430 鐵素體不銹鋼A-TIG 焊接

胡繩蓀，王勇慧，申俊琦，陳昌亮，許海剛

(1. 天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 天津 300072；2. 天津市現(xiàn)代連接技術(shù)重點實驗室，天津 300072；3. 寶山鋼鐵股份有限公司研究院，上海 200431)

奧氏體不銹鋼以其出色的耐腐蝕、高溫、氧化性能，在全世界范圍內(nèi)獲得廣泛的應(yīng)用．但隨著國際鎳價飆升，以鎳作為主要合金元素的奧氏體不銹鋼價格居高不下，人們開始轉(zhuǎn)向其他替代鋼種的研發(fā)推廣，其中鐵素體不銹鋼具有很大發(fā)展?jié)摿Γ?/p>

430(1Cr17)是鐵素體不銹鋼的代表鋼種，基體不含鎳，價格相對較低，并具有導(dǎo)熱系數(shù)大、線膨脹系數(shù)較小、耐氯化物應(yīng)力腐蝕性好等優(yōu)點[1]．這類鋼通常采用手工焊或TIG 焊工藝進(jìn)行焊接．

傳統(tǒng)的 TIG 焊能獲得優(yōu)良的焊縫，但存在焊縫熔深小的問題，中厚板需要開坡口進(jìn)行多道焊或者加大焊接熱輸入，這樣焊接效率低，而且焊后組織粗化嚴(yán)重，使用性能急劇下降．

A-TIG 是在待焊工件表面涂覆活性劑后進(jìn)行TIG 焊的一種高效的焊接方法，活性劑的使用可以明顯增加熔深．目前國內(nèi)外碳鋼、鋁合金、鈦合金、奧氏體不銹鋼等相關(guān)的 A-TIG 研究較多[2-6]，針對鐵素體不銹鋼的研究鮮見報道．

筆者針對 430 鐵素體不銹鋼進(jìn)行了單組份和多組分的 A-TIG 焊實驗，分別研究了活性劑對焊縫熔深、微觀組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律．

1 實驗條件

實驗用 430 鐵素體不銹鋼板規(guī)格為：300,mm×150,mm×3.2,mm，其化學(xué)成分如表 1 所示．所使用的焊接設(shè)備包括 Fronius 公司生產(chǎn)的 Magic Wave 4000 型數(shù)字化TIG 焊機(jī)、自動焊接工作臺、按壓式夾具等．實驗時工件固定在夾具上，焊槍隨著小車作勻速直線運動，這樣可使焊接過程中弧長和焊接速度保持穩(wěn)定．

為了減少焊接缺陷，提高焊縫質(zhì)量，焊前應(yīng)對焊板進(jìn)行表面處理，具體方法為用 240#砂紙對鋼板表面進(jìn)行打磨，然后用無水乙醇進(jìn)行清洗，以去除表面雜質(zhì)和氧化膜，待其干燥后可以進(jìn)行活性劑的涂覆．

表1 430鐵素體不銹鋼化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of 430 ferritic stainless steel %

2 單組分活性劑對焊縫熔深的影響

研究單一組分活性劑對焊縫熔深的影響規(guī)律，是進(jìn)行多組分活性劑實驗的基礎(chǔ)．在查閱文獻(xiàn)[2,4-5,7]的基礎(chǔ)上，選用了氧化物和鹵化物2 種類型的活性劑，包括 B2,O3、Cr2O3、SiO2、TiO2、MnO2、MgO、CaO、KCl、CaF2、NaF，經(jīng)電子天平精確稱量后，加入適量無水乙醇調(diào)和成糊狀，用扁平毛刷均勻涂覆到待焊工件表面，涂覆寬度為20～30,mm，厚度為0.5,mm左右．

首先測量每種活性劑對應(yīng)的臨界熔透電流值，以初步了解每種組分對于焊接熔深影響的大小及對應(yīng)的成形狀況，焊接規(guī)范見表 2．焊接電流從 90,A 開始，每次增加 5,A，直至找到臨界熔透電流值．每焊完一道后，均要重磨鎢極并重新調(diào)整鎢極高度，以保證焊接條件的一致性．

