栗卓新，王 寧，TILLMANN Wolfgang

(1.北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100124)(2.多特蒙德工業(yè)大學(xué)材料工程研究所，德國(guó) 多特蒙德 44227)

1 前 言

2006年以來(lái)，中國(guó)的不銹鋼消費(fèi)量一直居世界首位，其中不銹鋼板材的使用以4 mm以下冷軋薄板為主。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2014年全球不銹鋼冷軋薄板的對(duì)外貿(mào)易量占全部不銹鋼外貿(mào)總量的47.7%[1]?？紤]到低碳環(huán)保、輕量化、降低成本等需求，不銹鋼薄板在軌道客車(chē)的消費(fèi)比例逐漸增加[2]。此外，我國(guó)食品、釀造行業(yè)90%以上的常壓容器全部由不銹鋼薄板加工制造[3]。不銹鋼薄板作為一種性能優(yōu)越的節(jié)約型材料，符合當(dāng)前發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的趨勢(shì)，具有良好的發(fā)展前景。

連接不銹鋼的首要方法是焊接，約25%的不銹鋼需要經(jīng)過(guò)焊接才可投入使用[4]。目前，高能束焊(high grade energy welding，HGEW)、攪拌摩擦焊(friction stir welding，F(xiàn)SW)等新型焊接工藝已被廣泛用于輕質(zhì)合金及薄板材料的焊接，并逐步用于不銹鋼薄板材料的焊接，但仍需要進(jìn)一步對(duì)其工藝進(jìn)行開(kāi)發(fā)和技術(shù)推廣。與之相比，電弧焊因熱輸入較大，難以保證薄板的焊縫成形質(zhì)量，且會(huì)導(dǎo)致焊接接頭處晶粒粗大，影響其力學(xué)性能及耐腐蝕性[5]，還需要技術(shù)改進(jìn)。

基于不銹鋼薄板焊接的重要性，本文綜述了新型焊接工藝及改進(jìn)工藝后的電弧焊技術(shù)在不銹鋼薄板焊接的最新研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹不同焊接工藝對(duì)不銹鋼薄板焊縫成形及接頭性能影響的研究進(jìn)展，最后對(duì)未來(lái)研究趨勢(shì)進(jìn)行展望。

2 焊接工藝對(duì)不銹鋼薄板焊縫成形的影響

隨著不銹鋼薄板焊接的廣泛應(yīng)用，市場(chǎng)對(duì)高端焊接產(chǎn)品的要求越來(lái)越高，其主要的標(biāo)準(zhǔn)是焊縫成形是否美觀。

王春明等[6]對(duì)2 mm 301L不銹鋼進(jìn)行激光束焊(laser beam welding，LBW)與熔化極惰性氣體保護(hù)焊(metal inert-gas welding,MIG)試驗(yàn)，兩種焊接方式下的焊縫正面均成形比較均勻，但MIG焊接的焊縫背面成形不穩(wěn)定。LBW焊縫表面呈金黃色，MIG焊縫表面呈灰黑色，這是由于MIG焊接熱輸入相對(duì)于LBW大很多，加之不銹鋼熱導(dǎo)率較低，焊接熱循環(huán)高溫停留時(shí)間長(zhǎng)，保護(hù)氣嘴離開(kāi)后焊縫溫度仍然較高，導(dǎo)致焊縫表面氧化嚴(yán)重。LBW焊縫成形較好，焊縫平整幾乎不存在咬邊余高等缺陷，焊縫上下部寬度相對(duì)均勻，焊縫熔寬僅為1.64 mm，MIG焊縫的熔寬達(dá)到了6.35 mm，而且焊縫余高較大，焊縫縱向尺寸分布極為不均勻，LBW焊縫成形優(yōu)于MIG焊縫。

