超聲輔助堆焊304不銹鋼的工藝優(yōu)化

李 飛，陳建軍，于 巍，王立苗，高偉龍， 王光偉

（1.山西柴油機(jī)工業(yè)有限責(zé)任公司，山西 大同 037036；2.北方工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，石家莊 050011）

0 前 言

304（Cr-Ni系）不銹鋼是奧氏體不銹鋼，該材料不僅具有耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，而且在低溫條件下也能保持良好的塑性，因此在化學(xué)工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、食品及石油化工等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[1-4]。

超聲輔助焊接是近些年來(lái)發(fā)展的一種新技術(shù)，通過(guò)在電弧焊接過(guò)程中引入超聲波，可以有效改善電弧形態(tài)、熔滴過(guò)渡以及焊縫組織，最終提高焊接接頭的力學(xué)性能[5-11]。陳超等[12]將超聲波與焊槍同軸復(fù)合，在焊接過(guò)程中超聲發(fā)射端發(fā)射超聲波，超聲波作用于電弧及熔滴，進(jìn)而傳播到熔池內(nèi)部，改善焊接效果。陳琪昊等[13-14]利用超聲工具頭將超聲波施加在焊接的母材上，超聲波通過(guò)母材傳入熔池內(nèi)，從而改善鋁合金焊接接頭的焊縫成形和力學(xué)性能。劉賢寶等[15]利用超聲輔助技術(shù)進(jìn)行堆焊，使焊接接頭的晶粒細(xì)化，并抑制了熱裂紋的產(chǎn)生。

超聲輔助焊接工藝在一定程度上提高了焊接接頭的成形質(zhì)量和力學(xué)性能。但如果焊接參數(shù)不匹配，則無(wú)法保證焊接接頭的質(zhì)量，甚至?xí)档徒宇^性能。因此，選擇合適的焊接參數(shù)具有重要意義。蘇允海等[16]使用正交試驗(yàn)的方法得到高強(qiáng)鋼振動(dòng)焊接的最佳工藝參數(shù)。白巖等[17]利用正交試驗(yàn)的方法研究等離子-MIG 焊工藝參數(shù)對(duì)鋁合金焊縫氣孔率的影響。正交試驗(yàn)是一種用于多因素試驗(yàn)的方法[18]，是一種從全面試驗(yàn)中挑選出最具代表性的樣本進(jìn)行試驗(yàn)，效率高且應(yīng)用廣泛。

本研究通過(guò)分析與理論相結(jié)合的方法，研究了焊接電流、焊接速度和超聲功率對(duì)焊接接頭成形系數(shù)和平均顯微硬度的影響，并利用正交試驗(yàn)法進(jìn)行分析，得到合適的焊接參數(shù)，最后采用EBSD技術(shù)分析了超聲對(duì)焊接接頭顯微組織的影響。

1 試驗(yàn)方法及試驗(yàn)材料

試驗(yàn)主要由自主設(shè)計(jì)的超聲輔助焊接設(shè)備完成，超聲輔助焊接設(shè)備主要由三維柔性滑臺(tái)、CMT焊機(jī)和超聲波設(shè)備三部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。超聲輔助焊接的原理為：超聲設(shè)備與工件接觸，工件固定在三維柔性滑臺(tái)上，焊接時(shí)焊槍固定不動(dòng)，滑臺(tái)勻速直線行走，超聲能量通過(guò)母材傳遞到熔池內(nèi)，影響熔池流動(dòng)與凝固，最終影響焊縫宏觀形貌、顯微組織和力學(xué)性能。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備示意圖

試驗(yàn)采用300 mm×300 mm×3 mm 規(guī)格的304不銹鋼板作為基板，使用直徑1.2 mm、牌號(hào)為ER308的不銹鋼焊絲進(jìn)行堆焊試驗(yàn)，焊前對(duì)不銹鋼基板進(jìn)行打磨。基板和焊絲成分見(jiàn)表1。試驗(yàn)選用CMT焊接工藝，焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表2。焊后對(duì)焊件進(jìn)行加工處理。采用維氏硬度計(jì)測(cè)量焊縫組織的硬度，利用體式顯微鏡和掃描電鏡觀察焊接接頭形貌和顯微組織。

