雙脈沖MIG焊工藝參數(shù)對316L不銹鋼焊縫成形及性能影響研究*

陳曄　姚屏,2　鄭振興　賓坤　陳美沂

特約論文

雙脈沖MIG焊工藝參數(shù)對316L不銹鋼焊縫成形及性能影響研究*

陳曄1姚屏1,2鄭振興1賓坤1陳美沂1

（1.廣東技術(shù)師范大學(xué)，廣東 廣州 5106652.廣州理工學(xué)院，廣東 廣州 510540）

為探究雙脈沖MIG焊工藝參數(shù)對316L奧氏不銹鋼焊縫成形及性能的影響，以占空比和脈沖頻率為自變量，焊縫熔深、熔寬、余高為因變量，進(jìn)行5組焊接對比實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：利用本實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行MIG焊接，能夠得到美觀焊縫；隨著占空比和脈沖頻率增加，熔深、熔寬隨之增大，余高減?。磺液缚p金相組織中鐵素體數(shù)量隨之降低，奧氏體晶粒不斷增大，晶粒組織更加分散和粗化，使焊接接頭硬度降低。由此可知，通過改變占空比和脈沖頻率的大小，可以優(yōu)化焊縫表面成形質(zhì)量，改變焊縫熔深、熔寬、余高，為實(shí)際生產(chǎn)提供一定的參考價(jià)值。

雙脈沖MIG焊接；占空比；脈沖頻率；焊縫成形

0　引言

雙脈沖熔化極惰性氣體（metal inert-gas, MIG）保護(hù)電弧焊是一種高性能的焊接方式，具有氣孔率低、頻率高、能量集中等特點(diǎn)[1]。316L不銹鋼是一種成形性好、制備簡單、材料來源廣泛、成本低廉的奧氏不銹鋼，具有力學(xué)性能好、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、耐腐蝕性好等特點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)及生活中應(yīng)用廣泛[2]。

蔣成燕等[3]研究了脈沖MIG焊中不同焊接工藝參數(shù)對Q235低合金鋼焊縫成形質(zhì)量及硬度的影響，發(fā)現(xiàn)脈沖電流是影響焊縫成形最主要的因素，脈沖頻率是影響焊接接頭硬度最主要的因素。姚屏等[4]研究了雙脈沖MIG焊接工藝參數(shù)對焊縫及魚鱗紋的影響，發(fā)現(xiàn)焊縫魚鱗紋寬度隨著低頻頻率的提高而減小，隨著焊接速度的提高而增大。但以上研究均未考察占空比對焊縫形貌的影響。胡昱等[5]研究了雙脈沖MIG焊工藝參數(shù)對2205與316L異種不銹鋼焊縫質(zhì)量的影響，結(jié)果表明焊接速度對焊縫質(zhì)量影響最大，但沒有考察脈沖頻率對焊縫成形的影響。胡進(jìn)[6]研究了不同工藝參數(shù)對單道單層微觀組織的影響，結(jié)果表明焊接速度和焊接電流對微觀組織產(chǎn)生影響，但未考察占空比和脈沖頻率對微觀組織的影響。

本文通過控制焊接電流、焊接電壓和送絲速度不變，采用雙脈沖MIG焊快速成形工藝，分別以占空比和脈沖頻率2個(gè)工藝參數(shù)為自變量，焊縫熔深、熔寬和余高為因變量，對316L不銹鋼進(jìn)行焊接。通過觀察焊縫外觀形貌和微觀組織、硬度測試等方式研究占空比和脈沖頻率對焊縫組織形貌和力學(xué)性能的影響。

1　實(shí)驗(yàn)方法

1.1　實(shí)驗(yàn)平臺

本實(shí)驗(yàn)采用機(jī)器人MIG焊電弧焊系統(tǒng)。該系統(tǒng)由S3-RoboMIG焊機(jī)、LORCH送絲機(jī)、FANUCM-10iA機(jī)器人、焊接工作平臺、協(xié)同控制系統(tǒng)、控制柜和計(jì)算機(jī)等組成，如圖1所示。

圖1　機(jī)器人MIG焊電弧焊系統(tǒng)

