MIG焊接304不銹鋼電弧物理現(xiàn)象-焊縫形貌組織-力學(xué)性能的相關(guān)性研究

宋文鑫，張紅霞，閆志峰，王 勇，趙偉曄

(太原理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024)

隨著工業(yè)的發(fā)展，航空航天、交通運(yùn)輸和海洋工程等行業(yè)對(duì)焊接工藝提出了更高要求，通過(guò)單一角度討論分析焊縫組織性能的研究已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需求[1-2]。RIZVI et al[3]在工作中發(fā)現(xiàn)，MIG焊縫中鐵素體主要以蠕蟲(chóng)狀形式分布在奧氏體基體上，在中等熱輸入下，焊縫晶粒結(jié)構(gòu)變細(xì)，枝晶間距更小，拉伸強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和硬度都有所提高。WICHAN et al[4]分析了焊接速度和H2含量對(duì)低鎳不銹鋼TIG焊縫微觀組織和力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著焊接速度的增加或H2含量的減少，焊接熱輸入和熔池保溫時(shí)間降低，奧氏體生長(zhǎng)受到抑制，鐵素體含量增加且晶粒細(xì)化，致使焊縫硬度和抗拉強(qiáng)度提高。RAJESH KANNAN et al[5]發(fā)現(xiàn)由于不銹鋼焊縫凝固速度較快，鐵素體到奧氏體的相變不徹底，焊縫中鐵素體的含量比母材中更多，導(dǎo)致焊縫接頭強(qiáng)度普遍高于母材。徐書(shū)峰等[6]在進(jìn)行鐵素體不銹鋼TIG焊縫組織的研究試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，焊縫組織受焊接熱輸入和散熱情況的共同影響，焊接熱輸入相同時(shí)，隨著焊接速度的增大，熔池散熱增加，焊縫中等軸晶粒比例增大。

目前，關(guān)于焊接結(jié)構(gòu)、組織及性能的相關(guān)研究，主要是從工藝參數(shù)影響熱輸入的角度出發(fā)，分析熔池保溫時(shí)間和冷卻速度的變化，最終落腳于探究焊接接頭微觀組織及性能的演變機(jī)制[7-8]。因此，從新的視角探索焊接接頭微觀組織及性能演變機(jī)制的研究對(duì)于保證焊接質(zhì)量、提高焊接效率的綜合研究有很重要的拓展意義。

近年來(lái)，隨著表征技術(shù)的發(fā)展，許多學(xué)者運(yùn)用高速攝像技術(shù)對(duì)焊接過(guò)程中的電弧穩(wěn)定性和熔滴過(guò)渡現(xiàn)象進(jìn)行了分析，從焊接電弧物理現(xiàn)象的角度研究了熔池?zé)岱植技叭刍瘷C(jī)制變化，進(jìn)而解釋焊縫宏觀成形的差異[9-11]。ZONG et al[12]分析了TIG-MIG復(fù)合焊接中電極相對(duì)位置對(duì)焊縫成形的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)鎢極后置時(shí)產(chǎn)生的正向弧力和熔滴沖擊力可以顯著抑制熔池回流，使熔池有更多的時(shí)間橫向擴(kuò)展以抑制咬邊缺陷。LU et al[13]研究了CO2保護(hù)氣體添加量對(duì)TIG焊縫形狀的影響，發(fā)現(xiàn)向Ar中加入少量CO2會(huì)增加焊縫金屬的含氧量，使得熔池中Marangoni對(duì)流改變，影響熔池形狀，當(dāng)含氧量超過(guò)臨界值時(shí)，熔池中會(huì)出現(xiàn)向內(nèi)的Marangoni對(duì)流，形成窄而深的焊縫。目前，電弧物理分析技術(shù)在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用大多還停留在焊縫的宏觀層面，因此，借助焊接電弧物理理論進(jìn)一步深入探究焊接工藝參數(shù)對(duì)接頭組織和性能的影響，建立電弧物理現(xiàn)象-焊縫組織-性能的相關(guān)性機(jī)制，可以為焊接組織性能的研究提供一個(gè)分析的新視角。