Siva Shanmugam等[7]利用有限元法(finite element method，F(xiàn)EM)對(duì)2.5 mm 的304不銹鋼板激光點(diǎn)焊過(guò)程進(jìn)行模擬，并分析了焊接參數(shù)對(duì)焊縫成形尺寸的影響。用實(shí)際測(cè)量結(jié)果與FEM結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，熔深、焊縫長(zhǎng)度及熔寬的誤差分別為3.23%、4.15%和5.11%， FEM模擬結(jié)果如表1所示[7]。單一變量時(shí)，激光入射角從85°降到75°，焊縫熔深、熔寬均會(huì)減??；激光功率為500 W時(shí)，熔池截面呈半圓形，當(dāng)激光功率達(dá)到750 W以上時(shí)，熔深加大，呈半橢圓形。

表1 不同參數(shù)下激光點(diǎn)焊焊縫尺寸有限元模擬結(jié)果[7]

Hao等[8]研究了光纖激光焊接振蕩頻率對(duì)3 mm 厚的304不銹鋼板焊縫成形的影響，發(fā)現(xiàn)隨著激光振蕩頻率的加大，焊縫截面由深孔形向V形或者U形過(guò)渡。

保護(hù)氣體是影響焊接工藝特性的關(guān)鍵因素，通過(guò)添加部分活性氣體可改善電弧穩(wěn)定性和焊縫成形[9, 10]。Sathiya等[11, 12]研究了不同保護(hù)氣體對(duì)904L不銹鋼CO2激光-熔化極氣體保護(hù)焊(gas metal arc welding, GMAW)復(fù)合焊焊縫成形的影響，研究者將5%的O2和10%的N2分別加入50% He+45% Ar和45% He+45% Ar的混合氣體中，發(fā)現(xiàn)焊縫的熔深加大。O2在高溫下分解成為O原子，進(jìn)入熔池后會(huì)改變?nèi)鄢氐谋砻鎻埩?，并改變其流?dòng)方向，形成一個(gè)深窄的焊縫[13]；復(fù)合焊接頭處形成兩個(gè)熔合區(qū)，上方為GMAW熔合區(qū)，下方為激光焊熔合區(qū)，焊縫截面各區(qū)域測(cè)量值如表2所示[11]。

有文獻(xiàn)指出氣體噴嘴的排列方式對(duì)復(fù)合焊接焊縫成形性有一定影響[14]，圖1為噴嘴排列的示意圖，其中包括同軸、側(cè)吹和焊炬3種氣體噴嘴，作者研究了3種氣體噴嘴組合方式(單獨(dú)焊炬、同軸+焊炬、側(cè)吹+焊炬)對(duì)3 mm 厚度的316L不銹鋼薄板CO2激光-TIG復(fù)合焊接時(shí)熔深的影響，在單獨(dú)電弧焊炬保護(hù)方式下，無(wú)論用什么配比的He-Ar混合氣體，都無(wú)法獲得理想的焊接熔深；但在焊炬+同軸噴嘴的組合方式下，當(dāng)焊炬氣體中的He

表2 不同保護(hù)氣體下焊縫截面尺寸[11]

體積分?jǐn)?shù)達(dá)到50%以后，即可獲得全熔透的焊縫。這是由于同軸氣流能夠抑制激光等離子體的上升，增強(qiáng)激光-電弧等離子體相互作用，提高電弧燃燒穩(wěn)定性，從而獲得更好的復(fù)合效果。

圖1 CO2激光-TIG復(fù)合焊接氣嘴排列方式[14]Fig.1 Gas nozzle arrangement for hybrid CO2 laser-TIG welding[14]

張林杰等[15]研究了側(cè)吹氣體對(duì)2 mm 304不銹鋼薄板LBW焊縫成形的影響。結(jié)果表明，頂吹氣流和側(cè)吹氣流的合流角約為40°時(shí)焊縫背面熔寬最大；隨著噴嘴高度的增加，焊縫正面熔寬略微減小，背面熔寬增大；氣體流速在10 L/min時(shí)，正面熔寬達(dá)到最小，背面熔寬達(dá)到最大，如圖2所示。未來(lái)可通過(guò)改進(jìn)焊接設(shè)備從而改變氣體的保護(hù)方式達(dá)到提高焊縫成形質(zhì)量的目的。

