不銹鋼燒結(jié)網(wǎng)濾芯TIG焊工藝研究

郭雨菲，侯宗宗，趙 斌

中國船舶集團有限公司第七二五研究所，河南 洛陽 471000

0 前言

濾芯是過濾器的核心部件，在實際生產(chǎn)和使用過程中，其通常采用沖孔板骨架和不銹鋼編織網(wǎng)疊加燒結(jié)加工而成，這種結(jié)構(gòu)可有效保證濾芯絲網(wǎng)的耐腐蝕性能，提高濾芯的結(jié)構(gòu)強度并且降低成本。濾芯縱向?qū)雍缚p是濾芯制造的重點和難點之一，該部位是濾芯最易發(fā)生破壞失效和腐蝕的部位之一，其焊接質(zhì)量的好壞直接影響整個濾芯的質(zhì)量。對不銹鋼燒結(jié)網(wǎng)濾芯縱向焊縫焊接工藝和焊縫組織的研究，可以有效提高焊縫質(zhì)量，降低成本，提高整個濾芯的使用壽命，具有重要的工程應用需求。

在自動反沖洗過濾器中，為了不影響濾芯的過濾精度和自動反清洗裝置的平穩(wěn)運行，對濾芯縱向?qū)雍缚p的質(zhì)量要求較高。燒結(jié)網(wǎng)濾芯縱向?qū)雍缚p的焊接難點在于，焊縫采用單面焊雙面成形，在正面成形良好，無咬邊和焊縫凹陷的前提下，還要求背面焊縫平整、過渡圓滑、無缺陷毛刺，背面細密的絲網(wǎng)能完全熔透且不出現(xiàn)過燒絲網(wǎng)熔斷的現(xiàn)象；骨架層與絲網(wǎng)的材質(zhì)可能也不相同，焊接過程熔池組分復雜，在保證焊縫外觀良好的同時，還需通過焊接工藝參數(shù)的合理選擇保證焊縫金屬的物相組成和各項理化性能滿足使用要求。

國內(nèi)外的一些研究者采用電子束焊、激光焊、電阻焊等焊接方法對絲網(wǎng)進行焊接，但這些焊接設備較為昂貴，且對焊縫的裝夾和焊槍的對中性要求嚴格，不利于濾芯的批量化生產(chǎn)［3-5］。鎢極氬弧焊（TIG 焊）具有保護效果好，電弧穩(wěn)定，熱輸入易調(diào)整、無飛濺，焊縫成形美觀等特點，適合薄而多孔不銹鋼濾芯的焊接［6-8］。本文采用TIG 焊對過濾器濾芯縱焊縫進行焊接［9］，探尋合理的焊接工藝參數(shù)，并對焊縫金屬的成分和物相、宏觀金相、顯微組織、顯微硬度進行了觀察和分析，為多層燒結(jié)濾芯的焊接提供參考。

1 試驗材料

試驗用4 層不銹鋼燒結(jié)濾網(wǎng)總厚度約3.3 mm，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，由1層沖孔板骨架層和3層不銹鋼編織網(wǎng)疊加燒結(jié)加工而成，骨架層材質(zhì)為316L不銹鋼，主濾網(wǎng)與保護網(wǎng)材質(zhì)為2507 雙相不銹鋼，焊材選用直徑1.6 mm 的ER2594 焊絲，濾網(wǎng)和焊材的化學成分如表1所示。

表1 濾網(wǎng)和焊材的化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）Table 1 Chemical compositions of sintered mesh and welding materials （wt.%）

圖1 不銹鋼燒結(jié)網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of stainless steel sintered mesh

2 焊接工裝

焊接工裝示意如圖2 所示，主要包括焊縫壓緊裝置和焊接小車，焊縫壓緊裝置采用液壓系統(tǒng)對濾網(wǎng)工件焊縫進行壓緊固定，與焊接小車和氬弧焊機配合可實現(xiàn)濾網(wǎng)縱向焊縫的自動焊接。焊縫壓緊裝置工作面采用弧形設計，保證對濾網(wǎng)的加壓均勻，下部夾板在焊縫處采用銅墊板，保證焊縫散熱條件良好，焊接小車通過絲杠滑塊系統(tǒng)帶動向前運行，速度可調(diào)。