1.2　實(shí)驗(yàn)條件

焊接實(shí)驗(yàn)選用的保護(hù)氣體為98%氬氣和2%二氧化碳組成的混合氣體；焊絲材料為1.2 mm的ER 316L，焊絲化學(xué)成分如表1所示[7]。實(shí)驗(yàn)基板采用250 mm× 40 mm×3 mm的316L鋼板。

表1　ER 316L焊絲及母材的化學(xué)成分 %

1.3　實(shí)驗(yàn)方法

首先，對316L鋼板進(jìn)行平板堆焊，并用夾具將試件固定在工作臺上；然后，用砂紙打磨試件表面，去除試件表面氧化物，再用酒精將試件表面擦洗干凈，待試件表面干燥后進(jìn)行雙脈沖MIG焊接，焊接工藝參數(shù)如表2所示；接著，分別用不同粗糙程度砂紙400#、800#、1000#、1500#、2000#和3000#打磨試件，拋光處理；最后，用腐蝕液腐蝕試件，觀察試件的微觀組織、橫截面形貌。

表2　雙脈沖MIG焊接實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)

雙脈沖MIG焊接實(shí)驗(yàn)采用5組不同的工藝參數(shù)，如表3所示。

表3　焊接實(shí)驗(yàn)表

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1　占空比對焊縫成形的影響

本實(shí)驗(yàn)采用雙脈沖MIG焊接方式。為探究占空比對焊縫成形的影響，控制脈沖頻率為1 Hz不變，將3組不同占空比參數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。每組均進(jìn)行6次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，將每次實(shí)驗(yàn)后的鋼板沿與焊接垂直的方向切開，測量每次實(shí)驗(yàn)焊縫的熔深、熔寬和余高，計(jì)算實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值，得到焊縫的平均熔深、平均熔寬和平均余高如表4所示。焊縫的熔深、熔寬和余高隨占空比的變化曲線如圖2所示。

表4　不同占空比下試件焊縫截面尺寸 單位：mm

圖2　焊縫熔深、熔寬和余高隨占空比的變化曲線

由表4和圖2可知：占空比為20%時(shí)，焊縫的熔深為0.85 mm，熔寬為6.04 mm，余高為2.12 mm；占空比為80%時(shí)，焊縫的熔深為2.23 mm，熔寬為8.17 mm，余高為1.88 mm，說明焊縫熔深隨著占空比的增加而增加。

不同占空比下的焊縫形貌如表5所示。

由表5可觀察出：占空比為20%時(shí)，L1焊縫表面有較淺的魚鱗紋，兩側(cè)飛濺較多，但無斷弧現(xiàn)象，整體形貌均勻；占空比為50%時(shí)，L2焊縫整體外觀發(fā)生變化，整體焊縫寬度不均勻；占空比為80%時(shí)，L3焊縫整體外觀成形效果最好，焊縫連續(xù)性好，無斷弧現(xiàn)象，飛濺較少。由此可知，隨著占空比增加，焊縫成形質(zhì)量逐漸改善，焊縫連續(xù)性較好，周圍飛濺減少，表面光滑平整。

由此可推斷，在脈沖頻率相同的條件下，隨著占空比增加，峰值電流熱循環(huán)的作用時(shí)間持續(xù)增加，使高溫作用于熔池的時(shí)間延長，熱輸入增加，導(dǎo)致熔深、熔寬逐漸變大，余高逐漸減小[8]。

表5　不同占空比下的焊縫形貌圖

2.2　占空比對微觀組織形貌的影響

陳曉暉等[9]在關(guān)于奧氏體不銹鋼MIG電弧增材制造的研究中表明，試件內(nèi)部主要由δ相和γ相組成。李旭文等[10]研究激光誘導(dǎo)TIG電弧復(fù)合增材制造316不銹鋼的組織，結(jié)果表明不銹鋼墻體組織為δ鐵素體和γ奧氏體。綜上所述，316L不銹鋼試件組織主要為δ鐵素體和γ奧氏體。