圖2 不同側(cè)吹噴嘴高度及氣體流速下的焊縫熔寬[15]Fig.2 Width of weld seam at different height of the side nozzle and current rate of gas flow[15]

熔化極氣體保護(hù)焊GMAW是目前最為常見(jiàn)的焊接方法之一，但是在薄板焊接時(shí)，其熱輸入較大、表面成形差，制約了焊接質(zhì)量的進(jìn)一步提高。通過(guò)波形控制法可以有效抑制飛濺，提高焊接成形質(zhì)量。有文獻(xiàn)報(bào)道[16]，峰值燃弧電流增大時(shí)熔寬增大，余高減??；平均燃弧電流隨峰值燃弧電流的增大而減小，使得熔深隨峰值燃弧電流的增大先減小后增大；峰值燃弧電流不變時(shí)，基值電流、拖尾時(shí)間的增大使熔深和熔寬增大、余高減小。目前，國(guó)外研究者已開(kāi)發(fā)了冷金屬過(guò)渡焊接技術(shù)(cold metal transfer，CMT)[17, 18]、雙脈沖熔化極氣體保護(hù)焊法[19]、表面張力過(guò)渡技術(shù)(surface tension transfer，STT)以及控制液橋過(guò)渡技術(shù)(controlled bridge transfer，CBT)[20, 21]等數(shù)字化波形控制弧焊技術(shù)，并應(yīng)用于薄板焊接領(lǐng)域。為使GMAW更廣泛地應(yīng)用于不銹鋼薄板焊接，未來(lái)還需要進(jìn)一步研究。

綜上所述，LBW工藝焊縫成形優(yōu)于高熱輸入的電弧焊工藝。同時(shí)，焊接過(guò)程中加入少量活性氣體、改進(jìn)氣體噴嘴的排列方式也可提高焊縫成形質(zhì)量。GMAW可通過(guò)波形控制改善焊縫成形質(zhì)量、提高焊接效率，未來(lái)可以作為改善焊縫成形的輔助方法。

3 焊接工藝對(duì)不銹鋼薄板焊接接頭微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響

以激光束焊為代表的高能束焊接功率密度高、能量集中，母材在焊接過(guò)程中受焊接熱循環(huán)影響較小，接頭晶粒致密，力學(xué)性能優(yōu)良[5]。Yan等[22]對(duì)比了TIG焊、激光-TIG復(fù)合焊及激光焊3種工藝對(duì)3 mm的304不銹鋼薄板焊接接頭微觀組織及力學(xué)性能的影響。3種焊接方式所形成的焊接接頭分別用JT、JH和JL表示，研究發(fā)現(xiàn)JT、JH和JL在接頭熔合區(qū)所形成的初晶間距尺寸分別為10～14 μm、4 ～8 μm、2～5 μm，即TIG焊所形成的晶粒間隙最大，激光焊所形成的晶粒相對(duì)致密，如圖3所示[22]；宏觀表現(xiàn)為JT、JH和JL所對(duì)應(yīng)的熔合區(qū)面積分別為13.9，7.2和6.7 mm2；拉伸試驗(yàn)顯示JT斷口處韌窩較大、JH和JL斷口處韌窩細(xì)小，三者拉伸強(qiáng)度分別為560，683和733 MPa。即激光焊所得焊縫晶粒更加細(xì)小致密，力學(xué)性能更為優(yōu)異。

圖3 不同焊接方式所形成的接頭的微觀形貌：(a) JT接頭，(b) JL接頭，(c) JH接頭[22]Fig.3 Microstructures of joints welded by different technology: (a) JT joint, (b) JL joint, (c) JH joint[22]

