氣體保護對310S不銹鋼薄板焊接氫致脆的抑制研究

摘" 要：為提升310S不銹鋼的抗腐蝕性能，并分析氣體保護在焊接氫致脆的抑制效果。采用實驗分析的方法，重點進行氫含量分析、焊縫質量分析、機械性能分析。研究結果發現，在純氬保護條件下，氫含量明顯低于在氬氣混合物保護條件下的水平;在純氬保護條件下，焊縫中未觀察到明顯的氣孔和夾渣，微觀結構均勻;在拉伸測試中，純氬保護條件下的焊接接頭具有更高的強度，這與其低氫含量和出色的焊縫質量相一致。說明氣體保護在310S不銹鋼薄板焊接中具有明顯的抑制氫致脆性的效果;在純氬保護條件下，焊縫質量卓越，幾乎沒有焊接缺陷，微觀結構均勻;氣體保護條件對焊接接頭的機械性能產生顯著影響。

關鍵詞：氣體保護;310S不銹鋼薄板焊接;氫致脆性;純氬氣;抑制

中圖分類號：TG444.73" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）09-0065-04

Abstract： In order to improve the corrosion resistance of 310S stainless steel， the inhibition effect of gas protection on hydrogen embrittlement in welding was analyzed. The method of experimental analysis is used to analyze the hydrogen content， weld quality and mechanical properties. The results show that under the pure argon protection condition， the hydrogen content is obviously lower than that under the argon mixture protection condition; under the pure argon protection condition， no obvious pores and slag inclusion are observed in the weld， and the microstructure is uniform; in the tensile test， the welded joint under pure argon protection has higher strength， which is consistent with its low hydrogen content and excellent weld quality. This indicates that gas shielding has obvious effect on restraining hydrogen-induced embrittlement in 310S stainless steel sheet welding， and under pure argon protection， the weld quality is excellent， there are almost no welding defects and the microstructure is uniform. The gas shielding condition has a significant effect on the mechanical properties of the welded joint.

Keywords： gas protection; 310S stainless steel sheet welding; hydrogen-induced brittleness; pure argon; suppression

不銹鋼310S因其優越的抗腐蝕性能和高溫穩定性，而廣泛應用于化工、航空航天和核工業等領域，但其在氫氣環境下容易發生氫致脆現象，對其工程應用帶來了嚴重影響。氫致脆是由氫在金屬晶格中析出和擴散引起的，增加了材料的脆性，降低了結構的可靠性[1]。尋找有效的方法來抑制310S不銹鋼在焊接過程中的氫致脆現象至關重要。本文旨在探討氣體保護對310S不銹鋼薄板焊接氫致脆的抑制效果。通過詳細的實驗分析，本文將揭示不同氣體保護條件下310S不銹鋼薄板焊接的微觀結構特征，以及氣體保護對氫致脆敏感性的影響。通過進行這一研究，旨在為改善不銹鋼310S的焊接質量提供科學依據，從而推動相關領域的工程應用。

1" 不銹鋼310S的特性

1.1" 化學成分

不銹鋼310S是一種高合金不銹鋼，其化學成分具有獨特的特點，使其在高溫和腐蝕環境下表現出色，其主要成分包括鉻（Cr）、鎳（Ni）、鐵（Fe），以及少量的硅（Si）、錳（Mn）和碳（C），具體見表1。

其中，鉻是不銹鋼310S的主要合金元素，約占總質量的24%～26%，鎳的含量約為19%～22%。鉻的存在賦予了不銹鋼310S較強的抗腐蝕性能。鉻與氧氣反應生成一種致密的氧化鉻層，覆蓋在金屬表面，阻止了進一步的腐蝕。鎳的加入提高了不銹鋼的耐高溫性能，使其在高溫環境下保持良好的機械性能。不銹鋼310S中的硅和錳含量較低，但它們在提高抗氧化性和抗硫化氫腐蝕性能方面起到了重要作用。碳的含量較低，有助于降低310S在焊接過程中的敏感性，減少了氫的析出，進而降低了氫致脆的風險。

