李 飛，陳建軍，于 巍，王立苗，高偉龍， 王光偉

（1.山西柴油機工業(yè)有限責(zé)任公司，山西 大同 037036；2.北方工程設(shè)計研究院有限公司，石家莊 050011）

0 前 言

304（Cr-Ni系）不銹鋼是奧氏體不銹鋼，該材料不僅具有耐腐蝕等優(yōu)點，而且在低溫條件下也能保持良好的塑性，因此在化學(xué)工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、食品及石油化工等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[1-4]。

超聲輔助焊接是近些年來發(fā)展的一種新技術(shù)，通過在電弧焊接過程中引入超聲波，可以有效改善電弧形態(tài)、熔滴過渡以及焊縫組織，最終提高焊接接頭的力學(xué)性能[5-11]。陳超等[12]將超聲波與焊槍同軸復(fù)合，在焊接過程中超聲發(fā)射端發(fā)射超聲波，超聲波作用于電弧及熔滴，進而傳播到熔池內(nèi)部，改善焊接效果。陳琪昊等[13-14]利用超聲工具頭將超聲波施加在焊接的母材上，超聲波通過母材傳入熔池內(nèi)，從而改善鋁合金焊接接頭的焊縫成形和力學(xué)性能。劉賢寶等[15]利用超聲輔助技術(shù)進行堆焊，使焊接接頭的晶粒細(xì)化，并抑制了熱裂紋的產(chǎn)生。

超聲輔助焊接工藝在一定程度上提高了焊接接頭的成形質(zhì)量和力學(xué)性能。但如果焊接參數(shù)不匹配，則無法保證焊接接頭的質(zhì)量，甚至?xí)档徒宇^性能。因此，選擇合適的焊接參數(shù)具有重要意義。蘇允海等[16]使用正交試驗的方法得到高強鋼振動焊接的最佳工藝參數(shù)。白巖等[17]利用正交試驗的方法研究等離子-MIG 焊工藝參數(shù)對鋁合金焊縫氣孔率的影響。正交試驗是一種用于多因素試驗的方法[18]，是一種從全面試驗中挑選出最具代表性的樣本進行試驗，效率高且應(yīng)用廣泛。

本研究通過分析與理論相結(jié)合的方法，研究了焊接電流、焊接速度和超聲功率對焊接接頭成形系數(shù)和平均顯微硬度的影響，并利用正交試驗法進行分析，得到合適的焊接參數(shù)，最后采用EBSD技術(shù)分析了超聲對焊接接頭顯微組織的影響。

1 試驗方法及試驗材料

試驗主要由自主設(shè)計的超聲輔助焊接設(shè)備完成，超聲輔助焊接設(shè)備主要由三維柔性滑臺、CMT焊機和超聲波設(shè)備三部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。超聲輔助焊接的原理為：超聲設(shè)備與工件接觸，工件固定在三維柔性滑臺上，焊接時焊槍固定不動，滑臺勻速直線行走，超聲能量通過母材傳遞到熔池內(nèi)，影響熔池流動與凝固，最終影響焊縫宏觀形貌、顯微組織和力學(xué)性能。

圖1 試驗設(shè)備示意圖

試驗采用300 mm×300 mm×3 mm 規(guī)格的304不銹鋼板作為基板，使用直徑1.2 mm、牌號為ER308的不銹鋼焊絲進行堆焊試驗，焊前對不銹鋼基板進行打磨。基板和焊絲成分見表1。試驗選用CMT焊接工藝，焊接工藝參數(shù)見表2。焊后對焊件進行加工處理。采用維氏硬度計測量焊縫組織的硬度，利用體式顯微鏡和掃描電鏡觀察焊接接頭形貌和顯微組織。

表1 304不銹鋼及ER308焊絲的化學(xué)成分

表2 CMT焊接工藝參數(shù)

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 建立正交試驗?zāi)Ｐ?/h3>

焊接參數(shù)包括焊接工藝參數(shù)和超聲參數(shù)，焊接工藝參數(shù)主要包括焊接電流和焊接速度，超聲參數(shù)為超聲功率。采用焊接電流、焊接速度和超聲功率三個參數(shù)進行正交試驗，每個參數(shù)選取3 個水平。根據(jù)正交表選擇L9（34），試驗總數(shù)為9。其中焊接電流為120～160 A，變化幅度為20 A；焊接速度為6～8 mm/s，變化幅度為1 mm/s；超聲功率為600～1 800 W，變化幅度為600 W。具體試驗參數(shù)見表3。

表3 正交試驗參數(shù)

2.2 基于焊縫成形系數(shù)的試驗結(jié)果分析

利用體式顯微鏡觀察焊接接頭，焊接接頭形貌如圖2 所示。焊接接頭測量示意圖如圖3所示，根據(jù)圖3 測量熔深H、熔寬B，將測量結(jié)果代入公式（1）計算得到不同參數(shù)下的焊縫成形系數(shù)φ。

