尹小林

(攀枝花天譽(yù)工程檢測有限公司, 四川攀枝花 617000)

不銹鋼結(jié)構(gòu)具有造型美觀、易于維護(hù)、生命周期長、成本低等優(yōu)點(diǎn)，能夠循環(huán)利用，簡單方便，有利于可持續(xù)發(fā)展，因此不銹鋼在建筑結(jié)構(gòu)中也有很好的發(fā)展前景。

目前國內(nèi)在不銹鋼焊接工藝中大部分都是采用純氬氣保護(hù)，這種方法對于焊接比較薄的不銹鋼工件可以達(dá)到滿意效果，但對于較厚的工件達(dá)不到理想效果[1]。研究氬氫混合氣體代替純氬氣作為保護(hù)氣體，可以有效解決這一問題，拓寬要使用TIG焊接的工件的厚度上限，減少開坡口的復(fù)雜程序，大大節(jié)省時間，提高生產(chǎn)效率。

1 研究內(nèi)容

304不銹鋼屬于奧氏體不銹鋼，碳含量小于0.08 %，鉻含量為19 %左右，鎳含量為9 %左右，其中的硫磷等有害元素含量極低。在焊接304不銹鋼時，熔池的熱傳導(dǎo)速率明顯要低于碳鋼，焊接先產(chǎn)生的熔池對后焊的母材有明顯的預(yù)熱作用，在相同的焊接參數(shù)下，不銹鋼的母材比碳鋼的熔化速度要快得多，只有通過合理的控制焊接參數(shù)和改進(jìn)焊接工藝才能得到既美觀又優(yōu)質(zhì)的焊縫。由于不銹鋼的熱膨脹系數(shù)大，因此焊接時板材板材變形量大的問題不可忽略[2]。

由于焊前清理、焊接參數(shù)、焊后處理等多種因素的影響，焊接接頭處的組織可能有很大變化，進(jìn)而影響焊縫的美觀和質(zhì)量。鑒于此，本文主要研究建筑結(jié)構(gòu)中不同比例的氬氫混合氣體對304不銹鋼板TIG焊接接頭組織性能的影響。研究內(nèi)容如下：

(1)分析混合氣體對焊縫成形的影響及其原因，確定一組適合于焊接4mm厚的304不銹鋼的焊接參數(shù)。

(2)以304不銹鋼TIG焊的焊接接頭為研究對象，宏觀觀察不同比例的氬氫混合氣體對304不銹鋼焊縫形貌和寬度的影響。

(3)將不銹鋼焊縫接頭處切下小塊，制成試樣，拋光腐蝕放在金相顯微鏡下觀察顯微組織的不同，分析不同保護(hù)氣體對焊接接頭的影響。

2 試驗(yàn)過程

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)搭建

本試驗(yàn)使用YC-300WX4N型TIG焊機(jī)、半自動焊接小車、氣體混合配比器、氬氣減壓器、氫氣減壓器、氬氣氫氣各一罐、皮管數(shù)根及卡箍多個等搭建一個焊接試驗(yàn)系統(tǒng)，來完成此次焊接試驗(yàn)。

試驗(yàn)的原材料為普通的4mm厚的304不銹鋼板，并使用與母材為同種材料的2mm直徑的不銹鋼焊絲進(jìn)行填充。

2.2 試驗(yàn)方法

首先將母材在切割機(jī)上切成150mm×150mm的小塊，并清理干凈，然后用砂紙清除掉試板上的氧化膜。

本試驗(yàn)TIG焊使用直流正接(母材接正極，鎢極接負(fù)極)的方法，這樣做是因?yàn)樨?fù)極溫度低，可以防止鎢極受熱熔化，同時正極溫度高，可以更快更好地使母材熔化，更容易焊接[3]。焊接電流選為120A，焊接速度為100mm/min，氣體流量為15L/min，選擇鎢絲直徑為2.4mm，鎢極伸出長度為2mm，噴嘴與工件距離為6mm。然后分別使用純氬、含氫量為2 %、4 %、7 %和10 %的氬氫混合氣體作為焊接保護(hù)氣體進(jìn)行焊接，得到試驗(yàn)所需要的焊縫。

