電流與保護(hù)氣體對(duì)Q235A與304不銹鋼異種TIG焊接接頭的影響

陳今良 王 堯

(攀枝花學(xué)院材料工程學(xué)院，四川617000)

304不銹鋼作為奧氏體不銹鋼，因其具有良好的塑性、高溫性能、抗腐蝕性，和其他種類的不銹鋼相比，它的焊接性能較好，被大量應(yīng)用于化工、紡織、航空、造船、醫(yī)藥等工業(yè)領(lǐng)域中。相關(guān)學(xué)者對(duì)異種金屬的焊接進(jìn)行過深入的研究，文獻(xiàn)[1]對(duì)SAF2205雙相不銹鋼與異種金屬的焊接性進(jìn)行了研究，確定接頭組織與性能滿足要求的最佳焊接工藝及參數(shù)。文獻(xiàn)[2]采用了TIG和MIG焊接工藝對(duì)304不銹鋼和Q235內(nèi)襯式復(fù)合管進(jìn)行了對(duì)接焊，發(fā)現(xiàn)接頭強(qiáng)度可達(dá)480MPa。文獻(xiàn)[3]研究了新型鎳基耐蝕合金與304奧氏體不銹鋼異種金屬焊接接頭的組織和力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)了Cr、Ni等元素在熔合線附近的遷移現(xiàn)象。文獻(xiàn)[4]對(duì)SAF2507雙相不銹鋼與Q235碳鋼異種金屬進(jìn)行了焊接實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)焊接電流在90～130 A的條件下，熔合線Q235一側(cè)出現(xiàn)了脫碳層，雙相不銹鋼一側(cè)形成了增碳層；結(jié)合上述文獻(xiàn)，本文針對(duì)Q235A與304異種鋼焊接，改變焊接工藝參數(shù)，對(duì)焊接接頭的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，對(duì)形貌進(jìn)行觀察，得出焊縫接頭相關(guān)力學(xué)與形貌特征。

1 實(shí)驗(yàn)方案

采用電火花線切割機(jī)將Q235鋼板和304不銹鋼板分別切割成8塊，規(guī)格尺寸均為200 mm×100 mm×2.6 mm，試樣不開坡口，焊前進(jìn)行清理；采用直徑為?2.0 mm的ER309不銹鋼焊絲；焊接方法選用非熔化極惰性氣體保護(hù)(TIG)雙面焊。針對(duì)8組試樣分別改變焊接電流和保護(hù)氣體流量，如表1所示，Q235及304不銹鋼的化學(xué)成分及力學(xué)性能見表2、表3所示，ER309焊絲的化學(xué)成分見表4所示[5]。

表1 試樣編號(hào)及參數(shù)Table 1 Specimen number and parameters

焊后對(duì)8組焊縫進(jìn)行拉伸試驗(yàn)；同時(shí)對(duì)焊縫用200#～1200#砂紙打磨并拋光；304不銹鋼一側(cè)采用腐蝕劑HNO3(5 ml)+HCl(15ml)進(jìn)行腐蝕[6]，腐蝕時(shí)間15 s，Q235一側(cè)采用5%的硝酸酒精，腐蝕時(shí)間為3 s。

表2 Q235和304不銹鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical compositions of Q235 and 304 stainless steel (mass fraction, %)

表3 Q235和304不銹鋼的力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of Q235 and304 stainless steel

表4ER309焊絲成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)
Table4CompositionsofER309weldingwire(massfraction, %)

牌號(hào)CSiMnCrNi其他ER309≤0．12≤0．61．0～2．522～2512～14?

圖1 拉伸前試樣Figure 1 Sample before tension

圖2 拉斷后試樣Figure 2 Specimen after breaking

2 拉伸試驗(yàn)

對(duì)焊后試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸之前和拉斷之后的試樣分別如圖1、圖2所示。

拉伸前對(duì)焊縫的長度和寬度進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量的數(shù)據(jù)結(jié)果見表5，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，各個(gè)試樣拉伸的載荷-位移曲線和應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。

通過表5及圖3的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以看出當(dāng)保護(hù)氣體流量設(shè)定為7 L/min時(shí)，與保護(hù)氣體流量設(shè)定為6 L/min時(shí)進(jìn)行比較，試樣最大應(yīng)力值都有所下降，分別對(duì)比1#～4#、5#～8#試樣的拉伸數(shù)據(jù)可知，當(dāng)隨著焊接電流的改變，焊接接頭的力學(xué)性能也明顯不同，觀察圖3應(yīng)力-應(yīng)變曲線發(fā)現(xiàn)1#、4#、6#、7#、8#試樣其在產(chǎn)生斷裂之前塑性變形較小，具有脆性斷裂特征，而2#、3#、5#試樣與前面的進(jìn)行對(duì)比能明顯發(fā)現(xiàn)其拉伸位移急劇增大，試樣在產(chǎn)生斷裂之前塑性變形較大，具有韌性斷裂特征，其中2#試樣最大應(yīng)力達(dá)到646.17 MPa，由表3可以看出，Q235A的最大應(yīng)力值為≥375 MPa，304奧氏體型不銹鋼的最大應(yīng)力值≥520 MPa，因而能滿足焊接性能優(yōu)于母材的只有第二組試樣數(shù)據(jù)，即采用ER309焊絲，焊接電流為110 A，保護(hù)氣體流量為6 L/min。

表5 接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Joint tensile test results