本文提出利用高速攝像分析不同電壓下SUS304不銹鋼MIG焊接電弧穩(wěn)定性與熔滴過(guò)渡現(xiàn)象，討論電弧物理現(xiàn)象對(duì)熔池?zé)岱植嫉挠绊?，進(jìn)一步分析焊縫中鐵素體和奧氏體形態(tài)、分布的變化，從而建立電弧電壓-電弧物理現(xiàn)象-焊縫形貌/組織演變-接頭力學(xué)性能之間的聯(lián)系。

1 試驗(yàn)材料和方法

選用75 mm×25 mm×4 mm的SUS304不銹鋼板和Φ1.2 mm的ER307Mo焊絲，其化學(xué)成分如表1所示。MIG焊接之前，使用400#金相砂紙打磨板材去除表面氧化物，然后用丙酮試劑清洗消除表面污物。

表1 母材及焊絲化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of base metal and welding wire w/%

使用松下YD-500GL焊機(jī)進(jìn)行MIG焊接試驗(yàn)，電源極性為直流反接。焊接時(shí)焊槍固定在隨小車(chē)移動(dòng)的工作臺(tái)上，工作臺(tái)配有可以上下運(yùn)動(dòng)和角運(yùn)動(dòng)的附件，可調(diào)節(jié)噴嘴到工件的距離和焊槍角度。通過(guò)L9(33)田口正交試驗(yàn)優(yōu)化焊接工藝參數(shù)(電弧電壓、焊接電流、焊接速度)，為方便研究電弧物理現(xiàn)象差異，建立其與組織性能的聯(lián)系，選擇焊接參數(shù)如表2所示。

表2 焊接工藝參數(shù)Table 2 Welding process parameters

使用CR3000×2高速相機(jī)系統(tǒng)記錄焊接過(guò)程中的電弧挺度、焊絲熔化和熔滴過(guò)渡行為，探究電壓參數(shù)變化對(duì)焊接電弧和熔滴過(guò)渡的影響，進(jìn)而分析焊接熔池?zé)岱植技昂附z、工件的熔化機(jī)制。

對(duì)焊接接頭進(jìn)行了金相分析，采用標(biāo)準(zhǔn)金相技術(shù)制樣和拋光，使用浸蝕劑(10 g FeCl3、30 mL HCl和120 mL H2O)蝕刻。焊接接頭的微觀組織使用SDPTOP金相顯微鏡進(jìn)行觀察。

拉伸試驗(yàn)在DNS100電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加載速度為1 mm/min.試驗(yàn)樣品按照?qǐng)D1所示尺寸進(jìn)行加工，機(jī)加工銑去焊縫正面及背面余高、咬邊以及未焊透缺陷，以避免接頭缺陷、幾何因素等對(duì)性能的影響。每個(gè)拉伸試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值。使用Gemini SEM 300電子掃描顯微鏡對(duì)焊接接頭的拉伸斷口進(jìn)行分析。

圖1 拉伸試樣尺寸Fig.1 Dimensions of tensile specimen

2 結(jié)果分析

2.1 焊縫宏觀形貌

圖2為不同電弧電壓參數(shù)下得到的MIG接頭的宏觀形貌。由圖可見(jiàn)，電弧電壓變化對(duì)接頭結(jié)構(gòu)尺寸有著明顯的影響：隨著電壓的增加，焊縫熔寬增加、余高降低，24.6 V時(shí)熔深減小。焊縫形貌也隨之變化：電弧電壓為16.6 V時(shí)，焊縫出現(xiàn)咬邊缺陷，表面形成凹坑，背面可以完全焊透；電弧電壓增大為20.6 V時(shí)，焊縫成形較好，表面光滑，輪廓平整；當(dāng)電弧電壓進(jìn)一步增加至24.6 V時(shí)，焊縫表面粗糙，出現(xiàn)不均勻的魚(yú)鱗狀條紋，焊縫背面未焊透。

(a) 16.6 V；(b) 20.6 V；(c) 24.6 V圖2 不同電壓下接頭宏觀形貌Fig.2 Macromorphology of welded joints under different voltages