圖2 焊接工裝示意Fig.2 Schematic diagram of welding tools

3 試驗方法

不銹鋼燒結(jié)網(wǎng)板材下料后，使用卷板機卷成圓筒，裝夾到焊接工裝上進行焊接。濾網(wǎng)焊接采用TIG 焊，直流正接，正面（帶拖罩）和背面氣體保護，噴嘴直徑為10 mm，保護氣為純度99.99%的氬氣，主要焊接工藝參數(shù)如表2 所示，焊機為Miller 公司的Syncrowave 351。鎢極采用直徑2.0 mm 的鈰鎢極；送絲速度為200 mm/min，與焊縫呈30°夾角。保證其他焊接參數(shù)不變，選擇不同的焊接電流對濾網(wǎng)縱向?qū)雍缚p進行焊接，觀察焊縫正面和背面的成形情況，確定較優(yōu)的焊接電流范圍。使用較優(yōu)的焊接電流試焊濾網(wǎng)試樣，對濾網(wǎng)試樣接頭部位取樣，分別采用Agilent 5110SVDV 電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀、CS800 碳硫分析儀、OLYMPUS GX71 金相顯微鏡和顯微硬度儀研究其焊縫的物相組成、宏觀金相、微觀組織。

表2 鎢極氬弧焊工藝參數(shù)Table 2 TIG welding parameters

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 焊縫成形

研究不銹鋼燒結(jié)網(wǎng)TIG 焊焊縫成形發(fā)現(xiàn)，焊縫成形與焊接熱輸入量和焊縫冷卻狀態(tài)有關(guān)。焊接熱輸入量不足，焊縫正面成形良好，但焊縫熔深不夠，造成背面未熔透；焊接熱輸入量過大，焊接電弧熱量熔化沖孔板后，剩余熱量直接作用到燒結(jié)網(wǎng)下側(cè)的細密絲網(wǎng)上，可能會導致靠近焊縫區(qū)域的細密絲網(wǎng)被熔斷。試驗確定在保證焊接速度200 mm/min的情況下，焊接電流必須控制在一個合理的范圍（85～100 A）內(nèi)，才能保證焊縫背面成形良好。

但在后續(xù)試驗中發(fā)現(xiàn)，即使焊接電流保持在85～100 A，在焊接過程中，由于焊接接頭的組對存在錯邊、間隙量不均勻偏差，焊接電弧會不穩(wěn)定，焊接熱輸入量也會跟著變化，嚴重時會在焊縫背面局部區(qū)域造成絲網(wǎng)熔斷，并且絲網(wǎng)熔斷后無法修補，造成產(chǎn)品報廢。為減小絲網(wǎng)熔斷風險，降低產(chǎn)品報廢率，在焊縫背面設置淺槽水冷銅墊板，并在銅墊板上開細密的氣孔，焊接時在銅墊板中通入冷卻水和氬氣，通過水冷和氣冷對焊縫背面絲網(wǎng)部位強制冷卻。焊接過程中，焊接熱量將焊接接頭沖孔板完全熔透并將一部分絲網(wǎng)熔化，焊縫熔融金屬在重力的作用向下流至焊縫背面，接觸到背面銅板后，強制冷卻成形，形成表面成形良好、無斷絲、無毛刺的背面焊縫。

分別采用85 A、90 A、95 A、100 A 的焊接電流，對濾網(wǎng)進行焊接，所得焊縫成形情況如圖3所示。

圖3 不同電流下所得焊縫形態(tài)Fig.3 Appearance of welds with different currents

對比不同電流下所得焊縫的正面成形情況發(fā)現(xiàn)，隨著焊接電流的增大，焊縫正面寬度和下凹量均有增大的趨勢。這是由于隨著焊接電流的增大，電弧電壓和焊接熱輸入量增加，導致焊縫寬度和焊縫熔深增加，在填充量不變的情況下，焊縫正面下凹量增大。

