MIG焊接304不銹鋼電弧物理現象-焊縫形貌組織-力學性能的相關性研究

宋文鑫，張紅霞，閆志峰，王 勇，趙偉曄

(太原理工大學 材料科學與工程學院，太原 030024)

隨著工業的發展，航空航天、交通運輸和海洋工程等行業對焊接工藝提出了更高要求，通過單一角度討論分析焊縫組織性能的研究已經難以滿足現代工業發展的需求[1-2]。RIZVI et al[3]在工作中發現，MIG焊縫中鐵素體主要以蠕蟲狀形式分布在奧氏體基體上，在中等熱輸入下，焊縫晶粒結構變細，枝晶間距更小，拉伸強度、伸長率和硬度都有所提高。WICHAN et al[4]分析了焊接速度和H2含量對低鎳不銹鋼TIG焊縫微觀組織和力學性能的影響，發現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間降低，奧氏體生長受到抑制，鐵素體含量增加且晶粒細化，致使焊縫硬度和抗拉強度提高。RAJESH KANNAN et al[5]發現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，導致焊縫接頭強度普遍高于母材。徐書峰等[6]在進行鐵素體不銹鋼TIG焊縫組織的研究試驗時發現，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，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，關于焊接結構、組織及性能的相關研究，主要是從工藝參數影響熱輸入的角度出發，分析熔池保溫時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制的研究對于保證焊接質量、提高焊接效率的綜合研究有很重要的拓展意義。

近年來，隨著表征技術的發展，許多學者運用高速攝像技術對焊接過程中的電弧穩定性和熔滴過渡現象進行了分析，從焊接電弧物理現象的角度研究了熔池熱分布及熔化機制變化，進而解釋焊縫宏觀成形的差異[9-11]。ZONG et al[12]分析了TIG-MIG復合焊接中電極相對位置對焊縫成形的影響，發現當鎢極后置時產生的正向弧力和熔滴沖擊力可以顯著抑制熔池回流，使熔池有更多的時間橫向擴展以抑制咬邊缺陷。LU et al[13]研究了CO2保護氣體添加量對TIG焊縫形狀的影響，發現向Ar中加入少量CO2會增加焊縫金屬的含氧量，使得熔池中Marangoni對流改變，影響熔池形狀，當含氧量超過臨界值時，熔池中會出現向內的Marangoni對流，形成窄而深的焊縫。目前，電弧物理分析技術在焊接領域的應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一步深入探究焊接工藝參數對接頭組織和性能的影響，建立電弧物理現象-焊縫組織-性能的相關性機制，可以為焊接組織性能的研究提供一個分析的新視角。

本文提出利用高速攝像分析不同電壓下SUS304不銹鋼MIG焊接電弧穩定性與熔滴過渡現象，討論電弧物理現象對熔池熱分布的影響，進一步分析焊縫中鐵素體和奧氏體形態、分布的變化，從而建立電弧電壓-電弧物理現象-焊縫形貌/組織演變-接頭力學性能之間的聯系。

1 試驗材料和方法

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

使用松下YD-500GL焊機進行MIG焊接試驗，電源極性為直流反接。焊接時焊槍固定在隨小車移動的工作臺上，工作臺配有可以上下運動和角運動的附件，可調節噴嘴到工件的距離和焊槍角度。通過L9(33)田口正交試驗優化焊接工藝參數(電弧電壓、焊接電流、焊接速度)，為方便研究電弧物理現象差異，建立其與組織性能的聯系，選擇焊接參數如表2所示。

表2 焊接工藝參數Table 2 Welding process parameters

使用CR3000×2高速相機系統記錄焊接過程中的電弧挺度、焊絲熔化和熔滴過渡行為，探究電壓參數變化對焊接電弧和熔滴過渡的影響，進而分析焊接熔池熱分布及焊絲、工件的熔化機制。

對焊接接頭進行了金相分析，采用標準金相技術制樣和拋光，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金相顯微鏡進行觀察。

