304不銹鋼板弧焊焊接工藝的研究

張瑾 王龍 王勇 張誠 葉壘

（東風(fēng)本田汽車有限公司，武漢430050）

1 前言

不銹鋼具有優(yōu)異的耐蝕性、成型性、相容性以及在很寬溫度范圍內(nèi)的強(qiáng)韌性等系列特點(diǎn)，所以在重工業(yè)、輕工業(yè)、生活用品行業(yè)以及建筑裝飾等行業(yè)中取得了廣泛的應(yīng)用，其中汽車工業(yè)是當(dāng)前發(fā)展最快的不銹鋼應(yīng)用領(lǐng)域[1]。鎢極氬弧焊由于具有良好的電弧穩(wěn)定性和良好的保護(hù)性能，在不銹鋼的焊接中得到廣泛應(yīng)用，特別適用不開坡口、不加填充金屬的薄板和全位置焊接。本課題主要是探索304不銹鋼焊接工藝，并對焊接接頭的力學(xué)性能和組織性能進(jìn)行深入的分析，為汽車零部件生產(chǎn)提供合理的焊接工藝參考。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)材料

焊接材料：1.5 mm的304不銹鋼板；焊接設(shè)備：WSME-315型逆變式交直流脈沖氬弧焊機(jī)，試驗(yàn)板的尺寸為70 mm×50 mm×1.5 mm。材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1所示。

表1 304不銹鋼化學(xué)成分 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

2.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.2.1 參數(shù)篩選試驗(yàn)

參數(shù)的范圍選取辦法是以剛能夠形成熔池到試樣即將焊穿的2個(gè)臨界值所包括的區(qū)域?yàn)榭珊阜秶?，通過大量試驗(yàn)獲得范圍如表2所示。

表2 焊接參數(shù)參數(shù)范圍

在得到可焊范圍以后，采用的篩選方案是5因素2水平，按照設(shè)計(jì)方案對試樣進(jìn)行焊接，經(jīng)數(shù)控切割機(jī)切割和打磨以后，再進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，采集數(shù)據(jù)，分析試驗(yàn)結(jié)果，篩選得出相對穩(wěn)定的參數(shù)范圍。具體方案如表3所示。

表3 篩選試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.2.2 均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)

a.試驗(yàn)因素的選定：根據(jù)篩選方案中所確定的顯著因素，再結(jié)合實(shí)際情況，最后選定的均勻設(shè)計(jì)參數(shù)是焊接電流55～95 A和氬氣流量4～22 L/min，其它的參數(shù)是焊接速度2.9～3.1 mm/s，鎢棒直徑1.6 mm，鎢棒尖端距工件的距離是3 mm，滯后關(guān)氣時(shí)間是5 s。

b.具體方案設(shè)計(jì)：根據(jù)篩選試驗(yàn)的結(jié)果，焊接電流的范圍是55～95 A，氬氣流量的范圍是4～22 L/min，每個(gè)因素確定10個(gè)水平，采用U10(10)22因素10水平均勻設(shè)計(jì)表安排試驗(yàn)。均勻設(shè)計(jì)方案如表4所示。

表4 均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

2.2.3 黃金分割試驗(yàn)

a.焊接參數(shù)的確定：黃金分割試驗(yàn)是固定其它的參數(shù)，只改變焊接電流的的單因素試驗(yàn)方法[2]，因此選定焊接電流的范圍是50～90 A，其它的參數(shù)分別是焊接速度2.9～3.1 mm/s，氬氣流量是10 L/min，鎢棒直徑1.6 mm，鎢棒尖端距工件的距離是3 mm，滯后關(guān)氣時(shí)間是5 s。

b.具體方案設(shè)計(jì)：焊接電流的范圍是50～90 A，按照黃金分割的原理，即X1＝a＋0.618（b－a），X2＝a＋b－X1，按照上述的計(jì)算方法，首先在50～90 A中進(jìn)行篩選，將I=75 A對應(yīng)的拉伸強(qiáng)度值與I=65 A的強(qiáng)度值進(jìn)行比較，若得出75 A的強(qiáng)度值大一些，即淘汰掉50～65 A這個(gè)范圍，如圖1所示。