表2 A-TIG焊接規(guī)范Tab.2 Welding parameters of A-TIG

實驗結(jié)果如圖1 所示，可見所用活性劑均能使焊接臨界熔透電流值減小，即涂覆活性劑后可以在較小的熱輸入條件下使 3.2,mm 鋼板熔透．氧化物類活性劑對減小焊接臨界電流的作用比較明顯，B2O3、Cr2O3、SiO2、TiO2、MnO2、CaO 都能使臨界熔透電流降低80,A 以上，效果最好的B2O3甚至能將臨界熔透電流降為空板焊接時的 42.3%；鹵化物 KCl、CaF2、NaF 效果均不明顯．

對于活性劑增加焊縫熔深的作用機(jī)理，國內(nèi)外存在多種理論解釋，其中最有代表性的是 “電弧收縮理論” 及“表面張力溫度梯度改變理論”[7-9]．活性劑中的F、Cl、O 都具有較強(qiáng)的電子親和能力，能夠引起電弧收縮效應(yīng)，但同時 O 還能有效改變?nèi)鄢乇砻鎻埩μ荻?，增大焊縫熔深，因而氧化物的綜合效果要普遍優(yōu)于鹵化物．

選用氧化物類活性劑用表2 的規(guī)范在90,A 電流下進(jìn)行焊接，焊后橫向切割焊縫制備金相試樣，腐蝕后在低倍光學(xué)顯微鏡下觀察焊縫熔深，得到各組分活性劑對焊縫熔深的影響如圖2 所示(D 為不同活性劑對應(yīng)的熔深，D0為無活性劑區(qū)的熔深)．從結(jié)果來看，所選活性劑均能不同程度增加焊縫熔深．其中增加效果較為明顯的有 B2O3、SiO2、Cr2O3、TiO2．

圖1 單組分活性劑臨界熔透電流Fig.1 Penetration currents of single component activating flux

圖2 單組分活性劑對焊接熔深的影響Fig.2 Effect of single component activating flux on weld penetration

3 多組分活性劑對焊縫熔深的影響

在單組分活性劑實驗的基礎(chǔ)上，選定 B2O3、Cr2O3、SiO2、TiO2進(jìn)行混合組分活性劑實驗．

(1) 進(jìn)行任意2 個單組分活性劑等量混合實驗，用表2 所示焊接規(guī)范，分別在110,A、120,A 的電流下進(jìn)行焊接，觀察焊縫熔透情況．

(2) 進(jìn)行多組分活性劑定量配比實驗，用表2 所示焊接規(guī)范，分別在 105,A、110,A 的電流下進(jìn)行焊接，觀察焊縫熔透情況．

等量混合單組分活性劑實驗的結(jié)果如表3 所示，從表 3 中 2～5 組結(jié)果可以看出，Cr2,O3和 TiO2含量較大時，活性劑作用效果變差，因而在混合組分中含量不應(yīng)太多．

從表 3 中 2、3 和 4、5 兩組對比可以看出，Cr2,O3的作用優(yōu)于 TiO2．根據(jù)胡禮木等[10-11]的研究結(jié)果，多組元活性劑中的Cr2,O3或有改善焊接接頭“貧鉻”，提高腐蝕性能的作用．結(jié)合實驗結(jié)果，本實驗最終確定活性劑配方的主要成分為：B2,O3(40%～80%)，SiO2(10%～20%)，Cr2,O3(10%～20%)，其配比如表 4所示．

表3 等量混合單組分活性劑實驗結(jié)果Tab.3 Results of the expriment with 1∶1 single component activating flux

其中A 組在105,A,下全部熔透；B 組僅在110,A下有小段熔透；D 組在 110,A 下大半段熔透，在105,A 下只有局部點狀熔透；G 組在 110,A 下大半段熔透，在 105,A 下只有局部點狀熔透；H 組在 110,A下全部熔透，在 105,A 下只有部分熔透；剩下的 C、E、F 3 組在110,A 電流下均未熔透．