2.2 熔池凝固模式

焊縫微觀組織主要取決于熔池凝固模式，而熔池凝固模式依賴(lài)于母材和焊絲的化學(xué)成分。對(duì)焊縫(WZ)、熱影響區(qū)(HAZ)中心位置的合金元素含量進(jìn)行EDS面掃測(cè)試，結(jié)果如表3所示。根據(jù)Fe-Cr-Ni平衡相圖及鉻鎳當(dāng)量計(jì)算公式[14]：

w(Cr)eq=w(Cr)+w(Mo)+0.7w(Nb) .

(1)

w(Ni)eq=w(Ni)+35w(C)+20w(N)+
0.25w(Cu) .

(2)

計(jì)算得到母材、焊絲和焊縫金屬的w(Cr)eq、w(Ni)eq及w(Cr)eq/w(Ni)eq結(jié)果，如表4所示，w(Cr)eq/w(Ni)eq=1.60～1.72，說(shuō)明焊縫凝固行為符合F-A模式(1.48

表3 MIG焊接頭的EDS成分分析結(jié)果Table 3 EDS composition analysis results of MIG welded joints w/%

表4 MIG接頭的w(Cr)eq、w(Ni)eq及w(Cr)eq/w(Ni)eq值Table 4 w(Cr)eq, w(Ni)eq, and w(Cr)eq/w(Ni)eq values of MIG welded joints

2.3 焊接接頭微觀組織

圖3為不同電壓下WZ、HAZ微觀組織金相顯微圖片。從圖中可以看出，電壓參數(shù)的變化，對(duì)WZ晶粒尺寸影響較小，但對(duì)組織形態(tài)和分布有明顯的影響。當(dāng)電壓為20.6 V時(shí)，WZ中心處柱狀晶生長(zhǎng)受到抑制，出現(xiàn)較多等軸晶粒；而電壓減小或增大，如電壓為16.6 V和24.6 V時(shí)，WZ中柱狀晶生長(zhǎng)趨勢(shì)明顯。這是因?yàn)?，?dāng)電壓減小時(shí)，電弧縮短，熱量集中，熔池較窄，結(jié)晶從熔合線開(kāi)始，很快以柱狀晶的形態(tài)向焊縫中心發(fā)展；當(dāng)電壓增大時(shí)，熱輸入增大，熔池過(guò)熱且溫度梯度增加，有利于WZ中柱狀晶生長(zhǎng)。

(a) 16.6 V；(b) 20.6 V；(c) 24.6 V圖3 不同電弧電壓下WZ和HAZ微觀組織Fig.3 Microstructure of WZ and HAZ at different arc voltages

在不同電壓參數(shù)下，焊縫金屬中都明顯觀察到了兩種鐵素體的存在(片狀鐵素體和蠕蟲(chóng)狀鐵素體)，如圖3所示。16.6 V與24.6 V電壓時(shí)焊縫中片狀鐵素體數(shù)量明顯比20.6 V時(shí)更多，其中電壓為24.6 V時(shí)片狀鐵素體主要集中在焊縫下層。

HAZ在焊接過(guò)程中受到焊接熱循環(huán)作用，形成了界限分明的兩個(gè)區(qū)域，為了便于討論，將該區(qū)進(jìn)一步分為兩個(gè)亞區(qū)：臨近WZ的HAZ記為HAZ1；臨近BM的HAZ記為HAZ2.HAZ1受焊接熱循環(huán)嚴(yán)重，組織過(guò)熱，發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶，原始BM中的纖維狀組織消失，取而代之的是粗大的不規(guī)則樹(shù)枝晶；在焊接過(guò)程中HAZ2經(jīng)歷的循環(huán)溫度較低，對(duì)組織產(chǎn)生正火細(xì)晶效果，仍保留著類(lèi)似于BM的纖維狀組織特征。隨著電壓參數(shù)的增加，焊接熱輸入增加，HAZ組織及區(qū)域顯著增大，枝晶組織更加明顯。