圖1 焊接電流選取范圍

重新選取65～90 A，再重復(fù)以上的步驟，若I=65 A的拉伸強(qiáng)度值要大一些，這要淘汰掉75～90 A這個(gè)范圍的數(shù)值，選取50～75 A這個(gè)范圍的數(shù)值，然后按照這樣的思路以此進(jìn)行下去，最終找到最佳的工藝參數(shù)。

2.2.4 焊接接頭力學(xué)性能測試

按照篩選試驗(yàn)、均勻設(shè)計(jì)和黃金分割試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行焊接，然后按照GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》要求[3]，采用等離子切割的方法制備拉伸試樣，記錄數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 拉伸試樣的尺寸

2.2.5 金相和試驗(yàn)

對采用不同焊接參數(shù)的試樣進(jìn)行了切割，制成鑲嵌試樣，經(jīng)過磨平、拋光，采用20%HCl和80%FeCl3配比下的腐蝕劑腐蝕，利用顯微鏡觀察焊縫微觀組織形貌。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 拉伸試驗(yàn)結(jié)果分析

拉伸試驗(yàn)結(jié)果，如表5所示。Minitab會(huì)話框中（圖3）包括5個(gè)主效應(yīng)，使用Alpha=0.05，焊接電流和氬氣流量的主效應(yīng)顯著，即其p＜0.05。也就是說在這5個(gè)參數(shù)中，只有焊接電流和氬氣流量是顯著的，其它3個(gè)參數(shù)是不顯著的。

表5 篩選試驗(yàn)拉伸結(jié)果

圖3 Minitab會(huì)話框

從參數(shù)效應(yīng)Pareto圖中也可以清楚的看到這個(gè)結(jié)果，如圖4所示。

圖4 參數(shù)效應(yīng)Pareto圖

3.2 均勻設(shè)計(jì)結(jié)果分析

拉伸試驗(yàn)結(jié)果，表6所示。

表6 均勻設(shè)計(jì)拉伸結(jié)果

3.2.1 Minitab線性回歸分析

將均勻設(shè)計(jì)方案和拉伸結(jié)果輸入到Minitab軟件中，進(jìn)行線性回歸，分析抗拉強(qiáng)度與焊接電流、氬氣流量是否有線性的關(guān)系。從圖5可以得出。

圖5 Minitab的殘差

a.正態(tài)概率圖顯示了一個(gè)與正態(tài)分布一致的近似線性的模式。圖中右上角的一個(gè)點(diǎn)可能是異常值，同樣的點(diǎn)在輸出中標(biāo)記為異常觀測值。

b.由殘差與擬合值圖可以看出，隨著擬合值增大，標(biāo)準(zhǔn)化參差也在逐漸的減小，這表明這些殘差可能具有非恒定方差。

c.直方圖表明了數(shù)據(jù)中可能存在異常值，因?yàn)閳D的最右端有1個(gè)條形，并且有2個(gè)長尾，即有2個(gè)條形離其它較遠(yuǎn)，說明這些數(shù)據(jù)可能存在著偏差。

d.在殘差與順序圖中，可以看出殘差值的符號(hào)隨著觀測值順序的不斷變化而不斷的發(fā)生變化，先為正，然后為負(fù)，再為正，說明了系統(tǒng)的非隨機(jī)性誤差呈負(fù)相關(guān)。

從圖6可以得出。

圖6 Minitab會(huì)話框

a.方差分析表中的p值顯示此回歸過程估計(jì)的模型在a水平為0.05時(shí)不具有顯著性。

b.X1表示的是焊接電流，X2表示的是氬氣流量，其中的X1的p值為0.969，X2的p值為0.724，遠(yuǎn)遠(yuǎn)的大于了0.05，所以初步得出的結(jié)果很不理想。

c.雖然R-Sq值與R-Sq的調(diào)整值很接近，但是很小，不具備預(yù)測的能力。

綜上所述，線性回歸的效果很差，可能數(shù)據(jù)還存在著非線性的關(guān)系。

3.2.2 Minitab逐步回歸分析

從均勻設(shè)計(jì)第3步回歸的結(jié)果可以看出（圖7），R-Sq和R-Sq（調(diào)整）分別為93.16和91.61，已經(jīng)取得了比較理性的效果，故取在5%水平下各系數(shù)都顯著的回歸方程（公式1）作為最佳的回歸方程。