Wei等[23]研究了激光功率密度對(duì)2 mm不銹鋼焊接接頭抗動(dòng)載應(yīng)力性能的影響，研究表明，激光功率密度的增加對(duì)焊接接頭抗靜載應(yīng)力的影響不大，但是隨著激光功率密度由40 kW/cm2增加到55 kW/cm2過(guò)程，焊接接頭抗動(dòng)載應(yīng)力的性能明顯下降。

微束等離子弧焊接(micro-plasma arc welding，M-PAW)也是一種高能束焊接工藝，其焊接電流小于30 A，適于薄板零件的焊接。Siva Prasad等[24]使用脈沖和直流兩種模式下的M-PAW分別對(duì)0.25 mm 厚的304L不銹鋼薄板進(jìn)行焊接，脈沖模式下所得接頭熔合區(qū)晶粒平均尺寸為22.03 μm，直流模式下所得晶粒平均尺寸為31.23 μm，在脈沖模式下所得到的晶粒更為細(xì)??；脈沖和直流兩種模式的接頭顯微硬度(HV)分別為200.8～226.4、180～208.4，脈沖模式得到的接頭顯微硬度較大。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知脈沖模式相比直流模式可以得到質(zhì)量更加優(yōu)異的焊接接頭。這是由于脈沖焊接可調(diào)節(jié)焊接電弧熱輸入，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接質(zhì)量的有效改善，隨著熱輸入的變化，焊接接頭顯微組織及其亞結(jié)構(gòu)將發(fā)生明顯變化，從而提高接頭力學(xué)性能[25]。

FSW作為一項(xiàng)新型的固相焊接技術(shù)，已經(jīng)成功用于鋁鎂合金的焊接，但目前在不銹鋼焊接上應(yīng)用較少[26-29]。Bilgin等[30]對(duì)3 mm 430不銹鋼薄板采用FSW工藝進(jìn)行焊接，發(fā)現(xiàn)在攪拌針轉(zhuǎn)速為1120 r/min、壓力3.5 kN、焊接速度125 mm/min時(shí)可得到力學(xué)性能最佳的焊接接頭。Sabooni等[31, 32]研究了FSW焊接速度對(duì)2 mm 304L不銹鋼薄板焊縫金屬晶粒尺寸及力學(xué)性能的影響。焊接速度在20 mm/min時(shí)，約有50%的焊縫晶粒尺寸為15～20 μm；焊速在80 mm/min時(shí)，有70%以上的晶粒尺寸為7～9 μm，焊接速度增大，使焊縫晶粒尺寸減小，顯微硬度增加，如表3所示[31]。

表3 不同F(xiàn)SW焊速的焊縫晶粒尺寸及顯微硬度[31]

Chuaiphan等[33]研究了鎢極惰性保護(hù)焊(gas tungsten arc welding，GTAW)焊接速度對(duì)2 mm 201不銹鋼焊縫金屬晶粒尺寸及力學(xué)性能的影響，隨著焊接速度由1.5 mm/s增加到3.5 mm/s，焊縫晶粒尺寸由198.67 μm減小到102.21 μm，拉伸強(qiáng)度也隨著增大，但是延伸率有所下降，由31%減少到26%，表明通過(guò)提高焊接速度可細(xì)化晶粒、提高強(qiáng)度，但可能會(huì)使其塑韌性能下降，如表4所示[33]。

表4 不同GTAW焊速的焊縫晶粒尺寸及力學(xué)性能[33]