圖3 應(yīng)力-應(yīng)變曲線Figure 3 Stress-strain curve

3 焊接接頭斷口形貌分析

根據(jù)拉伸試驗(yàn)結(jié)果，分別選取力學(xué)性能較好(2#)和較差(8#)的兩組試樣斷口進(jìn)行掃描電鏡分析，2#試樣焊接電流為110 A，保護(hù)氣體流量為6 L/min；8#試樣焊接電流為150 A，保護(hù)氣體流量為7 L/min，兩組試樣斷口形貌分別如圖4、圖5所示。

由圖4可以看出，2#試樣的斷口上出現(xiàn)較為明顯的韌窩，結(jié)合圖3，2#試樣具有韌性斷裂特征，由斷口形貌圖5可以看出，8#試樣的斷口上未出現(xiàn)明顯的韌窩，而且晶粒比較粗大，結(jié)合圖3，發(fā)現(xiàn)8#試樣具有脆性斷裂特征，且與之前拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合。從圖4中看出，斷口韌窩的尺寸小并且深，同時(shí)韌窩大量集中，所以其斷裂機(jī)制應(yīng)為微孔聚集型斷裂[7]，而從圖5中明顯看出，其斷口無韌窩結(jié)構(gòu)，并且晶粒粗大，這是由于當(dāng)焊接電流增大時(shí)，其熱輸入也隨之上升，導(dǎo)致晶粒粗大，使焊接接頭的塑性下降，并產(chǎn)生脆化，極大的影響接頭的力學(xué)性能，使其達(dá)不到使用要求。

圖4 2#試樣斷口Figure 4 2# sample fracture

圖5 8#試樣斷口Figure 5 8# sample fracture

4 Q235A與WM界面線掃描分析及碳遷移

異種金屬之間進(jìn)行焊接，由于焊接母材的化學(xué)成分存在差異，將導(dǎo)致某些元素在焊接過程中擴(kuò)散產(chǎn)生差異[8]，不銹鋼焊絲的化學(xué)成分與304不銹鋼母材相似，但其和Q235A一側(cè)差異較大，在靠近Q235A一側(cè)其母材所占比較大，而在靠近WM一側(cè)不銹鋼成分所占比較大，因而造成在整個(gè)界面上的化學(xué)成分存在差異，Q235A與304不銹鋼進(jìn)行焊接時(shí)，Q235A中C元素將向著不銹鋼一側(cè)進(jìn)行遷移，而焊絲中的Cr、Ni等元素將向著Q235A一側(cè)進(jìn)行遷移，然而由于C元素直徑較小，可以和Fe元素之間形成間隙固溶體，同時(shí)其擴(kuò)散能力比Cr、Ni等合金元素較強(qiáng)，因而易造成在低碳鋼母材一側(cè)形成鐵素體脫碳層，在不銹鋼焊接一側(cè)形成增碳層。針對(duì)不同焊接電流和不同氣體流量焊接試樣，對(duì)界面分別進(jìn)行掃描及EDS能譜分析，其碳遷移現(xiàn)象如圖6所示。

(a)焊接電流為110 A，保護(hù)氣體流量為 6 L/min(b)焊接電流為150 A，保護(hù)氣體流量為7 L/min圖6 界面碳遷移Figure 6 Interfacial carbon migration

通過對(duì)比圖6，可明顯看出圖6(a)中的碳遷移比較小，圖6(b)中碳遷移現(xiàn)象比較嚴(yán)重，由此而造成的脫碳層和增碳層的區(qū)域范圍增大，這與之前的力學(xué)性能試驗(yàn)相吻合；界面的化學(xué)成分變化如圖7所示。

通過對(duì)比圖7(a)和7(b)可以發(fā)現(xiàn)，因焊絲中的Cr、Ni以及N在從母材到焊縫的這個(gè)區(qū)域中，其含量變化明顯呈現(xiàn)梯度分布，在熔合線處發(fā)生突然改變，并且在脫碳層中含量較低，而在增碳層中含量較高，其主要原因是因?yàn)镃元素和Cr元素兩者之間形成一種強(qiáng)碳化物[9]，同時(shí)發(fā)現(xiàn)兩圖之間改變焊接參數(shù)對(duì)Cr、Ni的分布影響并不大，Q235A作為低碳鋼，其主要元素成分為Fe和C元素，因而造成焊縫和母材之間存在濃度差，在焊接過程中合金元素向母材一側(cè)流入，而C元素向焊縫一側(cè)遷移，通過對(duì)比當(dāng)焊接參數(shù)設(shè)定為110 A、6 L/min時(shí)，在熔合線處，C元素的含量變化較小，而與之相對(duì)，當(dāng)焊接參數(shù)設(shè)定為150 A、7 L/min時(shí)其含量卻出現(xiàn)突然變化。

(a)焊接電流為110 A，保護(hù)氣體流量為 6 L/min(b)焊接電流為150 A，保護(hù)氣體流量為7 L/min圖7 界面化學(xué)成分變化Figure 7 Interface chemical compositions change

5 結(jié)論

(1)針對(duì)本材料厚度，Q235A與304不銹鋼

TIG焊接，當(dāng)電流取110 A，保護(hù)氣體流量取6 L/min時(shí)，接頭的力學(xué)性能最佳，再增大電流和保護(hù)氣體，接頭的組織和力學(xué)性能下降。

(2)Q235A與304異種金屬焊接接頭的斷裂形式與焊接電流和氣體流量有一定關(guān)系，根據(jù)斷口形貌，當(dāng)焊接電流為110 A、流量為6 L/min時(shí)，接頭的斷裂形式有韌性斷裂的特征；當(dāng)焊接電流為150 A、流量為7 L/min時(shí)，接頭的斷裂形式為脆性斷裂特征。

(3)焊接工藝參數(shù)中的電流與保護(hù)氣體流量會(huì)影響焊接熱輸入，進(jìn)一步影響碳元素在融合區(qū)域的遷移程度。