圖7 均勻設(shè)計(jì)逐步回歸結(jié)果

式中，Y3為抗拉強(qiáng)度；X1為焊接電流；X2為氬氣流量。

3.2.3 規(guī)劃求解求最優(yōu)解

將焊接參數(shù)的范圍帶入到公式（1）中，然后利用Excel中的規(guī)劃求解工具，便可以得到最優(yōu)解，即焊接電流I=84 A，氬氣流量為7 L/min，焊接速度為2.9～3.1 mm/s，鎢棒直徑為1.6 mm，鎢棒尖端距工件的距離是3 mm，滯后關(guān)氣時(shí)間為5 s，最終的抗拉強(qiáng)度是625.08 MPa。

3.3 黃金分割試驗(yàn)結(jié)果分析

通過利用黃金分割的方法，首先比較I=75 A和I=65 A的拉伸強(qiáng)度大小，前者要大一些，故舍去50～65 A這一范圍，最終確定了最佳的焊接工藝參數(shù)是焊接電流為85 A，焊接速度為2.9～3.1 mm/s，氬體流量為10 L/min，鎢棒直徑為1.6 mm，鎢棒尖端距工件的距離是3 mm，滯后關(guān)氣時(shí)間為5 s，最終的抗拉強(qiáng)度是621.35 MPa，如表7所示。

表7 黃金分割拉伸結(jié)果

3.4 焊接工藝參數(shù)最終的確定

利用均勻設(shè)計(jì)和黃金分割試驗(yàn)得到的最佳焊接工藝參數(shù)分別焊接3組試樣，以防止偶然誤差的出現(xiàn)，并將最終的焊接試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，并分別求平均值，比較兩組試驗(yàn)方案的最佳性。

由表8可知，最佳焊接參數(shù)是焊接電流I=84 A，氬氣流量為7 L/min，焊接速度為2.9～3.1 mm/s，鎢棒直徑為1.6 mm，鎢棒尖端距工件的距離是3 mm，滯后關(guān)氣時(shí)間為5 s，最終的抗拉強(qiáng)度是624.20 MPa。

表8 對比拉伸試驗(yàn)

3.5 同焊接電流下的焊縫外觀對比

在得到最佳焊接工藝參數(shù)以后，以下是對焊接結(jié)果影響最顯著的焊接電流作為參照，進(jìn)一步驗(yàn)證最佳焊接電流的可靠性。

如圖8～圖13所示是采用不同的焊接電流所對應(yīng)的試樣圖，從圖片中可以清晰的看出，隨著焊接電流的增大，焊縫的的熱影區(qū)逐漸變大，并且熔寬和熔深在I=74 A到I=84 A的時(shí)候增大的很明顯，從對應(yīng)的圖片中可以清楚的觀察到，在I=74 A的時(shí)候，明顯的輸入電流過小，熱影響區(qū)很窄，使母材未焊透。在I=84 A到I=94 A的范圍內(nèi)，熔寬和熔深變化不是很大，但是當(dāng)I=94 A時(shí)，可以看到熔池發(fā)生了嚴(yán)重的燒損，并且顏色發(fā)黑，是電流過大所致。從以上的試樣對比，基本上驗(yàn)證了最佳焊接工藝參數(shù)的可靠性。