2.3 顯微組織觀察

將TIG焊后的不銹鋼板分別從焊縫中間位置切割出10mm×5mm的小試樣，同時切割出一塊同樣尺寸的母材試樣做對比。把五個小試樣鑲嵌起來進(jìn)行打磨、拋光、腐蝕，然后使用金相顯微鏡觀察其組織結(jié)構(gòu)。

3 焊縫接頭觀察與分析

3.1 焊縫接頭宏觀觀察

焊縫宏觀組織見圖1。

通過對焊縫宏觀組織圖進(jìn)行對比，可以看出焊接保護(hù)氣體純氬與不同比例的氬氫混合氣體在同樣焊接參數(shù)條件下的所得焊縫之間有很大差別。從熔寬上看，只用氬氣作保護(hù)氣體的焊縫寬度比用氬氫混合氣體作保護(hù)氣體的焊縫寬度寬，當(dāng)氫的含量增加時，熔寬由窄變寬，其中用Ar+7 %H2混合氣體作保護(hù)氣的熔寬最窄；從焊縫顏色上看，用氬氫氣體作保護(hù)氣體的焊縫顏色主要為金黃色和紫紅色，而只用氬氣作保護(hù)氣體的焊縫顏色主要是深紅色或黑色；從熱影響區(qū)看，只用氬氣作保護(hù)氣體的焊縫熱影響區(qū)比用氬氫混合氣體作保護(hù)氣體的焊縫熱影響區(qū)寬。從熔深上看，只用氬氣作保護(hù)氣體的熔池深度比用氬氫作保護(hù)氣體的熔池深度淺，當(dāng)氫的含量增加時，熔池深度由深變淺，其中Ar+7 %H2混合氣體作保護(hù)氣體的熔池深度最深。

(a)焊接保護(hù)氣體Ar

(b)焊接保護(hù)氣體Ar+2%H2

(c)焊接保護(hù)氣體Ar+4%H2

(d)焊接保護(hù)氣體Ar+7%H2

(e)焊接保護(hù)氣體Ar+10%H2圖1 焊縫熔池觀察

3.2 焊縫接頭微觀組織觀察

此次試驗(yàn)在顯微鏡下觀察了304不銹鋼在不同的保護(hù)氣體下的焊接接頭區(qū)域的顯微組織。焊接接頭包括焊縫區(qū)、熔合區(qū)、熱影響區(qū)(圖2)[4]。

圖2 焊接接頭組成示意

304不銹鋼焊接接頭的顯微組織中相的組成，在不同的焊接工藝條件下都是相似的，都是由黑色的鐵素體和白色的奧氏體組成[5]。但由于保護(hù)氣體的不同，因此焊接接頭中的晶粒尺寸也會不同。

3.2.1 焊縫區(qū)微觀組織

焊縫區(qū)微觀組織見圖3。

通過對顯微組織圖進(jìn)行對比，可以看出當(dāng)使用氬氫混合氣體作保護(hù)氣體時焊縫區(qū)的鐵素體較使用純氬作保護(hù)氣體的焊縫區(qū)處要少，根據(jù)理論對比分析知，由于使用氬氫混合氣體作保護(hù)氣體時焊縫區(qū)的溫度比使用純氬作保護(hù)氣體時的焊縫區(qū)要高，熱輸入也高，且冷卻所需要的時間更長，鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的效率更高，時間更久，因此其鐵素體要少些。且在當(dāng)氫氣比例為7 %時晶粒更加細(xì)小。

(a)焊接保護(hù)氣體Ar

(b)焊接保護(hù)氣體Ar+2%H2

(c)焊接保護(hù)氣體Ar+4%H2...