表1 304不銹鋼及ER308焊絲的化學(xué)成分

表2 CMT焊接工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 建立正交試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

焊接參數(shù)包括焊接工藝參數(shù)和超聲參數(shù)，焊接工藝參數(shù)主要包括焊接電流和焊接速度，超聲參數(shù)為超聲功率。采用焊接電流、焊接速度和超聲功率三個(gè)參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)，每個(gè)參數(shù)選取3 個(gè)水平。根據(jù)正交表選擇L9（34），試驗(yàn)總數(shù)為9。其中焊接電流為120～160 A，變化幅度為20 A；焊接速度為6～8 mm/s，變化幅度為1 mm/s；超聲功率為600～1 800 W，變化幅度為600 W。具體試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 正交試驗(yàn)參數(shù)

2.2 基于焊縫成形系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果分析

利用體式顯微鏡觀察焊接接頭，焊接接頭形貌如圖2 所示。焊接接頭測(cè)量示意圖如圖3所示，根據(jù)圖3 測(cè)量熔深H、熔寬B，將測(cè)量結(jié)果代入公式（1）計(jì)算得到不同參數(shù)下的焊縫成形系數(shù)φ。

圖2 不同試樣的焊接接頭形貌

圖3 焊接接頭測(cè)量示意圖

將成形系數(shù)φ代入到正交表中進(jìn)行計(jì)算，得到焊縫成形系數(shù)的正交因素指標(biāo)，根據(jù)得到的數(shù)據(jù)繪制不同參數(shù)與焊縫成形系數(shù)的變化曲線，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同參數(shù)與焊縫成形系數(shù)的變化曲線

由圖4（a）可知，隨著超聲功率的增大，焊縫成形系數(shù)先增大后減小，當(dāng)超聲功率達(dá)到1 200 W 時(shí)，焊縫成形系數(shù)最大。圖4（b）中焊縫成形系數(shù)具有相同的變化規(guī)律，且隨著焊接速度增加，焊縫成形系數(shù)也逐漸增大，當(dāng)焊接速度為7 mm/s 時(shí)，焊縫成形系數(shù)最大，之后隨著焊接速度的增大，焊縫成形系數(shù)逐漸減小。圖4（c）顯示了焊接電流與焊縫成形系數(shù)的關(guān)系，相比超聲功率和焊接速度對(duì)焊縫成形系數(shù)的影響，焊接電流對(duì)焊縫成形系數(shù)影響較小。從圖4（c）中可見(jiàn)，隨著焊接電流的增大，焊縫成形系數(shù)略微增大，當(dāng)焊接電流為140 A 時(shí)，焊縫成形系數(shù)達(dá)到最大，接著隨著電流的增加，焊縫成形系數(shù)略微下降。由此可知，超聲輔助焊接的最佳工藝參數(shù)為：超聲功率為1 200 W，焊接速度為7 mm/s，焊接電流為140 A。

為了進(jìn)一步提高正交試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，探究影響焊縫成形系數(shù)的主要工藝參數(shù)情況，對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了方差分析，方差分析結(jié)果見(jiàn)表4。從表4 方差分析結(jié)果可以看出，焊接速度的F 比大于F 臨界值，而超聲功率和焊接電流的F 比小于F 臨界值。由此可見(jiàn)，相比焊接電流和超聲功率，焊接速度對(duì)焊縫成形系數(shù)的影響顯著。