1.2" 晶體結構

不銹鋼310S屬于奧氏體不銹鋼，其晶體結構主要由面心立方晶格構成。這種晶體結構在材料科學中被廣泛認可，因其獨特的原子排列方式，使不銹鋼310S具有卓越的機械性能和高溫穩定性。在面心立方晶格中，每個原子與周圍12個原子相鄰，這種緊密堆積的結構賦予了不銹鋼310S較高的強度和硬度。這一緊密的原子排列方式不僅有助于提高材料的強度，還使得不銹鋼310S在高溫環境下能夠維持其結構的穩定性。這一點至關重要，因為在高溫條件下，許多材料容易發生晶粒長大和材料軟化的現象。不銹鋼310S通過其面心立方晶格結構有效地抵抗了這種現象的發生。然而，值得注意的是，不銹鋼310S的晶體結構也對其抗氫致脆性能產生一定的影響[2]。

2" 焊接工藝概述

2.1" 310S不銹鋼薄板的選材

在進行不銹鋼310S薄板的焊接前，選材過程至關重要，因為選材質量直接影響焊接工藝和最終焊接接頭的性能。下文詳細論述310S不銹鋼薄板的選材過程。首先，選材需考慮到薄板的化學成分和物理性質。310S不銹鋼的主要合金元素是鉻（Cr）和鎳（Ni），這使其具有卓越的抗腐蝕性能和高溫穩定性。因此，選材應確保薄板的化學成分符合相關標準，以滿足焊接后的應用需求。其次，薄板的表面質量也是選材的關鍵因素。表面應光滑、干凈，沒有明顯的缺陷或污染物。任何污染或缺陷，都會導致焊接過程出現問題，如氣孔、夾渣等。薄板的厚度和尺寸也應根據具體焊接工藝的需求進行選擇。對于不同的焊接方法和參數，需要選擇不同厚度的薄板，在選材時需確保薄板的尺寸與焊接要求相符[3]。再次，在選材過程中，還需要考慮薄板的熱處理狀態。通常情況下，可以在多種狀態下提供310S不銹鋼薄板，如退火狀態、冷軋狀態等。在選材時，需根據焊接工藝的需求來選擇合適的熱處理狀態，以確保焊接后的性能達到預期。

2.2" 焊接方法與參數

2.2.1" 焊接方法

在焊接不銹鋼310S薄板時，選擇適當的焊接方法，可以提高焊接接頭的質量，以下是2種常用的焊接方法。

第一種，Tungsten Inert Gas （TIG）焊接，也被稱為氬弧焊接，是一種廣泛應用于不銹鋼薄板焊接的常見方法。其顯著特點是使用一種惰性氣體，通常是氬氣，作為保護氣體，以避免焊接區域與空氣中的氧氣和其他雜質發生反應。TIG焊接的卓越性能主要體現在以下幾個方面。①保護氣體的作用。氬氣作為保護氣體，具有高度的穩定性和惰性，它有效地隔離了焊接區域與外部環境，防止了氧氣和其他雜質的進入，從而提高了焊縫的質量。②外觀和質量要求。TIG焊接提供了卓越的外觀和質量控制，使其非常適用于對焊縫外觀和質量要求較高的應用，如食品加工設備、化工容器等。③適用于薄板。TIG焊接能夠提供精細的焊接控制，減少了熱輸入，從而降低了變形的風險[4]。

第二種，MIG（金屬惰性氣體）和MAG（金屬活性氣體）焊接是在不同應用情境下廣泛使用的高效焊接方法，特別適用于較厚的板材和大規模生產。MIG焊接使用惰性氣體，通常是氬氣，作為保護氣體，以防止氧氣和其他雜質進入焊接區域。這有助于減少氧化和腐蝕，提高焊縫的質量。MIG焊接適用于較厚的板材和需要高焊接速度的情況。它在大規模生產中廣泛使用，因為它能夠快速高效地完成焊接任務。與MIG不同，MAG焊接使用金屬活性氣體，通常是二氧化碳，作為保護氣體。這種氣體混合物具有良好的滲透性，適用于焊接較厚的金屬。MAG焊接也適用于較厚的板材，特別是當需要更高的焊接速度時。它在一些特定應用中表現出色，如汽車制造和結構焊接。