2.4 拉伸性能

表5為不同電壓下焊接接頭的拉伸試驗(yàn)結(jié)果。電弧電壓為16.6 V時(shí)，接頭的抗拉強(qiáng)度為535.07 MPa，延伸率為37.37%；電弧電壓為20.6 V時(shí)，接頭強(qiáng)度為619.69 MPa，延伸率為49.66%；電壓增加至24.6 V，接頭的抗拉強(qiáng)度為552.05 MPa，延伸率為38.87%，強(qiáng)塑性均低于母材。由此可以發(fā)現(xiàn)，隨著電壓增加，焊接接頭的強(qiáng)度和塑性呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)。

表5 不同電壓下MIG接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Tensile test results of MIG joints under different voltages

不同電壓下焊接接頭的拉伸斷口如圖4所示。由圖可以發(fā)現(xiàn)，20.6 V電壓下接頭的拉伸斷口斷面收縮率較大，斷口中存在大量韌窩，具有明顯的宏觀塑性變形特征；16.6 V和24.6 V電壓下焊接接頭的拉伸斷口比較平齊，16.6 V電壓下斷口內(nèi)小尺寸韌窩數(shù)量較多，電壓為24.6 V時(shí)的斷口則呈現(xiàn)出一定的沿晶斷裂特征，焊縫都出現(xiàn)了一定的塑性損失。

(a) 16.6 V；(b) 20.6 V；(c) 24.6 V圖4 不同電壓下拉伸斷口SEM形貌Fig.4 SEM morphology of tensile fracture under different voltages

3 討論

圖5為不同電弧電壓測(cè)得的MIG電弧特征及熔滴過(guò)渡結(jié)果。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著電弧電壓的增加，一方面，電弧變長(zhǎng)，熔滴生長(zhǎng)空間和直徑變大，燃弧時(shí)間隨之增加，從而熔滴過(guò)渡頻率降低、過(guò)渡連續(xù)性減弱；另一方面，作用在熔滴底部的電弧力(斑點(diǎn)壓力)增大，推動(dòng)熔滴在焊絲端部劇烈晃動(dòng)，阻礙熔滴過(guò)渡，使焊接過(guò)程中產(chǎn)生更多的飛濺，焊接穩(wěn)定性變差。聯(lián)系文中第2部分內(nèi)容可以發(fā)現(xiàn)，焊縫組織形貌與熔滴過(guò)渡的穩(wěn)定性、連續(xù)性相關(guān)。

當(dāng)電弧電壓為20.6 V時(shí)，焊絲與熔池之間的電弧長(zhǎng)度適當(dāng)，能量分布均勻，焊縫可以實(shí)現(xiàn)全焊透。

(a) 16.6 V；(b) 20.6 V；(c) 24.6 V圖5 不同電壓下MIG電弧物理現(xiàn)象Fig.5 MIG arc physical phenomena under different voltages

熔滴過(guò)渡平滑穩(wěn)定，熔池流動(dòng)性較好，產(chǎn)生良好的橋接效果，使得焊縫成形良好、表面平整連續(xù)，如圖2(b).對(duì)于接頭微觀組織而言，此時(shí)電弧熱分布均勻，短路過(guò)渡連續(xù)穩(wěn)定，焊后焊縫保溫時(shí)間長(zhǎng)，固態(tài)相變時(shí)元素?cái)U(kuò)散充分，部分粗大鐵素體枝晶未被完全消耗以蠕蟲(chóng)狀形式殘留于焊縫中，如圖3(b).

電弧電壓減小為16.6 V時(shí)，焊絲與熔池之間的電弧變窄、變短，能量集中于熔池中心，有利于增大熔深，容易實(shí)現(xiàn)全焊透，但也會(huì)導(dǎo)致熱量傳導(dǎo)范圍受限，出現(xiàn)咬邊缺陷。而熔滴生長(zhǎng)尺寸受限，小熔滴熱量少，過(guò)渡后冷卻快，熔池流動(dòng)性差，導(dǎo)致焊縫表面不夠光滑，出現(xiàn)凹槽，如圖2(a).對(duì)于接頭微觀組織而言，由于小熔滴攜帶熱量較少，進(jìn)入熔池?zé)崃垦a(bǔ)充不及時(shí)，固態(tài)相變時(shí)間變短，元素?cái)U(kuò)散受到抑制，部分殘余鐵素體以橫切奧氏體晶粒的形式長(zhǎng)大，最終形成一定數(shù)量的片狀鐵素體，如圖3(a).