圖2 不同試樣的焊接接頭形貌

圖3 焊接接頭測量示意圖

將成形系數(shù)φ代入到正交表中進行計算，得到焊縫成形系數(shù)的正交因素指標(biāo)，根據(jù)得到的數(shù)據(jù)繪制不同參數(shù)與焊縫成形系數(shù)的變化曲線，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同參數(shù)與焊縫成形系數(shù)的變化曲線

由圖4（a）可知，隨著超聲功率的增大，焊縫成形系數(shù)先增大后減小，當(dāng)超聲功率達到1 200 W 時，焊縫成形系數(shù)最大。圖4（b）中焊縫成形系數(shù)具有相同的變化規(guī)律，且隨著焊接速度增加，焊縫成形系數(shù)也逐漸增大，當(dāng)焊接速度為7 mm/s 時，焊縫成形系數(shù)最大，之后隨著焊接速度的增大，焊縫成形系數(shù)逐漸減小。圖4（c）顯示了焊接電流與焊縫成形系數(shù)的關(guān)系，相比超聲功率和焊接速度對焊縫成形系數(shù)的影響，焊接電流對焊縫成形系數(shù)影響較小。從圖4（c）中可見，隨著焊接電流的增大，焊縫成形系數(shù)略微增大，當(dāng)焊接電流為140 A 時，焊縫成形系數(shù)達到最大，接著隨著電流的增加，焊縫成形系數(shù)略微下降。由此可知，超聲輔助焊接的最佳工藝參數(shù)為：超聲功率為1 200 W，焊接速度為7 mm/s，焊接電流為140 A。

為了進一步提高正交試驗的準(zhǔn)確性，探究影響焊縫成形系數(shù)的主要工藝參數(shù)情況，對正交試驗結(jié)果進行了方差分析，方差分析結(jié)果見表4。從表4 方差分析結(jié)果可以看出，焊接速度的F 比大于F 臨界值，而超聲功率和焊接電流的F 比小于F 臨界值。由此可見，相比焊接電流和超聲功率，焊接速度對焊縫成形系數(shù)的影響顯著。

表4 焊縫成形系數(shù)正交試驗方差分析結(jié)果

2.3 焊縫中心區(qū)域顯微硬度測量及結(jié)果分析

利用維氏硬度計對焊縫中心區(qū)域硬度進行測量，測量位置如圖5所示，其中加載載荷為200 g，加載時間為15 s。計算每個試樣的平均顯微硬度，將得到的數(shù)據(jù)帶入到正交表中進行計算，得到平均顯微硬度的正交因素指標(biāo)，根據(jù)得到的數(shù)據(jù)繪制不同參數(shù)與焊縫中心區(qū)域平均顯微硬度的關(guān)系曲線，結(jié)果如圖6所示。

圖5 硬度測量位置

圖6 不同參數(shù)與焊縫中心區(qū)域平均顯微硬度的變化關(guān)系

由圖6（a）可知，焊縫中心區(qū)域平均顯微硬度隨著超聲功率的增大而增大，當(dāng)超聲功率達到最大值1 800 W 時，焊縫中心區(qū)域的平均顯微硬度達到最大，其值為236HV0.2。圖6（b）顯示焊接速度對焊縫中心區(qū)域的平均顯微硬度影響較大，當(dāng)焊接速度為7 mm/s 時，平均顯微硬度最大。從圖6（c）可以觀察到，隨著焊接電流的增加，焊縫中心區(qū)域的平均顯微硬度呈下降趨勢，當(dāng)焊接電流達到最小值120 A時，焊縫中心區(qū)域的平均顯微硬度最大，為225HV0.2。綜上所述，獲取最佳焊縫中心區(qū)域平均顯微硬度的超聲輔助焊接參數(shù)為：超聲功率1 800 W，焊接速度7 mm/s，焊接電流120 A。

焊縫中心區(qū)域的平均顯微硬度的方差分析結(jié)果見表5。從表5可以看出，超聲功率F比大于F臨界值，而焊接速度和焊接電流的F 比小于F 臨界值，由此可知，超聲功率對焊縫中心區(qū)域平均顯微硬度影響顯著。

表5 焊縫中心區(qū)域的平均顯微硬度的方差分析結(jié)果

通過試驗可以得到，影響焊縫成形系數(shù)和焊縫中心區(qū)域的平均顯微硬度的工藝參數(shù)各不相同。其中顯著影響焊縫成形系數(shù)的為焊接速度，對焊縫中心區(qū)域平均顯微硬度影響較大的為超聲功率。