不同占空比下316L不銹鋼試件的微觀組織形貌如圖3所示。

圖3　不同占空比下316L不銹鋼試件的微觀組織形貌

由圖3可知：圖3(a)有密集針狀鐵素體存在，大多呈向上的趨勢；圖3(b)出現(xiàn)柱狀樹枝晶，δ鐵素體呈骨架狀，并逐漸減少，此時(shí)奧氏體數(shù)量逐漸增加；圖3(c)奧氏體晶粒粗化并占據(jù)主導(dǎo)地位，骨架狀鐵素體連續(xù)性不佳，樹枝晶方向變得雜亂。由此可知，焊接接頭焊縫區(qū)均以柱狀樹枝晶分布為主，其組織由鐵素體和奧氏體組成，晶粒組織中有針狀鐵素體魏氏組織存在，并伴隨著母材中奧氏體晶粒的不斷增大而出現(xiàn)[11]。

因此，隨著占空比的增大，焊接熱輸入逐漸增加，焊接接頭的鐵素體含量逐漸降低，奧氏體含量增多，顯微組織變得更加分散[12]。

2.3　脈沖頻率對焊縫成形的影響

為探究脈沖頻率對焊縫成形的影響，控制占空比為50%不變，將3組不同脈沖頻率參數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，每組均進(jìn)行6次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，測量每次實(shí)驗(yàn)焊縫的熔深、熔寬和余高，計(jì)算實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值，得到焊縫的平均熔深、平均熔寬和平均余高如表6所示。熔深、熔寬和余高隨脈沖頻率的變化曲線如圖4所示。

表6　不同頻率下試件焊縫截面尺寸 單位：mm

圖4　焊縫熔深、熔寬和余高隨脈沖頻率的變化曲線

由表6和圖4可知：脈沖頻率為1 Hz時(shí)，焊縫的熔深為1.31 mm，熔寬為6.34 mm，余高為1.94 mm；脈沖頻率為5 Hz時(shí)，焊縫的熔深為2.25 mm，熔寬為8.22 mm，余高為1.75 mm，說明焊縫熔深、熔寬隨脈沖頻率的增加而增加。

不同頻率下的焊縫形貌如表7所示。

表7　不同頻率下的焊縫形貌圖

由表7可以看出：脈沖頻率為1 Hz時(shí)，焊縫整體較窄，熔深較淺，兩側(cè)帶有飛濺；脈沖頻率為3 Hz時(shí)，焊縫寬度適中，整個(gè)過程連續(xù)，有少量飛濺；脈沖頻率為5 Hz時(shí)，焊縫形貌規(guī)則、筆直，焊縫表面光亮，兩側(cè)幾乎無飛濺。由此可知，焊縫表面紋路隨脈沖頻率增加逐漸稀疏，L2魚鱗紋明顯，L4和L5魚鱗紋逐漸減少，整體變得光滑平整，焊縫總體連續(xù)性較好、均勻且無斷弧等明顯缺陷；從L2至L5，熔寬由6.34 mm增加到8.22 mm，變化幅度較大，而熔深增加幅度較為均勻，余高下降幅度較小。綜上所述，隨著脈沖頻率的增加，焊縫成形質(zhì)量越來越好。

由此可推斷，脈沖頻率增加使電弧收縮，電流密度增大，弧長增加，電弧電壓增大，導(dǎo)致焊接線能量增加，熱輸入增大，有利于母材熔化且延長熔池存在時(shí)間，使熔池向焊縫邊緣流動擴(kuò)張，熔深與熔寬也隨之增加，相對應(yīng)的余高有所降低[13]。

2.4　脈沖頻率對微觀組織形貌的影響

L2、L4和L5的微觀組織形貌如圖5所示。

圖5　不同脈沖頻率下試件的微觀組織形貌

由圖5可看出：圖5(a)δ鐵素體呈骨架狀，且大多為連續(xù)，長度較長，小尺寸奧氏體數(shù)量較少；圖5(b)二次枝晶多于一次枝晶分離，獨(dú)立成粒徑較小的枝晶；圖5(c)相比于圖5(a)顯微組織較為分散，鐵素體含量降低。