電弧電壓增加至24.6 V時(shí)，焊接電弧過(guò)長(zhǎng)，電弧發(fā)散、挺度下降，作用于熔池的電弧穿透力減弱，導(dǎo)致焊縫背部未焊透。受較大斑點(diǎn)壓力作用，粗大熔滴在焊絲端部晃動(dòng)，使得熔滴過(guò)渡很慢且不穩(wěn)定，熔池流動(dòng)性變低，導(dǎo)致焊縫表面非常粗糙，出現(xiàn)不規(guī)則魚(yú)鱗紋，焊縫質(zhì)量下降，如圖2(c).此時(shí)，發(fā)散的電弧難以作用于熔池底部，熱量難以傳遞到焊縫底部，焊縫下層固態(tài)相變時(shí)間短，殘余鐵素體以橫切奧氏體晶粒的形式長(zhǎng)大，形成片狀鐵素體；當(dāng)大顆粒熔滴進(jìn)入熔池后，熱量堆積在熔池上層，上層焊縫固態(tài)相變時(shí)元素?cái)U(kuò)散更充分，鐵素體以蠕蟲(chóng)狀形式保留下來(lái)，如圖3(c).

焊接接頭的力學(xué)性能主要取決于焊縫形貌與微觀組織。從宏觀形貌來(lái)看，當(dāng)電壓為16.6 V時(shí)，由于小電壓下電弧熱量分布窄，熔池流動(dòng)性弱，出現(xiàn)咬邊缺陷；電弧電壓增加至24.6 V時(shí)，電弧能量發(fā)散，對(duì)熔池的穿透力減弱，焊縫底部出現(xiàn)未焊透缺陷，熔滴過(guò)渡連續(xù)性和穩(wěn)定性變差，焊縫表面粗糙，內(nèi)部致密性低。從微觀組織來(lái)看，16.6 V和24.6 V電壓下焊縫中片狀鐵素體數(shù)量增多，而片狀鐵素體相比于蠕蟲(chóng)狀鐵素體脆性更大，因此接頭強(qiáng)度塑性均下降，如表4所示。

4 結(jié)論

1) 電弧電壓為20.6 V時(shí)，電弧長(zhǎng)度適當(dāng)，熔滴過(guò)渡平滑，熔池流動(dòng)性較好，焊縫尺寸穩(wěn)定、表面平整連續(xù)，該電壓下電弧熱量分布均勻，熔池保溫時(shí)間長(zhǎng)，固態(tài)相變時(shí)元素?cái)U(kuò)散更充分，鐵素體以蠕蟲(chóng)狀形式殘留于焊縫中。最終的焊接接頭力學(xué)性能較好，抗拉強(qiáng)度為619.69 MPa，延伸率為49.66%，是理想的短路過(guò)渡狀態(tài)。

2) 電弧電壓為16.6 V時(shí)，電弧熱量傳導(dǎo)范圍有限，焊縫上表面出現(xiàn)咬邊缺陷和凹槽，其抗拉強(qiáng)度為535.07 MPa；焊縫中殘余鐵素體以橫切奧氏體晶粒的形式長(zhǎng)大，最終形成一定數(shù)量的片狀鐵素體，使得接頭塑性下降，其延伸率為37.37%.

3) 電弧電壓為24.6 V時(shí)，熔滴過(guò)渡穩(wěn)定性和連續(xù)性下降，焊縫表面出現(xiàn)不規(guī)則魚(yú)鱗紋，內(nèi)部致密度差，其抗拉強(qiáng)度為552.05 MPa.下層焊縫組織相變時(shí)，元素?cái)U(kuò)散受到抑制，形成較多片狀鐵素體，使得接頭塑性下降，其延伸率為38.87%.