深熔寬無明顯影響。電流大于110 A時，隨著電流的增加，無論是否涂敷活性劑，試樣的熔深熔寬都會增加。但電流達(dá)到150～160 A時，未涂敷活性劑的試樣熔深熔寬不再增加，反而有減小的趨勢；涂敷活性劑的試樣熔深熔寬的增加量卻不減。可以預(yù)測，如果繼續(xù)增大電流將得到更大的熔深和熔寬。

圖2 熔深和電流的關(guān)系曲線

2.3 熔寬熔深和涂敷量的關(guān)系

熔寬、熔深和涂敷量的關(guān)系見圖3、圖4。

圖3 熔寬和涂敷量的關(guān)系曲線

圖4 熔深和涂敷量的關(guān)系曲線

由曲線可以看出，A-TIG焊應(yīng)存在一個最佳的活性劑涂敷量，以這個活性劑涂敷量焊接時能夠得到最大的熔深。依據(jù)本次試驗結(jié)果，這個最佳涂敷量在活性劑相對涂敷厚度為4左右。在此值能夠得到最大的熔深和較窄的焊縫。

2.4 高速攝影分析

高速拍攝的電流80 A高焊速、低焊速照片分別見圖5、圖6。

以上兩組高速攝影照片分為進(jìn)入活性劑區(qū)域前、進(jìn)入活性劑區(qū)域和出活性劑區(qū)域三個部分。試驗時，只在焊縫的中間一段涂敷活性劑，兩端都沒有涂活性劑。從照片上可以看出，在進(jìn)入涂敷有活性劑的區(qū)域以后，表面看來電弧明顯變大，但作者認(rèn)為照片中的明亮區(qū)域并不完全代表電弧部分。在進(jìn)入涂敷區(qū)以后，電弧的上方有圓錐形的淺灰色光環(huán)，而在涂敷區(qū)域以外沒有此現(xiàn)象，所以可認(rèn)定，此淺灰色光環(huán)為受熱蒸發(fā)的活性劑煙霧反射出來的光線，而且離試樣表面越近越亮，最后和電弧混為一體，無法區(qū)別。雖然從表面看來，電弧是變大了，但電弧的真實形態(tài)卻無法通過高速照片直接看出來，還需綜合其他試驗結(jié)果一起分析。

圖6 電流80 A低焊速

2.5 金相組織觀察

焊縫組織和熔合線附近組織兩組照片見圖7～圖10。焊縫組織為樹枝晶和柱狀晶混合組織。熔合線附近組織從左至右依次為：母材—熱影響區(qū)—焊縫。

圖7 未涂敷活性劑焊縫組織

母材為軋制過的奧氏體組織，有一道道平行的軋制痕跡。涂敷活性劑試樣的焊縫組織要比未涂活性劑的粗大，柱狀晶更明顯。在熔合線附近，涂敷活性劑的試樣的金相照片中能夠找到粗晶區(qū)和垂直于熔合線的柱狀晶。而在未涂活性劑的試樣照片中，這些組織都不是很明顯的。

需要說明的是，兩組照片的焊接規(guī)范完全一致，電流均為155 A，即熱輸入量是一樣的。但涂有活性劑時的組織更為粗大，換句話說涂敷活性劑比未涂敷活性劑利用熱的效率更高。因此，熔深也就相應(yīng)增大。

圖9 涂敷活性劑焊縫組織

圖10 涂敷活性劑熔合線附近組織

3 結(jié)論

(1)不銹鋼采用A-TIG焊時，焊縫的熔深和熔寬大于傳統(tǒng)TIG焊。

(2)A-TIG焊時存在一個最佳涂敷量，在此值時焊接，能夠得到最大熔深，多于或少于此涂敷量，熔深均變小。

(3)A-TIG焊得到的焊縫金相組織要比同等參數(shù)條件下傳統(tǒng)TIG焊得到的金相組織粗大，柱狀晶更大更明顯。