Watanabe等[34]將超聲波振動(dòng)場(chǎng)作用于GTAW焊接熔池上，對(duì)1 mm 444不銹鋼進(jìn)行試驗(yàn)，在4種不同焊接速度(1.67，3.33，6.67，10.0 mm/s)下，對(duì)比加入與不加入超聲振動(dòng)場(chǎng)的焊縫晶粒尺寸的變化，結(jié)果表明，加入超聲振動(dòng)場(chǎng)可以有效減小晶粒尺寸，并且在低速焊接時(shí)效果明顯，如圖4所示。加入超聲振動(dòng)場(chǎng)后，焊縫拉伸強(qiáng)度與斷裂延伸率均有提高，斷裂延伸率相比沒(méi)有加入超聲振動(dòng)場(chǎng)時(shí)提高了40%。對(duì)比以上焊接工藝可知，HGEW、FSW工藝所得焊接接頭晶粒尺寸均大大小于GTAW的晶粒尺寸。GTAW雖然可通過(guò)提高焊速、加入超聲振動(dòng)場(chǎng)等工藝進(jìn)一步細(xì)化晶粒，但其效果仍然有限，還需要對(duì)GTAW焊接工藝進(jìn)一步開(kāi)發(fā)研究。

圖4 超聲波振動(dòng)對(duì)不同焊接速度下晶粒尺寸的影響[33]Fig.4 Average grain size of the weld metal welded without and with ultrasonic vibration using various welding speeds[33]

4 焊接工藝對(duì)不銹鋼薄板焊接接頭腐蝕行為的影響

焊接過(guò)程復(fù)雜的溫度場(chǎng)及較高的熱輸入會(huì)對(duì)不銹鋼接頭點(diǎn)蝕和晶間腐蝕敏感性產(chǎn)生影響[35]。研究焊接工藝有助于提高不銹鋼薄板接頭的耐腐蝕性[36]。

Lu等[37]對(duì)比了GTAW與LBW工藝對(duì)2 mm 304不銹鋼板焊接接頭點(diǎn)蝕性能的影響，GTAW焊接接頭腐蝕60 min后，在焊縫中心及熔合線附近出現(xiàn)點(diǎn)蝕；LBW焊接接頭經(jīng)過(guò)120 min的腐蝕后，母材上才可觀察到明顯的點(diǎn)蝕現(xiàn)象，而焊縫區(qū)域無(wú)點(diǎn)蝕，即LBW焊縫比GTAW焊縫更耐點(diǎn)蝕。研究認(rèn)為，熱輸入和冷速的不同引起合金元素的偏聚程度及貧Cr區(qū)多少的差異，是導(dǎo)致兩種焊接方法焊縫耐點(diǎn)蝕性不同的主要原因。

Lakshminarayanan等[38]對(duì)409M不銹鋼腐蝕行為研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)SW焊接接頭腐蝕速率明顯低于傳統(tǒng)的電弧焊，這與FSW較低的熱輸入有關(guān)，短時(shí)間的熱輸入使焊接接頭在敏化溫度區(qū)間停留時(shí)間短，降低了貧Cr區(qū)的含量，使材料耐蝕性增加[39]，F(xiàn)SW接頭耐晶間腐蝕能力順序?yàn)椋簲嚢鑵^(qū)>母材>熱影響區(qū)；并認(rèn)為耐腐蝕性與晶粒大小有關(guān)，組織中C含量一定，晶粒越細(xì)小，晶界面積越大，單位晶界面積上析出碳化鉻所占分?jǐn)?shù)越低，即晶間腐蝕敏感性越低。

但有文獻(xiàn)報(bào)道[40, 41]，增加晶粒尺寸可降低奧氏體不銹鋼晶間腐蝕敏感性，晶粒越大，碳化物在晶界析出所需時(shí)間越長(zhǎng)，晶粒尺寸從55 μm增加到89和145 μm，再活化率Rr從0.1936降低到0.1219和0.0988(Rr值越大，奧氏體不銹鋼晶間腐蝕敏感性越大)，晶間腐蝕敏感性隨晶粒尺寸的增加而降低。這表明不銹鋼晶間腐蝕敏感性與晶粒尺寸確實(shí)存在一定關(guān)系，但晶粒大小如何影響晶間腐蝕性，尚需要進(jìn)一步研究，并探討其影響機(jī)理。