圖8 I=94 A自熔焊縫正面

圖13 I=74 A自熔焊背面

3.6 不同焊接電流下的金相分析

焊縫的宏觀形貌示意如圖14所示。

圖9 I=94 A自熔焊縫背面

圖10 I=84 A自熔焊縫正面

圖11 I=84 A自熔焊縫背面

圖12 I=74 A自熔焊正面

圖14 I=84 A的焊縫宏觀形貌示意

3.6.1 熱影響區(qū)金相分析

圖15是不同焊接電流下的熔合區(qū)形貌，它們的宏觀形貌如圖14中a區(qū)域所示。從圖15可以看出，隨著焊接電流的增大，熱影響區(qū)也慢慢的擴(kuò)大，圖中的B1、B2、B3區(qū)分別代表的是不同焊接電流下的正火區(qū)，同樣是隨著焊接電流的增大而增大，同時(shí)正火區(qū)的組織相比焊縫組織比較細(xì)小，由于焊接時(shí)母材受熱，達(dá)到了再結(jié)晶溫度以上，形成了等軸晶，并且當(dāng)焊接電流I=94 A時(shí)的熱輸入最大，所以形成的等軸晶要多一些。圖中的C1、C2、C3分別不同焊接電流下的熔合區(qū)，從圖中可以看出熔合區(qū)是參差不齊的，并且非常狹小，圖中的A1、A2、A3的區(qū)域中分布著細(xì)長的條狀物，是由于軋制所產(chǎn)生的塑性變形，因?yàn)椴讳P鋼焊接試驗(yàn)試板是通過剪板機(jī)剪切而成的，所以可以斷定細(xì)長的條狀物是由于剪切所引起的塑性變形，通過觀察母材剪切后的形貌也同樣發(fā)現(xiàn)了細(xì)長的條狀物。

圖15 不同焊接電流相下的熔合區(qū)形貌對比

3.6.2 焊縫中心組織形貌分析

圖16是不同焊接電流下的焊縫中心的形貌，它們的宏觀形貌如圖14中b區(qū)域所示。焊接過程中熔池的凝固主要通過母材散熱，焊縫兩側(cè)晶粒會(huì)向著焊縫中心生長，形成柱狀晶。從圖16中可以看出，焊縫組織都為奧氏體基體上分布著樹枝狀的δ鐵素體，粗大的奧氏體柱狀晶粒垂直于熔池底部和熔合線的方向生長，具有較強(qiáng)的方向性，指向焊縫中心。當(dāng)焊接電流為I=74 A的時(shí)候，由于熱輸入小，焊后冷卻速度快，高溫停留時(shí)間短，所以柱狀晶在焊縫中心處相遇；當(dāng)焊接電流I=84 A的時(shí)候，焊縫中心較大區(qū)域出現(xiàn)了等軸晶，其δ鐵素體以骨架狀或蠕蟲狀分布，邊緣為較細(xì)化柱狀晶。它的中心軸線區(qū)域出現(xiàn)了細(xì)小的等軸晶，與柱狀晶區(qū)相比，等軸晶和細(xì)小樹枝晶區(qū)的各個(gè)晶粒在長大時(shí)彼此交叉，枝叉間的搭接牢固，裂紋不易擴(kuò)展，不存在明顯的脆弱界面，各晶粒取向不盡相同，其性能也沒有方向性，因而為焊接時(shí)期望得到的組織[4]；當(dāng)焊接電流為I=94 A的時(shí)候，由于熱輸入比較大，所以在高溫停留時(shí)間較長，組織較粗大，在焊縫中心處相遇。

圖16 不同焊接電流相下焊縫中心形貌對比

4 ANSYS焊接熱模擬

4.1 焊接溫度場瞬態(tài)模擬

4.1.1 瞬態(tài)模擬的意義

在得出最佳焊接工藝參數(shù)以后，對不同焊接電流的外觀形貌與金相組織進(jìn)行了對比，驗(yàn)證了焊接電流的最佳性與可靠性。由于采用手工TIG焊接，速度固定在2.9～3.1 mm/s之間，為了驗(yàn)證在焊接電流I=84 A下的焊接速度的可靠性，采用了ANSYS軟件，模擬在不同焊接速度條件下溫度場的瞬態(tài)分布，驗(yàn)證焊接速度的可靠性。

4.1.2 尺寸單元的選擇

熱分析單元選擇三維八節(jié)點(diǎn)六面體單元SOLID70來進(jìn)行熱計(jì)算。為了保證計(jì)算的精度，故在靠近焊縫10 mm處采用加密網(wǎng)格，網(wǎng)格大小控制在0.1 mm，在遠(yuǎn)離焊縫處采用較疏的網(wǎng)格。圖17為模擬的不銹鋼板，可以清楚的看到它的網(wǎng)格劃分是焊縫處較密，然后依次變得稀疏，圖18是要考察的溫度點(diǎn)[5]。

圖17 平板焊接的有限元模型

圖18 有限元模型重要考察的點(diǎn)