(d)焊接保護(hù)氣體Ar+7%H2

(e)焊接保護(hù)氣體Ar+10%H2圖3 焊縫區(qū)微觀組織

3.2.2 熔合區(qū)微觀組織

熔合區(qū)微觀組織見圖4。

通過對顯微組織圖進(jìn)行對比，可以看出在使用純氬做保護(hù)氣體的焊接條件下，不銹鋼試樣熔合區(qū)的組織明顯粗大，而且熔合線右側(cè)焊縫區(qū)形成了比較粗大的奧氏體柱狀晶；而在氬氫混合氣體作保護(hù)氣體的焊接條件下，不銹鋼試樣熔合區(qū)的組織較為細(xì)小，其中含氫量為7 %時最為細(xì)小。而且在焊縫區(qū)出現(xiàn)了比較密集的鐵素體，出現(xiàn)此現(xiàn)狀的原因是由于熱輸入較高。而且有研究表明，在TIG焊的條件下，隨著熱輸入量的進(jìn)一步增大，熔合區(qū)的熔合線會更加明顯，這是由于冷卻速度變快造成的，隨著熱輸入量的不斷增加，在母材附近的熱影響區(qū)內(nèi)奧氏體晶粒會有明顯的長大跡象。

(a)焊接保護(hù)氣體Ar

(b)焊接保護(hù)氣體Ar+2%H2

(c)焊接保護(hù)氣體Ar+4%H2

(d)焊接保護(hù)氣體Ar+7%H2

(e)焊接保護(hù)氣體Ar+10%H2圖4 熔合區(qū)微觀組織

3.2.3 焊縫接頭熱影響區(qū)觀察

焊縫熱影響區(qū)微觀組織見圖5。

(a)焊接保護(hù)氣體Ar

(b)焊接保護(hù)氣體Ar+2%H2

(c)焊接保護(hù)氣體Ar+4%H2

(d)焊接保護(hù)氣體Ar+7%H2

(e)焊接保護(hù)氣體Ar+10%H2圖5 熱影響區(qū)微觀組織

通過對顯微組織圖進(jìn)行對比，可以看出使用氬氫混合氣體作保護(hù)氣體時由于焊接熱輸入高，它的晶粒尺寸要比使用純氬作保護(hù)氣體時大，且由于該熱影響區(qū)受高溫影響的時間較長，使其中的鐵素體轉(zhuǎn)化為灰白色的奧氏體。但仍有大量的黑色鐵素體的存在，其中氫含量為7 %時最為明顯。

4 結(jié)論

(1)當(dāng)焊接板厚為4mm的304不銹鋼板時，最合適的焊接參數(shù)為焊接電流選為120A，焊接速度為100mm/min，選擇含氫量為7 %的氬氫混合氣體，氣體流量為15L/min，選擇鎢絲直徑為2.4mm，鎢極伸出長度為2mm，噴嘴與工件距離為6mm。

(2)使用氬氫混合氣體作保護(hù)氣體焊接不銹鋼時，只用氬氣作保護(hù)氣體的焊縫寬度比用氬氫混合氣體作保護(hù)氣體的焊縫寬度寬，當(dāng)氫的含量增加時，熔寬由窄變寬，其中用Ar+7 %H2混合氣體作保護(hù)氣體的熔寬最窄。

(3)使用氬氫混合氣體作保護(hù)氣體焊接不銹鋼時，只用氬氣作保護(hù)氣體的熔池深度比用氬氫作保護(hù)氣體的熔池深度淺，當(dāng)氫的含量增加時，熔池深度由深變淺，其中Ar+7 %H2混合氣體作保護(hù)氣體的熔池深度最深。

(4)304不銹鋼焊接接頭的顯微組織中物相的組成，在不同的保護(hù)氣體焊接條件下都是相似的，都是由黑色的鐵素體和白色的奧氏體組成。但由于焊接保護(hù)氣體的不同，焊接熱輸入量不同，焊接接頭中各自的晶粒尺寸也有所不同，由此表現(xiàn)出的組織形態(tài)也有所差異。當(dāng)使用含氫量為7 %時晶粒相對細(xì)小，鐵素體含量相對較多，使其有較好的耐應(yīng)力腐蝕性能。