表4 焊縫成形系數(shù)正交試驗(yàn)方差分析結(jié)果

2.3 焊縫中心區(qū)域顯微硬度測(cè)量及結(jié)果分析

利用維氏硬度計(jì)對(duì)焊縫中心區(qū)域硬度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量位置如圖5所示，其中加載載荷為200 g，加載時(shí)間為15 s。計(jì)算每個(gè)試樣的平均顯微硬度，將得到的數(shù)據(jù)帶入到正交表中進(jìn)行計(jì)算，得到平均顯微硬度的正交因素指標(biāo)，根據(jù)得到的數(shù)據(jù)繪制不同參數(shù)與焊縫中心區(qū)域平均顯微硬度的關(guān)系曲線，結(jié)果如圖6所示。

圖5 硬度測(cè)量位置

圖6 不同參數(shù)與焊縫中心區(qū)域平均顯微硬度的變化關(guān)系

由圖6（a）可知，焊縫中心區(qū)域平均顯微硬度隨著超聲功率的增大而增大，當(dāng)超聲功率達(dá)到最大值1 800 W 時(shí)，焊縫中心區(qū)域的平均顯微硬度達(dá)到最大，其值為236HV0.2。圖6（b）顯示焊接速度對(duì)焊縫中心區(qū)域的平均顯微硬度影響較大，當(dāng)焊接速度為7 mm/s 時(shí)，平均顯微硬度最大。從圖6（c）可以觀察到，隨著焊接電流的增加，焊縫中心區(qū)域的平均顯微硬度呈下降趨勢(shì)，當(dāng)焊接電流達(dá)到最小值120 A時(shí)，焊縫中心區(qū)域的平均顯微硬度最大，為225HV0.2。綜上所述，獲取最佳焊縫中心區(qū)域平均顯微硬度的超聲輔助焊接參數(shù)為：超聲功率1 800 W，焊接速度7 mm/s，焊接電流120 A。

焊縫中心區(qū)域的平均顯微硬度的方差分析結(jié)果見(jiàn)表5。從表5可以看出，超聲功率F比大于F臨界值，而焊接速度和焊接電流的F 比小于F 臨界值，由此可知，超聲功率對(duì)焊縫中心區(qū)域平均顯微硬度影響顯著。

表5 焊縫中心區(qū)域的平均顯微硬度的方差分析結(jié)果

通過(guò)試驗(yàn)可以得到，影響焊縫成形系數(shù)和焊縫中心區(qū)域的平均顯微硬度的工藝參數(shù)各不相同。其中顯著影響焊縫成形系數(shù)的為焊接速度，對(duì)焊縫中心區(qū)域平均顯微硬度影響較大的為超聲功率。

在堆焊試驗(yàn)中，獲取良好的焊縫成形系數(shù)和力學(xué)性能是堆焊試驗(yàn)的主要目的。在焊縫成形系數(shù)因素中，焊接速度是影響焊縫成形系數(shù)的顯著因素，當(dāng)焊接速度為7 mm/s時(shí)，焊縫成形系數(shù)最大。此外，超聲功率是影響平均顯微硬度的顯著因素，當(dāng)超聲功率為1 800 W 時(shí)，焊縫中心區(qū)域的平均顯微硬度最高。最后對(duì)焊接電流進(jìn)行分析，焊接電流對(duì)于焊縫成形系數(shù)和平均顯微硬度均不是顯著因素，而在堆焊試驗(yàn)中，焊縫成形系數(shù)對(duì)焊縫的影響更為重要，擁有良好的焊縫成型系數(shù)，可以獲得性能優(yōu)良的焊縫，且不會(huì)出現(xiàn)未焊透、未熔化等問(wèn)題。通過(guò)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)焊接電流為120 A時(shí)，焊縫成形系數(shù)略低于焊接電流為140 A時(shí)的焊縫成形系數(shù)。綜上所述，在超聲輔助堆焊308不銹鋼過(guò)程中，最優(yōu)的焊接工藝參數(shù)為：超聲功率為1 800 W，焊接速度為7 mm/s，焊接電流為140 A。此時(shí)的焊縫成形系數(shù)為4.2，平均顯微硬度為223.5HV0.2。