對比不同電流下所得焊縫的背面成形情況發(fā)現(xiàn)，隨著焊接電流的增大，焊縫背面寬度有明顯的增大趨勢，且焊接電流為85 A 時，焊縫背面由于寬度過窄且不均勻，焊縫成形不佳；焊接電流為90 A和95 A 時，焊縫背面寬度均勻，高度幾乎與兩側(cè)濾網(wǎng)平齊，成形良好；焊接電流為100 A 時，焊縫背面高度高于兩側(cè)濾網(wǎng)，背面寬度較寬且不均勻，不利于吸污裝置在濾網(wǎng)內(nèi)部的正常運行。

結(jié)果表明，焊接電流為90～95 A時，可得到焊縫正面寬度適中、焊縫背面寬度均勻、過度圓滑、成形良好的焊縫。

4.2 焊縫成分和物相分析

焊接接頭能譜分析結(jié)果如表3所示。

表3 焊接接頭能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分數(shù)，%）Table 3 Energy spectrum analysis results of welded joint （wt.%）

運用德龍圖［10］的鉻鎳當量計算公式：Creq=%Cr+%Mo+1.5×%Si+0.5×%Cb，鎳當量計算公式：Nieq=% Ni+30×%C+30×%N+0.5×%Mn，計算得到焊縫金屬的鉻當量和鎳當量分別為22.415%和13.07%，從DeLong 組織圖中得到焊縫金屬中鐵素體的含量約為17%，焊縫金屬的Creq/Nieq=1.68。參照凝固模式和Cr-Ni 偽二元相圖［10］，可知該焊縫金屬的凝固模式為FA（鐵素體-奧氏體）模式，即首先從熔化金屬中結(jié)晶形成鐵素體，隨后在凝固過程中呈現(xiàn)鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變的過程，奧氏體通過包晶-共晶反應生成，并在固溶終了時存在于鐵素體凝固的邊界內(nèi)部，最終形成奧氏體+針狀鐵素體組成的焊縫組織，該組織有利于阻礙焊縫裂紋的擴展［10］。

4.3 焊縫宏觀金相和顯微組織

不銹鋼燒結(jié)網(wǎng)濾芯縱焊縫的宏觀金相和金相組織形貌分別如圖4、圖5 所示。由圖5 可知，焊縫金屬具有典型的快速凝固組織的特征，由快速冷卻形成的柱狀晶奧氏體及骨架狀鐵素體組成，并且各個區(qū)域柱狀組織的生長方向不同，朝向散熱最好的方向生長。

圖4 焊縫截面宏觀照片F(xiàn)ig.4 Macro morphology of weld section

圖5 焊縫金相組織形貌Fig.5 Microstructure of weld

4.4 焊接接頭顯微硬度

根據(jù)GB/T 4340.1—2009《金屬材料維氏硬度試驗第1 部分：試驗方法》，對母材和焊縫金屬進行顯微維氏硬度測定，試驗力為100 g，試驗結(jié)果：2507絲網(wǎng)的顯微硬度為289 HV0.1，316L 沖孔板顯微硬度為174 HV0.1，焊縫金屬顯微硬度為187 HV0.1。2507金屬絲網(wǎng)母材為典型的雙相組織，加上絲網(wǎng)加工過程中的加工硬化，使得其硬度較高；由于焊縫金屬中骨架狀鐵素體的產(chǎn)生，使得焊縫金屬的顯微硬度較316L沖孔板母材略高。

5 結(jié)論

（1）采用TIG焊對過濾器濾芯縱焊縫進行焊接，通過控制焊接熱輸入量，提高焊縫背面冷卻速度等方法，可以得到成形良好、過渡圓滑、無斷絲、強度高的焊接接頭，且較優(yōu)焊接電流范圍為90～95 A。

（2）當焊接電流為85～100 A 時，隨著焊接電流的增大，焊縫正面寬度有增大的趨勢，但不明顯；焊縫正面下凹量和焊縫背面寬度也有增大的趨勢。

（3）焊接接頭顯微組織和物相分析表明，焊縫金屬的凝固是按照鐵素體-奧氏體模式進行的，焊縫金屬的顯微硬度較316L沖孔板母材略有上升，焊縫區(qū)由快速冷卻形成的柱狀晶奧氏體及骨架狀鐵素體組成，該組織具有較優(yōu)的抗裂紋擴展能力。