2.2.2" 焊接參數

焊接參數是影響焊接質量和性能的關鍵因素。在焊接不銹鋼310S薄板時，需要仔細控制這些參數，以確保最佳的焊接結果，以下是關鍵的焊接參數。

第一，電流和電壓。電流和電壓在不銹鋼310S薄板焊接中具有至關重要的作用。電流是焊接過程中傳送電子的數量和速度的度量。對于310S不銹鋼薄板焊接，通常需要選擇適度的電流水平。過高的電流可能導致過度加熱，引發不均勻的熔化和焊縫形狀問題，也會導致變形。相反，過低的電流將導致不足的熔化，焊接效率低下，因此選定適當的電流是確保焊接質量的關鍵。電壓是電流的電勢差，它影響電弧的穩定性和焊接熔池的溫度。對于薄板焊接，通常需要較低的電壓，以控制焊接區域的熱輸入。過高的電壓會導致電弧不穩定，焊接過程中飛濺，以及熱輸入過高的風險。通過調整電壓，可以更好地控制熔池的形狀和大小，確保焊接質量。

第二，焊接速度是焊接過程中另一個關鍵參數，直接影響著焊縫的質量和整體焊接結果。焊接速度直接影響焊接熔池的大小和形狀。過快的焊接速度將導致焊縫不充分的熔化，產生氣孔、夾雜物和其他缺陷，降低焊縫的質量。適當的焊接速度有助于確保焊接區域的完全熔化，減少缺陷的風險。過慢的焊接速度會導致焊接區域受到過多的熱輸入，可能引發不銹鋼310S薄板的變形問題。薄板的熱敏感性較高，因此需要特別注意控制焊接速度，以防止過度加熱。

第三，氣體保護。氣體保護在不銹鋼310S薄板焊接中扮演著至關重要的角色，它直接影響焊接質量和最終焊接結果。不銹鋼310S焊接需要高度免受氧氣影響的保護，因為氧氣會引發氧化和雜質的形成，從而影響焊縫的質量。氬氣或氬氣混合物通常被選擇作為保護氣體，因為它們對氧氣高度不活躍，能夠有效隔離焊接區域，確保焊接的純凈性。除了氧氣，其他雜質也可能對焊接質量產生不利影響。適當的氣體保護可以降低雜質的滲入風險，確保焊縫的純度和質量。調整氣體流量是確保氣體保護效果的關鍵一步，具體可以根據焊接條件、氣體類型、焊接位置等因素進行調整。焊接條件包括焊接方法、焊接電流、電壓、焊接速度以及環境溫度等，這些條件會影響氣體的流動和分布，因此需要根據實際情況來調整氣體流量。氬氣和氬氣混合物的不同組合需要不同的流量，通常供應商會提供有關特定氣體組合的建議流量范圍。不同焊接位置需要不同的氣體流量，因為氣體的分布會受到焊接位置的影響。

第四，焊接角度和技巧。焊接操作者的技巧對焊接質量和最終焊接結果具有重要影響。正確的焊接角度對于控制焊接熔池和焊縫的形狀至關重要。通常焊接時應使焊槍或電極與工件的表面形成適當的角度。不同焊接方法可能需要不同的角度，但通常要確保焊接區域充分覆蓋在保護氣體中，以防止氧氣和其他雜質的滲入。焊接手法包括手的運動方式和焊接槍或電極的位置。熟練的焊接手法有助于控制熔池的形狀、避免氣孔和確保焊縫的均勻性。操作者應學會如何平穩地移動焊接槍或電極，并根據需要進行適當的停頓，以確保焊接區域的充分熔化和填充。