4.1.3 焊接參數(shù)的輸入

焊接熱源采用高斯分布的熱源函數(shù)作為表面熱源，焊接參數(shù)為焊接電流I=84 A，電弧電壓U=20 V，焊接速度v=0.003 m/s，焊接熱效率η=0.7，電弧有效加熱半徑R=0.004 5 m，如表9所示。

表9 性能參數(shù)

4.2 焊接溫度場瞬態(tài)模擬

4.2.1 最佳焊接參數(shù)的溫度云圖

圖19是在焊接電流I=84 A，焊接速度v=0.003 m/s條件下的瞬態(tài)溫度分布云圖。

圖19 v=0.003 m/s時(shí)刻的溫度云圖

從圖19的4個(gè)焊縫節(jié)點(diǎn)的溫度分布可知，溫度在熔點(diǎn)以上的時(shí)間是19 s左右，而它的焊接時(shí)間是17 s，說明了此焊接參數(shù)保證了對接不銹鋼板的熔化和連接，并且焊接焊縫美觀。不銹鋼的熔點(diǎn)是1 398～1 420℃左右，說明以這個(gè)焊接參數(shù)來焊接不銹鋼板可以焊透，沒有過熱，溫度合適，焊接速度也適宜。

4.2.2v=0.002 5 m/s時(shí)的溫度云圖

從圖20的4個(gè)焊縫節(jié)點(diǎn)的溫度分布可知，溫度在熔點(diǎn)以上的時(shí)間是33 s左右，而它的焊接時(shí)間是23 s，并且溫度大部分在2 600℃以上，最高達(dá)3 000℃，可以看出此焊接參數(shù)明顯過熱，溫度在熔點(diǎn)以上的時(shí)間大于焊接的時(shí)間，其焊接工藝不理想，并且焊后會(huì)產(chǎn)生很大的焊接殘余應(yīng)，組織過熱并且粗大。

圖20 v=0.002 5 m/s時(shí)刻的溫度云圖

4.2.3 v=0.003 5 m/s時(shí)的溫度云圖

從圖21的4個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度分布可知，溫度在熔點(diǎn)以上的時(shí)間是10 s左右，而它的焊接時(shí)間是12 s，大部分溫度在1 700℃左右，這樣的溫度無法實(shí)現(xiàn)充分的連接，不能夠保證對接試樣充分的焊透，并且在此焊接速度下有1/6的時(shí)間焊縫沒有熔化，那么至少有1/6的焊縫沒有焊接上，說明了此焊接速度快，熱量輸入不足，焊接時(shí)容易導(dǎo)致未焊透的缺陷，所以焊接也不理想。

圖21 v=0.003 5 m/s時(shí)刻的溫度云圖

5 結(jié)論

采用WSME-315型逆變式交直流脈沖氬弧焊機(jī)，對厚度為1.5 mm的304不銹鋼進(jìn)行對接焊，得出以下結(jié)論。

a.通過篩選試驗(yàn)可知：用WSME-315型逆變式交直流脈沖氬弧焊機(jī)進(jìn)行直流焊接時(shí)，在焊接速度相對穩(wěn)定的情況下對抗拉強(qiáng)度影響最顯著的因素是焊接電流。

b.利用均勻設(shè)計(jì)和黃金分割的優(yōu)化方案，得到了最佳的焊接工藝參數(shù)：焊接電流84 A，氬氣流量是7 L/min,焊接速度是2.9～3.1 mm/s,其它的焊接參數(shù)是鎢棒直徑是1.6 mm，鎢棒尖端距工件的距離是3 mm和滯后關(guān)氣時(shí)間是5 s。

c.通過比較不同焊接電流下試樣的外觀形貌和金相微觀組織，驗(yàn)證了焊接電流的最佳性。

d.利用ANSYS軟件，采用相同的焊接電流，不同的焊接速度，對對接的不銹鋼進(jìn)行焊接時(shí)，發(fā)現(xiàn)焊接速度較小時(shí)，熱輸入過大，容易導(dǎo)致焊縫過熱、燒穿等缺陷，當(dāng)焊接速度較大時(shí)，熱輸入不足，焊縫不能完全熔化，成型較差，當(dāng)采用最佳焊接參數(shù)中的速度時(shí)，焊縫充分的熔化了，并且成型良好，性能優(yōu)良。