在堆焊試驗中，獲取良好的焊縫成形系數(shù)和力學(xué)性能是堆焊試驗的主要目的。在焊縫成形系數(shù)因素中，焊接速度是影響焊縫成形系數(shù)的顯著因素，當(dāng)焊接速度為7 mm/s時，焊縫成形系數(shù)最大。此外，超聲功率是影響平均顯微硬度的顯著因素，當(dāng)超聲功率為1 800 W 時，焊縫中心區(qū)域的平均顯微硬度最高。最后對焊接電流進行分析，焊接電流對于焊縫成形系數(shù)和平均顯微硬度均不是顯著因素，而在堆焊試驗中，焊縫成形系數(shù)對焊縫的影響更為重要，擁有良好的焊縫成型系數(shù)，可以獲得性能優(yōu)良的焊縫，且不會出現(xiàn)未焊透、未熔化等問題。通過對比分析，發(fā)現(xiàn)焊接電流為120 A時，焊縫成形系數(shù)略低于焊接電流為140 A時的焊縫成形系數(shù)。綜上所述，在超聲輔助堆焊308不銹鋼過程中，最優(yōu)的焊接工藝參數(shù)為：超聲功率為1 800 W，焊接速度為7 mm/s，焊接電流為140 A。此時的焊縫成形系數(shù)為4.2，平均顯微硬度為223.5HV0.2。

2.4 超聲輔助焊接的顯微組織分析

結(jié)合已經(jīng)獲取的最佳焊接工藝參數(shù)，通過顯微組織分析探究超聲波對顯微組織的影響。通常情況下，結(jié)晶首先沿散熱方向生長，焊縫處形成了伸向熔池中心的柱狀晶，焊縫熔池結(jié)晶示意圖如圖7所示。

圖7 未施加超聲的焊縫熔池結(jié)晶示意圖

未施加超聲的焊縫組織如圖8所示，其焊縫組織與圖7 接近，此時焊接電流為140 A，焊接速度為7 mm/s，超聲功率為0 W。

圖8 未施加超聲的焊縫顯微組織及晶粒尺寸分布

由圖8（a）、圖8（b）可知，未施加超聲時，焊接接頭由粗大柱狀晶組成，柱狀晶從焊縫邊緣向焊縫中心擴展，焊縫晶粒的主要生長方向為<001>，其取向強度為4.13。焊接接頭的晶粒尺寸如圖8（c）所示，可以看到焊縫區(qū)晶粒尺寸明顯大于其他區(qū)域，最大晶粒尺寸小于600 μm，尺寸超過400 μm的焊縫晶粒約占總晶粒的16%；尺寸在200～400 μm 的焊縫晶粒約占總晶粒的27%；尺寸在100～200 μm 的焊縫晶粒約占總晶粒的24.1%。

超聲功率為1 800 W 時焊接接頭組織形貌及晶粒尺寸分布如圖9所示，由圖9（a）可知，焊縫的顯微組織由柱狀晶和等軸晶組成，從圖9（b）可以看到焊縫晶粒的主要生長方向為<001>，其取向強度為1.96。圖9（c）為焊接接頭晶粒尺寸分布圖，可以看出，超過400 μm 的焊縫晶粒約占總晶粒數(shù)的18%；尺寸為200～400 μm 的焊縫晶粒約占總晶粒數(shù)的42%；尺寸在100～200 μm的焊縫晶粒約占總晶粒數(shù)的17%，造成這種現(xiàn)象的主要因素是超聲的施加帶來的振動。

圖9 超聲功率1 800 W時焊接接頭組織形貌及晶粒尺寸分布

施加超聲后焊縫晶粒的生長過程如圖10 所示。從圖10 可以看出，隨著超聲振動的應(yīng)用，熔池的流動性增加，超聲空化程度加強，一些柱狀晶被破壞，被破壞的柱狀晶將作為新的形核點，這些形核點會形成新的柱狀晶和等軸晶，它們與原來的柱狀晶生長方向相同且分布于柱狀晶之間。因此，焊縫中的等軸晶粒數(shù)量增加，焊縫區(qū)域的晶粒尺寸減小，焊縫處的晶粒得到細(xì)化。

圖10 施加超聲后焊縫晶粒的生長過程

3 結(jié) 論

（1）采用正交試驗對超聲輔助304 不銹鋼堆焊焊縫進行參數(shù)優(yōu)化，得到最佳焊接工藝參數(shù)為：焊接速度7 mm/s、焊接電流140 A、超聲功率1 800 W，此時焊縫成形系數(shù)為4.2，平均顯微硬度為223.5HV0.2。

（2）焊接過程中施加超聲后焊縫區(qū)域組織得到明顯的改善，焊縫區(qū)域粗大的柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶，且等軸晶粒數(shù)量增加，焊縫區(qū)域的晶粒尺寸減小，焊縫區(qū)域晶粒明顯細(xì)化。