3" 實驗設計

3.1" 研究問題

氣體保護能否有效抑制310S不銹鋼薄板焊接中的氫致脆？

3.2" 實驗目標

在實驗設計中，明確以下實驗目標。

第一，評估不同氣體保護條件（包括純氬和氬氣混合物）對310S不銹鋼薄板焊接氫致脆性的影響。

第二，調查不同焊接參數（電流、電壓、焊接速度等）對氫致脆性的影響。

第三，確定最佳的氣體保護策略，以減少氫致脆性，并提高焊接接頭的質量和性能。

3.3" 實驗參數

在研究氣體保護對310S不銹鋼薄板焊接氫致脆的抑制效果時，精心選擇和控制實驗參數，是確保實驗準確性和可靠性的關鍵。

第一，氣體保護條件。需要考慮不同的氣體保護條件，包括選擇不同的保護氣體，如純氬或氬氣混合物，以及確定氣體流量。氣體的選擇和流量將直接影響焊接區域的氧含量和氫含量。本文設計實驗組，每個組采用不同的氣體組合和流量，以研究它們對焊接質量的影響。

第二，焊接參數。焊接參數是另一個重要的考慮因素，包括電流、電壓、焊接速度和焊接角度等。不同的焊接參數會影響焊接熔池的溫度、穩定性和熔化深度。

第三，氫氣濃度。在實驗中，需要控制氫氣濃度的變化。通過在焊接區域引入一定濃度的氫氣來實現。不同濃度的氫氣將模擬實際焊接環境中可能存在的氫氣濃度變化，從而幫助評估氣體保護對氫致脆的抑制效果。

第四，焊接材料和樣品幾何。本文選擇合適的不銹鋼310S薄板材料和樣品幾何，這些材料和樣品的特性將對實驗結果產生重要影響。本文將確保所選材料和樣品符合實驗的需要，并進行精確的制備。

3.4" 測量方法

實驗中的測量方法是確保獲取準確和可靠數據的關鍵。在研究氣體保護對310S不銹鋼薄板焊接氫致脆的抑制效果時，將采用以下測量方法。

第一，氫含量測量。本文將使用氫含量分析儀來測量焊接樣品中的氫含量。通過進行氫含量測量，可以確定氫致脆性的程度，并評估氣體保護的效果。

第二，焊縫質量評估。本文將使用光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）等工具來評估焊接樣品的焊縫質量。這些工具將幫助檢測焊接缺陷，如氣孔、夾渣等，以及分析焊縫的微觀結構，以了解不同氣體保護條件下的差異。

第三，機械性能測試。本文還將進行機械性能測試，包括拉伸測試和沖擊測試，以評估焊接接頭的強度和韌性。這些測試將幫助我們確定氣體保護對焊接接頭性能的影響，特別是其在高溫和高壓環境下的表現。

4" 分析與論證

本節結合研究問題和實驗目標對實驗結果進行分析和論證，以回答研究問題。

4.1" 氫含量分析

研究的目標之一是評估不同氣體保護條件對氫致脆性的影響，實驗數據如下。

純氬保護條件下的氫含量平均為0.8 ppm，標準偏差為0.1 ppm。

氬氣混合物保護條件下的氫含量平均為1.5 ppm，標準偏差為0.2 ppm。

在純氬保護條件下，氫含量明顯低于在氬氣混合物保護條件下的水平。這是合理的，因為氬氣在防止氫的滲透方面具有更高的效能。實驗結果支持了研究問題，證明氣體保護在抑制氫致脆性方面的有效性。氫致脆性是由氫的存在引起的，氫含量的顯著降低表明焊接接頭的脆性得到有效控制，從而提高了焊接質量。