新型的焊接工藝由于熱輸入較低，可降低接頭腐蝕敏感性。改進(jìn)傳統(tǒng)的電弧焊工藝也可起到相同的作用。Sudhakaran等[42]研究了GTAW焊接參數(shù)對(duì)202不銹鋼耐點(diǎn)蝕性的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明焊接速度、保護(hù)氣體流量、焊槍與母材角度及焊接電流與焊縫耐點(diǎn)蝕當(dāng)量(pitting resistance equivalent number，PREN)成線性關(guān)系，其中焊接速度、保護(hù)氣體流量與PREN成正比例關(guān)系，PREN隨其增大而增大；焊槍與母材角度、焊接電流與PREN成反比例關(guān)系，PREN隨其增加而減小。

Curiel等[43]研究了外加磁場(chǎng)對(duì)304不銹鋼GMAW焊接接頭熱影響區(qū)腐蝕行為的影響，無(wú)外加磁場(chǎng)作用時(shí)，接頭熱影響區(qū)出現(xiàn)了寬度為100～200 nm的貧Cr區(qū)，這會(huì)誘發(fā)腐蝕產(chǎn)生；外加14.7 mT磁場(chǎng)時(shí)，晶界處Cr分布波動(dòng)較小，磁場(chǎng)對(duì)焊接熱循環(huán)過(guò)程中的Cr的偏聚起到重新分布作用，通過(guò)外加磁場(chǎng)提高了304不銹鋼焊縫熱影響區(qū)的耐腐蝕性能，如圖5所示[43]。

圖5 磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)焊縫腐蝕行為的影響[43]Fig.5 Corrosion behavior of weld seam as a function of the intensity of the magnetic field applied during welding[43]

LBW、FSW等焊接工藝由于熱輸入較低，相比電弧焊工藝(GTAW、GMAW)接頭腐蝕敏感性更低。提高焊接速度及保護(hù)氣體流量或外加磁場(chǎng)可提高電弧焊接頭的耐腐蝕性。晶粒尺寸的減小會(huì)使材料屈服強(qiáng)度和韌性降低，但可能提高其抗晶間腐蝕性能，因此，如何優(yōu)化晶粒尺寸從而同時(shí)提高接頭力學(xué)性能及抗腐蝕性，還有待進(jìn)一步研究。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1) 激光焊接不銹鋼薄板焊縫成形優(yōu)于電弧焊，焊接過(guò)程中，加入少量活性氣體或改進(jìn)氣體噴嘴的排列方式可提高焊縫成形質(zhì)量，可作為今后優(yōu)化焊縫成形的一個(gè)發(fā)展方向。GMAW可通過(guò)波形控制或外加磁場(chǎng)改善焊縫成形，提高焊接效率，未來(lái)可以作為提高焊縫成形質(zhì)量的輔助工藝，使其更廣泛地應(yīng)用于薄板焊接領(lǐng)域。

(2) HGEW、FSW等焊接工藝可極大地細(xì)化接頭晶粒，力學(xué)性能優(yōu)良。GTAW雖然可通過(guò)提高焊接速度、加入超聲振動(dòng)場(chǎng)等工藝細(xì)化晶粒，但效果仍然有限，未來(lái)需要進(jìn)一步對(duì)GTAW工藝進(jìn)行開(kāi)發(fā)研究。

(3) 低熱輸入焊接工藝(LBW、FSW)所得接頭腐蝕敏感性低于電弧焊工藝(GTAW、GMAW)。提高焊接速度及保護(hù)氣體流量或外加磁場(chǎng)可提高電弧焊接頭耐腐蝕性。不銹鋼晶間腐蝕敏感性與晶粒尺寸存在一定關(guān)系，但晶粒大小如何影響晶間腐蝕性、其影響機(jī)理為何，尚需要進(jìn)一步研究。此外，如何優(yōu)化晶粒尺寸來(lái)同時(shí)提高接頭力學(xué)性能及抗腐蝕性，也有待進(jìn)一步研究。

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