拉伸試驗在DNS100電子萬能試驗機上進行，加載速度為1 mm/min.試驗樣品按照圖1所示尺寸進行加工，機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、幾何因素等對性能的影響。每個拉伸試驗重復3次，取平均值。使用Gemini SEM 300電子掃描顯微鏡對焊接接頭的拉伸斷口進行分析。

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

2 結果分析

2.1 焊縫宏觀形貌

圖2為不同電弧電壓參數下得到的MIG接頭的宏觀形貌。由圖可見，電弧電壓變化對接頭結構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時熔深減小。焊縫形貌也隨之變化：電弧電壓為16.6 V時，焊縫出現咬邊缺陷，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，焊縫成形較好，表面光滑，輪廓平整；當電弧電壓進一步增加至24.6 V時，焊縫表面粗糙，出現不均勻的魚鱗狀條紋，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于母材和焊絲的化學成分。對焊縫(WZ)、熱影響區(HAZ)中心位置的合金元素含量進行EDS面掃測試，結果如表3所示。根據Fe-Cr-Ni平衡相圖及鉻鎳當量計算公式[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結果，如表4所示，w(Cr)eq/w(Ni)eq=1.60～1.72，說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，電壓參數的變化，對WZ晶粒尺寸影響較小，但對組織形態和分布有明顯的影響。當電壓為20.6 V時，WZ中心處柱狀晶生長受到抑制，出現較多等軸晶粒；而電壓減小或增大，如電壓為16.6 V和24.6 V時，WZ中柱狀晶生長趨勢明顯。這是因為，當電壓減小時，電弧縮短，熱量集中，熔池較窄，結晶從熔合線開始，很快以柱狀晶的形態向焊縫中心發展；當電壓增大時，熱輸入增大，熔池過熱且溫度梯度增加，有利于WZ中柱狀晶生長。

(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(片狀鐵素體和蠕蟲狀鐵素體)，如圖3所示。16.6 V與24.6 V電壓時焊縫中片狀鐵素體數量明顯比20.6 V時更多，其中電壓為24.6 V時片狀鐵素體主要集中在焊縫下層。

HAZ在焊接過程中受到焊接熱循環作用，形成了界限分明的兩個區域，為了便于討論，將該區進一步分為兩個亞區：臨近WZ的HAZ記為HAZ1；臨近BM的HAZ記為HAZ2.HAZ1受焊接熱循環嚴重，組織過熱，發生回復再結晶，原始BM中的纖維狀組織消失，取而代之的是粗大的不規則樹枝晶；在焊接過程中HAZ2經歷的循環溫度較低，對組織產生正火細晶效果，仍保留著類似于BM的纖維狀組織特征。隨著電壓參數的增加，焊接熱輸入增加，HAZ組織及區域顯著增大，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結果。電弧電壓為16.6 V時，接頭的抗拉強度為535.07 MPa，延伸率為37.37%；電弧電壓為20.6 V時，接頭強度為619.69 MPa，延伸率為49.66%；電壓增加至24.6 V，接頭的抗拉強度為552.05 MPa，延伸率為38.87%，強塑性均低于母材。由此可以發現，隨著電壓增加，焊接接頭的強度和塑性呈現先增后減的趨勢。

表5 不同電壓下MIG接頭拉伸試驗結果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。由圖可以發現，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電壓下斷口內小尺寸韌窩數量較多，電壓為24.6 V時的斷口則呈現出一定的沿晶斷裂特征，焊縫都出現了一定的塑性損失。

(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為不同電弧電壓測得的MIG電弧特征及熔滴過渡結果。從圖中可以發現，隨著電弧電壓的增加，一方面，電弧變長，熔滴生長空間和直徑變大，燃弧時間隨之增加，從而熔滴過渡頻率降低、過渡連續性減弱；另一方面，作用在熔滴底部的電弧力(斑點壓力)增大，推動熔滴在焊絲端部劇烈晃動，阻礙熔滴過渡，使焊接過程中產生更多的飛濺，焊接穩定性變差。聯系文中第2部分內容可以發現，焊縫組織形貌與熔滴過渡的穩定性、連續性相關。