4.2" 焊縫質量分析

實驗的第二個目標是研究不同氣體保護條件對焊縫質量的影響，實驗數據如下。

在純氬保護條件下，焊縫中未觀察到明顯的氣孔和夾渣，微觀結構均勻。

使用氬氣混合物保護時，焊縫質量有所提高，但仍可見微小氣孔和夾渣。

純氬保護條件下的焊縫表現出了卓越的質量，幾乎沒有焊接缺陷。這證實了氬氣的高保護性能，能夠有效減少氣孔和夾渣的生成，確保了焊接接頭的質量。盡管在氬氣混合物保護條件下焊縫質量改善，但微小的氣孔和夾渣仍可見。這表明氬氣混合物雖然在一定程度上提高了焊接質量，但其效果不及純氬[5]。

4.3" 機械性能分析

第三個實驗目標是研究不同氣體保護條件對焊接接頭的機械性能的影響，實驗數據如下。

在拉伸測試中，純氬保護條件下的焊接接頭平均強度為380 MPa，氬氣混合物保護條件下為340 MPa。

在沖擊測試中，純氬保護條件下的焊接接頭平均沖擊韌性為45 J，氬氣混合物保護條件下為35 J。

在拉伸測試中，純氬保護條件下的焊接接頭具有更高的強度，這與其低氫含量和出色的焊縫質量相一致。高強度是焊接接頭在實際應用中所需的，因為它能夠承受更大的應力和負荷。而在沖擊測試中，純氬保護條件下的焊接接頭表現出更高的沖擊韌性，這意味著它更能耐受沖擊負荷。氣體保護對焊接接頭的機械性能有著顯著的影響，不僅提高了強度，還提高了耐沖擊性。

通過以上分析和論證，可以得出結論，氣體保護在310S不銹鋼薄板焊接中能夠有效抑制氫致脆性，不同氣體保護條件和焊接參數對焊接質量和性能具有顯著影響。因此在工程應用中，應根據具體需求選擇合適的氣體保護策略和焊接參數，以確保焊接接頭的質量和可靠性[6]。

5" 結論

通過實驗分析，可以得出以下結論。首先，氣體保護在310S不銹鋼薄板焊接中具有明顯的抑制氫致脆性的效果。在純氬保護條件下，氫含量顯著降低，而在氬氣混合物保護條件下也表現出一定的抑制作用。其次，在純氬保護條件下，焊縫質量卓越，幾乎沒有焊接缺陷，微觀結構均勻。氬氣混合物保護條件下，焊縫質量有所改善，但仍可見微小氣孔和夾渣。最后，氣體保護條件對焊接接頭的機械性能產生顯著影響。純氬保護條件下的焊接接頭具有更高的強度和沖擊韌性，適用于要求高強度和耐沖擊性的應用。

可以發現，氣體保護的選擇對焊接質量至關重要。純氬保護在抑制氫致脆性和提高焊接質量方面表現出卓越性能。然而，氬氣混合物也可以改善焊接質量，尤其是在資源有限的情況下，這也是一種可行的選擇。焊接參數的選擇和控制對焊接結果具有重要影響。本研究為氣體保護在310S不銹鋼薄板焊接中的應用提供了有力的支持，并為工程實踐提供了重要參考。未來的研究可以進一步探討氣體保護條件的優化和更廣泛的應用領域。

參考文獻：

[1] 劉寶雙，陳立虎，王康，等.不銹鋼薄板藥芯焊絲CO2氣體保護焊工藝[J].焊接技術，2022，51（11）：49-53.

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[3] 于杰.不銹鋼薄板焊接變形的控制方法及防治措施[J].黑龍江科技信息，2015（24）：15.

[4] 成威，廖秋慧.不銹鋼薄板焊接變形影響因素與控制方法[J].輕工機械，2015，33（1）：107-110.

[5] 董鴻珊.不銹鋼薄板焊接變形影響因素的與控制方法[J].城市建設理論研究（電子版），2015（18）：1580-1581.

[6] 王立仁，楊春，吳瑞萍.不銹鋼薄板脈沖MIG焊接工藝研究[J].中國化工裝備，2023，25（1）：13-15，24.

作者簡介：黃洲揚（1991-），男，工程師。研究方向為焊接技術。