通常認(rèn)為：SiO2、Cr2O3、CaF2等活性劑會在陽極表面形成導(dǎo)電性較差的熔融層，使得電弧導(dǎo)電通道變長而導(dǎo)致電弧等離子體發(fā)生收縮；B2O3、TiO2等活性劑則能強(qiáng)烈改變?nèi)鄢乇砻鎻埩?，使表面張力溫度梯度由?fù)變正，熔池金屬流動方向從周邊流向中心，從而使焊縫熔深增加．多組分活性劑綜合了電弧收縮作用和表面張力溫度梯度改變作用，因而比單組分活性劑的效果更為明顯[12-13]．

表4 多組分活性劑配比Tab.4 Proportioning of multi-component activating flux

4 活性劑對焊縫組織性能的影響

利用表2 所示焊接規(guī)范，在105,A 電流下對涂覆A 組活性劑和不適用活性劑的 430 鐵素體鋼板進(jìn)行焊接，焊后對焊縫區(qū)取樣進(jìn)行觀察．

如圖 3 所示，在相同焊接條件下，不使用活性劑焊接鋼板時，得到的熔深只有 1.3,mm，是寬而淺的碗狀熔深；使用活性劑后熔深可達(dá) 3.2,mm，是前者的 2.46 倍，同時熔寬明顯減少，呈現(xiàn)深而窄的杯狀熔深.

不使用活性劑的焊縫組織如圖 4(a)和 4(c)所示，可見在焊接熱循環(huán)的作用下鐵素體組織較為粗大，并出現(xiàn)少量馬氏體和析出相；使用活性劑的焊縫組織如圖 4(b)和 4(d)所示，從圖 4 中可以看出，使用活性劑后焊縫區(qū)鐵素體的晶粒尺寸有所減小，這與活性劑中 Cr、B、Si 等合金元素引起的晶粒細(xì)化作用有關(guān)[14]．

圖3 焊縫宏觀形貌(25×)Fig.3 Macroscopic morphology of the welds(25×)

圖4 焊縫微觀組織Fig.4 Microstructure of welds

利用表2 所示焊接規(guī)范，在105,A 電流下對使用A 組活性劑和不使用活性劑的 430 鐵素體鋼板進(jìn)行焊接，焊后進(jìn)行拉伸實驗并測量焊縫中心處顯微硬度值，拉伸試樣尺寸為150,mm×30,mm×3.2,mm，顯微硬度測試中施加載荷為 1.96,N，載荷保持時間為10,s，實驗結(jié)果見表 5．鐵素體不銹鋼由于焊后出現(xiàn)馬氏體和析出相，因而顯微硬度值與母材相比有明顯提高．實驗結(jié)果表明，與傳統(tǒng) TIG 焊相比，使用活性劑后焊縫抗拉強(qiáng)度和硬度變化不大．

表5 室溫下焊縫力學(xué)性能測試結(jié)果Tab.5 Results of the mechanical performances of the welds at room tempreture

5 結(jié) 論

(1) 在鐵素體不銹鋼 TIG 焊中，所用活性劑均能降低其臨界熔透電流并增加焊縫熔深．氧化物類活性劑的效果優(yōu)于鹵化物類活性劑，其中效果最好的B2O3在焊接電流為 90,A 時能使臨界熔透電流降低57.7%，焊縫熔深增加1.46 倍．

(2) 多組分活性劑的作用比單組分活性劑更佳．使用 B2O3單組分活性劑需要 110,A 以上的電流才能使 3.2,mm 鐵素體不銹鋼板完全焊透，而同樣條件下使用最佳配比的多組分活性劑時只需要 105,A的電流就可完全焊透．

(3) 在本實驗條件下，活性劑的使用可以大幅增加焊縫熔深，同時焊縫區(qū)鐵素體的晶粒尺寸略有減小，焊縫力學(xué)性能則基本保持不變．

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