隨著脈沖頻率的增大，焊接熱輸入量增加，奧氏體晶粒也會增大，產(chǎn)生大量的粗大魏氏組織鐵素體，影響焊接接頭的力學(xué)性能[14]。

2.5　顯微硬度

不同占空比（L1、L2和L3）的焊縫橫截面洛氏硬度分布如圖6所示；不同脈沖頻率（L2、L5和L6）的焊縫橫截面洛氏硬度分布如圖7所示。將焊縫中心設(shè)為0點(diǎn)，兩邊各測2個(gè)點(diǎn)（?4，?2，2，4），分別為左側(cè)母材（BM），左側(cè)熱影響區(qū)（HAZ），焊縫中心（WM），右側(cè)熱影響區(qū)（HAZ），右側(cè)母材（BM），兩邊對稱[15]。

圖6　不同占空比的焊縫橫截面洛氏硬度分布圖

圖7　不同脈沖頻率的焊縫橫截面洛氏硬度分布圖

由圖6、圖7可知：焊縫中心位置的平均硬度最低；距離焊縫中心0～2 mm的熱影響區(qū)平均硬度最大；距離焊縫中心2～4 mm的母材區(qū)平均硬度也有所下降。

隨著占空比和脈沖頻率的增加，單脈沖周期內(nèi)峰值持續(xù)時(shí)間變長，熱輸入增加，縮短了鐵素體轉(zhuǎn)化為奧氏體的時(shí)間。因此顯微組織中奧氏體逐漸增加，鐵素體逐漸減少，晶粒組織變得相對粗大，導(dǎo)致硬度降低。焊縫中心處較母材顯微組織更加致密，硬度也更高。熱影響區(qū)兩側(cè)由于熱輸入相對較少，鐵素體等合金元素豐富，晶粒更加細(xì)密，晶粒的體積更小，因此硬度更高。

3　結(jié)論

本文探究了占空比和脈沖頻率對316L不銹鋼焊縫成形及力學(xué)性能的影響，得出占空比和脈沖頻率對焊縫成形、顯微組織以及焊縫接頭硬度的影響規(guī)律，為今后進(jìn)行不銹鋼焊接實(shí)驗(yàn)研究和工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用提供一定的參考價(jià)值。

1）隨著占空比增大，峰值電流熱循環(huán)的作用時(shí)間增加，熱輸入增大，使焊縫的熔深、熔寬增加，余高減少；奧氏體數(shù)量增多，顯微組織變得更加分散。

2）隨著脈沖頻率增加，電弧收縮，焊接線能量增加，熱輸入增大，使焊縫的熔深、熔寬增加，余高降低；奧氏體晶粒增大，產(chǎn)生了大量的粗大魏氏組織鐵素體。

3）隨著熱輸入增大，晶粒組織變得相對粗大，導(dǎo)致焊縫區(qū)硬度降低，熱影響區(qū)兩側(cè)由于熱輸入相對較少，鐵素體等合金元素豐富，晶粒更加細(xì)密，體積更小，硬度更大。

[1] 熊丹楓,林放,陳小峰,等.雙脈沖MIG焊鋁工藝參數(shù)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)[J].電焊機(jī),2010,40(9):17-21.

[2] 丁利,李懷學(xué),王玉岱,等.熱處理對激光選區(qū)熔化成形316不銹鋼組織與拉伸性能的影響[J].中國激光,2015,42(4):187- 193.

[3] 蔣成燕,馮毅,賈金龍,等.脈沖MIG焊焊接參數(shù)對焊縫成形及硬度的影響[J].機(jī)械研究與應(yīng)用,2021,34(1):8-10.

[4] 姚屏,薛家祥,蒙萬俊,等.工藝參數(shù)對鋁合金雙脈沖MIG焊焊縫成形的影響[J].焊接學(xué)報(bào),2009,30(3):69-72,117.

[5] 胡昱,薛家祥,金禮,等.雙脈沖MIG工藝參數(shù)對異種不銹鋼焊縫質(zhì)量影響分析[J].焊接學(xué)報(bào),2018,39(7):115-120,134.

[6] 胡進(jìn).316L不銹鋼MIG電弧增材制造控形工藝[D].長沙:湘潭大學(xué),2020.

[7] 彭剛,翟立宏,周建明,等.焊絲中釩對316L/T91焊縫顯微組織及力學(xué)性能的影響[J/OL].熱加工工藝,2022(1):46-49,55.

