304不銹鋼的TIG焊研究

程艷艷，雷智剛

（吉林化工學院機電工程學院，吉林 吉林 132022）

近年來，不銹鋼在生產和消費上的發展趨勢都比較快[1-3]。304不銹鋼是工業中應用較多的不銹鋼牌號，產量占不銹鋼總量的三分之一。在工業、醫療等方面的應用中，304不銹鋼主要是通過焊接來實現連接的[4-6]。它具有較好的焊接性，但是對熱裂紋敏感性高，容易產生晶間腐蝕[7-9]，因此，在合適的工藝條件下才能獲得優良的焊接接頭。本研究以8 mm厚的304不銹鋼為母材進行TIG焊研究，分析了不同焊接電流條件下的焊縫組織和焊接接頭硬度分布。

1 試驗方案及設備

1.1 試驗方案

對304不銹鋼進行TIG焊試驗，母材的化學成分如表1所示。由于母材厚度為8 mm，為保證焊透，需要開坡口。為了加工方便，坡口形式為V形，坡口角度為60°，鈍邊為1.5 mm[10]。由于母材厚度較大，故需要焊接打底、填充和蓋面層3層焊縫。選用3組不同的焊接電流進行TIG焊，如表2所示。

表1 304不銹鋼的化學成分

表2 打底、填充和蓋面層的焊接電流（A）

將焊接試樣進行線切割，用砂紙粗磨試樣后，再用拋光機精磨，最后用腐蝕液將磨好的焊接接頭試樣進行腐蝕。使用金相顯微鏡觀察焊縫的組織組成，再對焊縫、熔合區和熱影響區進行硬度測量，最后進行分析，試驗的工藝流程如圖1所示。

圖1 試驗的工藝流程

1.2 試驗設備

304不銹鋼的TIG焊接試驗選用的設備為WS-315型交直流兩用氬弧焊機。選用MPC-422金相顯微鏡進行焊縫組織觀察，如圖2所示。

圖2 MPC-422金相顯微鏡

焊接試樣的焊縫、熔合區和熱影響區的硬度測量，選用HVST-1000維氏硬度計，如圖3所示。

圖3 HVST-1000維氏硬度計

2 金相和硬度分析

2.1 金相分析

對304不銹鋼母材進行金相觀察，如圖4所示，可以看出母材主要由奧氏體組成。

圖4 304不銹鋼母材的金相組織

3組不同焊接電流條件下的304不銹鋼TIG焊的打底層焊縫金相組織，如圖5所示，打底層焊縫由奧氏體+少量鐵素體組成。從圖5a、圖5b、圖5c可以看出3組焊縫的晶粒大小略有差別，這是因為3組試件打底層施焊電流都是60 A，但填充層施焊電流不同，對打底層焊縫的預熱作用有一定影響。

圖5 打底層焊縫的金相組織

3組填充層的施焊電流分別為95 A、85 A和75 A，如圖6所示為該層焊縫的金相組織。從圖中可以看出組織組成與打底層基本相同，第2組焊接電流的焊縫晶粒更細小、均勻。這是由該層的焊接電流、打底層的預熱作用以及蓋面層的后熱作用共同影響而成的。打底層的電流相同，因此，預熱作用影響基本一致。第1組填充層焊縫的焊接電流較大，且蓋面層的電流也較大，總熱量高，會使晶粒長大變粗。第3組填充層焊縫的焊接電流較小，蓋面層的電流也較小，后熱作用不明顯，晶粒也大一些。

圖6 填充層焊縫的金相組織

3組蓋面層的施焊電流分別為90 A、80 A和70 A，如圖7所示為蓋面層焊縫的金相組織。蓋面層焊縫只受到填充層的預熱作用，沒有后熱作用，組織分布均勻性較填充層差些。

圖7 蓋面層焊縫的金相組織

從圖5、圖6、圖7的打底層、填充層和蓋面層焊縫的金相組織分布來看，第2組焊接電流的焊縫晶粒更細小、均勻。

2.2 硬度分析

打底層、填充層和蓋面層焊縫的硬度值是不同的，對表面性能影響最大的是蓋面層。因此，分析不同焊接電流的蓋面層維氏硬度，如圖8所示。

圖8 蓋面層維氏硬度

如圖8所示，總體來看，焊接接頭不同區域的維氏硬度值是不一樣的，隨著距焊縫距離的增大，硬度值先增大，再減小。焊接電流不同，會引起硬度的變化，這是因為在焊接時熱的影響會造成組織變化。第2組焊接電流（打底焊60 A、填充焊85 A、蓋面焊80 A）的焊縫硬度較另兩組的焊縫硬度略高，這是因為第2組蓋面焊焊縫的晶粒更為細小。

3 結論

綜上，對不同焊接電流條件下的304不銹鋼TIG焊焊縫組織和焊接接頭硬度進行分析，得出如下結論：

1）不同焊接電流條件下的304不銹鋼TIG焊的焊縫組織均為奧氏體+鐵素體。由于電流不同，組織分布和晶粒大小略有不同。

2）第2組焊接電流（打底層60 A、填充層85 A、蓋面層80 A）條件下的焊縫晶粒更為細小，焊接接頭硬度更高，焊接質量更好。