2.4 超聲輔助焊接的顯微組織分析

結(jié)合已經(jīng)獲取的最佳焊接工藝參數(shù)，通過(guò)顯微組織分析探究超聲波對(duì)顯微組織的影響。通常情況下，結(jié)晶首先沿散熱方向生長(zhǎng)，焊縫處形成了伸向熔池中心的柱狀晶，焊縫熔池結(jié)晶示意圖如圖7所示。

圖7 未施加超聲的焊縫熔池結(jié)晶示意圖

未施加超聲的焊縫組織如圖8所示，其焊縫組織與圖7 接近，此時(shí)焊接電流為140 A，焊接速度為7 mm/s，超聲功率為0 W。

圖8 未施加超聲的焊縫顯微組織及晶粒尺寸分布

由圖8（a）、圖8（b）可知，未施加超聲時(shí)，焊接接頭由粗大柱狀晶組成，柱狀晶從焊縫邊緣向焊縫中心擴(kuò)展，焊縫晶粒的主要生長(zhǎng)方向?yàn)?001>，其取向強(qiáng)度為4.13。焊接接頭的晶粒尺寸如圖8（c）所示，可以看到焊縫區(qū)晶粒尺寸明顯大于其他區(qū)域，最大晶粒尺寸小于600 μm，尺寸超過(guò)400 μm的焊縫晶粒約占總晶粒的16%；尺寸在200～400 μm 的焊縫晶粒約占總晶粒的27%；尺寸在100～200 μm 的焊縫晶粒約占總晶粒的24.1%。

超聲功率為1 800 W 時(shí)焊接接頭組織形貌及晶粒尺寸分布如圖9所示，由圖9（a）可知，焊縫的顯微組織由柱狀晶和等軸晶組成，從圖9（b）可以看到焊縫晶粒的主要生長(zhǎng)方向?yàn)?001>，其取向強(qiáng)度為1.96。圖9（c）為焊接接頭晶粒尺寸分布圖，可以看出，超過(guò)400 μm 的焊縫晶粒約占總晶粒數(shù)的18%；尺寸為200～400 μm 的焊縫晶粒約占總晶粒數(shù)的42%；尺寸在100～200 μm的焊縫晶粒約占總晶粒數(shù)的17%，造成這種現(xiàn)象的主要因素是超聲的施加帶來(lái)的振動(dòng)。

圖9 超聲功率1 800 W時(shí)焊接接頭組織形貌及晶粒尺寸分布

施加超聲后焊縫晶粒的生長(zhǎng)過(guò)程如圖10 所示。從圖10 可以看出，隨著超聲振動(dòng)的應(yīng)用，熔池的流動(dòng)性增加，超聲空化程度加強(qiáng)，一些柱狀晶被破壞，被破壞的柱狀晶將作為新的形核點(diǎn)，這些形核點(diǎn)會(huì)形成新的柱狀晶和等軸晶，它們與原來(lái)的柱狀晶生長(zhǎng)方向相同且分布于柱狀晶之間。因此，焊縫中的等軸晶粒數(shù)量增加，焊縫區(qū)域的晶粒尺寸減小，焊縫處的晶粒得到細(xì)化。

圖10 施加超聲后焊縫晶粒的生長(zhǎng)過(guò)程

3 結(jié) 論

（1）采用正交試驗(yàn)對(duì)超聲輔助304 不銹鋼堆焊焊縫進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，得到最佳焊接工藝參數(shù)為：焊接速度7 mm/s、焊接電流140 A、超聲功率1 800 W，此時(shí)焊縫成形系數(shù)為4.2，平均顯微硬度為223.5HV0.2。

（2）焊接過(guò)程中施加超聲后焊縫區(qū)域組織得到明顯的改善，焊縫區(qū)域粗大的柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶，且等軸晶粒數(shù)量增加，焊縫區(qū)域的晶粒尺寸減小，焊縫區(qū)域晶粒明顯細(xì)化。