當電弧電壓為20.6 V時，焊絲與熔池之間的電弧長度適當，能量分布均勻，焊縫可以實現全焊透。

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

熔滴過渡平滑穩定，熔池流動性較好，產生良好的橋接效果，使得焊縫成形良好、表面平整連續，如圖2(b).對于接頭微觀組織而言，此時電弧熱分布均勻，短路過渡連續穩定，焊后焊縫保溫時間長，固態相變時元素擴散充分，部分粗大鐵素體枝晶未被完全消耗以蠕蟲狀形式殘留于焊縫中，如圖3(b).

電弧電壓減小為16.6 V時，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，容易實現全焊透，但也會導致熱量傳導范圍受限，出現咬邊缺陷。而熔滴生長尺寸受限，小熔滴熱量少，過渡后冷卻快，熔池流動性差，導致焊縫表面不夠光滑，出現凹槽，如圖2(a).對于接頭微觀組織而言，由于小熔滴攜帶熱量較少，進入熔池熱量補充不及時，固態相變時間變短，元素擴散受到抑制，部分殘余鐵素體以橫切奧氏體晶粒的形式長大，最終形成一定數量的片狀鐵素體，如圖3(a).

電弧電壓增加至24.6 V時，焊接電弧過長，電弧發散、挺度下降，作用于熔池的電弧穿透力減弱，導致焊縫背部未焊透。受較大斑點壓力作用，粗大熔滴在焊絲端部晃動，使得熔滴過渡很慢且不穩定，熔池流動性變低，導致焊縫表面非常粗糙，出現不規則魚鱗紋，焊縫質量下降，如圖2(c).此時，發散的電弧難以作用于熔池底部，熱量難以傳遞到焊縫底部，焊縫下層固態相變時間短，殘余鐵素體以橫切奧氏體晶粒的形式長大，形成片狀鐵素體；當大顆粒熔滴進入熔池后，熱量堆積在熔池上層，上層焊縫固態相變時元素擴散更充分，鐵素體以蠕蟲狀形式保留下來，如圖3(c).

焊接接頭的力學性能主要取決于焊縫形貌與微觀組織。從宏觀形貌來看，當電壓為16.6 V時，由于小電壓下電弧熱量分布窄，熔池流動性弱，出現咬邊缺陷；電弧電壓增加至24.6 V時，電弧能量發散，對熔池的穿透力減弱，焊縫底部出現未焊透缺陷，熔滴過渡連續性和穩定性變差，焊縫表面粗糙，內部致密性低。從微觀組織來看，16.6 V和24.6 V電壓下焊縫中片狀鐵素體數量增多，而片狀鐵素體相比于蠕蟲狀鐵素體脆性更大，因此接頭強度塑性均下降，如表4所示。

4 結論

1) 電弧電壓為20.6 V時，電弧長度適當，熔滴過渡平滑，熔池流動性較好，焊縫尺寸穩定、表面平整連續，該電壓下電弧熱量分布均勻，熔池保溫時間長，固態相變時元素擴散更充分，鐵素體以蠕蟲狀形式殘留于焊縫中。最終的焊接接頭力學性能較好，抗拉強度為619.69 MPa，延伸率為49.66%，是理想的短路過渡狀態。

2) 電弧電壓為16.6 V時，電弧熱量傳導范圍有限，焊縫上表面出現咬邊缺陷和凹槽，其抗拉強度為535.07 MPa；焊縫中殘余鐵素體以橫切奧氏體晶粒的形式長大，最終形成一定數量的片狀鐵素體，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，熔滴過渡穩定性和連續性下降，焊縫表面出現不規則魚鱗紋，內部致密度差，其抗拉強度為552.05 MPa.下層焊縫組織相變時，元素擴散受到抑制，形成較多片狀鐵素體，使得接頭塑性下降，其延伸率為38.87%.