[8] 王凱博,劉玉欣,呂耀輝,等.工藝參數(shù)對脈沖等離子弧增材制造IN738LC合金組織與性能的影響[J].材料導(dǎo)報(bào),2021, 35(2):2086-2091.

[9] 陳曉暉,張述泉,冉先喆,等.電弧功率對MIG電弧增材制造316L奧氏體不銹鋼組織及力學(xué)性能的影響[J].焊接學(xué)報(bào), 2020,41(5):42-49,100.

[10] 李旭文,宋剛,張兆棟,等.激光誘導(dǎo)電弧復(fù)合增材制造316不銹鋼的組織和性能[J].中國激光,2019,46(12):101-109.

[11] 孫東升,趙來偉,張躍,等.焊接工藝參數(shù)對焊縫成形和組織性能的影響[J].熱加工工藝,2016,45(1):223-225.

[12] 劉艷色.不同焊接熱輸入量對焊縫熱影響區(qū)組織和性能的影響分析[J].機(jī)械工人,2006(5):38-40,46.

[13] 王向余.基于熱輸入控制的MIG焊增材制造方法[D].蘭州:蘭州理工大學(xué),2020.

[14] DAS C R, BHADURI A K, SRINIVASAN G, et al. Selection of filler wire for and effect of auto tempering on the mechanical properties of dissimilar metal joint between 403 and 304L(N) stainless steels[J]. Journal of Materials Proce- ssing Tech, 2009, 209(3):1428-1435.

[15] 胡昱,薛家祥,金禮,等.雙脈沖MIG工藝參數(shù)對異種不銹鋼焊縫質(zhì)量影響分析[J].焊接學(xué)報(bào),2018,39(7):115-120,134.

Research on Influence of Double Pulse MIG Welding Process Parameters on Weld Form and Properties of 316L Stainless Steel

CHEN Ye1YAO Ping1,2ZHENG Zhenxing1BIN Kun1CHEN Meiyi1

(1.Guangdong Normal University of Technology, Guangzhou 510665, China2.Guangzhou Institute of Technology, Guangzhou 510540, China)

In order to explore the influence of the process parameters of double pulse MIG welding on the weld formation and properties of 316L austenitic stainless steel, five groups of welding comparative experiments were carried out with the pulse frequency and duty ratio as independent variables and the weld penetration, weld width and reinforcement as dependent variables. The results show that using the experimental parameters for MIG welding, beautiful welds can be obtained; With the increase of pulse frequency and duty cycle, the penetration and width of weld increase, and the reinforcement decreases; Moreover, the amount of ferrite in the weld microstructure decreases, the austenite grain increases, and the grain structure becomes more dispersed and coarsened, which reduces the hardness of the welded joint. Therefore, by changing the pulse frequency and duty cycle, the weld surface forming quality can be optimized, and the weld penetration, weld width and reinforcement can be changed, which provides a certain reference value for the actual production.

double pulse MIG welding; duty cycle; pulse frequency; weld formation

陳曄,姚屏,鄭振興,等.雙脈沖MIG焊工藝參數(shù)對316L不銹鋼焊縫成形及性能影響研究[J].自動化與信息工程, 2022,43(3):1-6,14.

CHEN Ye, YAO Ping, ZHENG Zhenxing, et al. Research on influence of double pulse MIG welding process parameters on weld form and properties of 316L stainless steel[J]. Automation & Information Engineering, 2022,43(3):1-6,14.

TG 444

A

1674-2605(2022)03-0001-07

10.3969/j.issn.1674-2605.2022.03.001

國家自然科學(xué)基金（51805099）；廣東省省級科技計(jì)劃（2017B090914005）；2018年廣東省聯(lián)合培養(yǎng)研究生示范基地項(xiàng)目；廣東省研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（2017QTLXXM38）；廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（201805010001）；廣東省教育廳2020年普通高校重點(diǎn)科研項(xiàng)目（2020ZDZX2019）。

陳曄，男，1994年生，碩士研究生，主要研究方向：機(jī)器人焊接等。

姚屏（通信作者），女，1978年生，博士，教授，主要研究方向：工業(yè)機(jī)器人及智能控制等。E-mail: ypsunny@163.com