（材料加工工程专业论文）21cr铁素体不锈钢脉冲tig焊工艺研究.pdf

摘要 在汽车行业高速发展的时代，汽车用钢的需求量逐渐增大，其中包括不锈钢 材料。镍是不锈钢材料中的一种重要添加元素，随着镍资源的减少，开发不含镍 或含少量镍的铁素体不锈钢已经成为一项重要课题。但是铁素体不锈钢的焊接问 题是制约其发展与应用的关键问题之一。本文主要针对1 2 m m 厚2 1 c r 铁素体 不锈钢材料，研究了不同焊接参数对脉冲t i g 焊焊缝成型、微观组织和力学性 能的影响。 首先，固定焊接速度为8 m m s ，占空比为5 5 ，脉冲频率为1 0 h z ，研究峰 值电流由9 5 a 变化到1 3 5 a ，对焊缝成型、显微组织及力学性能的影响。研究表 明，当峰值电流由9 5 a 增加到1 1 5 a 时，焊缝熔深由0 3 2 m m 增加到1 2 m m 。焊 缝呈外延结晶模式，且焊缝中心存在不等量的等轴晶。峰值电流由1 1 5 a 增加到 1 2 5 a 时，熔合区内晶粒尺寸增大，继续增加到1 3 5 a 时，熔合区内晶粒尺寸在 测量方向上减小。随峰值电流由11 5 a 增加到1 3 5 a 焊缝中心平均硬度值降低， 拉伸性能变差，电流为13 5 a 时试件断裂于焊缝。 其次，研究焊接速度对2 1 c r 铁素体不锈钢焊后微观组织及性能进行研究。 固定脉冲电流为1 1 5 a ，占空比为5 5 ，脉冲频率为1 0 h z ，焊接速度由4 m m s 变化至1 0 m m s 。由于本实验材料为t i 、n b 双稳定钢，研究发现，熔合区内存在 较多细小弥散析出物，热影响区内较少。若获得较多等轴晶，焊速4 m m s 最佳， 若获得优良拉伸性能，焊速8 m m s 最好。 再次，分析占空比和脉冲频率对2 1 c r 铁素体不锈钢焊后微观组织和力学 性能的影响。固定峰值电流1 1 5 a ，焊接速度8 m m s ，脉冲频率为1 0 h z ，占空比 由1 5 变化至9 0 ，焊缝熔深由0 0 9 m m 增加到1 2 m m ，变形量增大，且在热影 响区内产生了再结晶晶粒。不同占空比条件下的焊接接头抗拉强度均较高，焊件 断裂于母材。固定峰值电流为1 1 5 a ，焊接速度为8 m m s ，占空比为5 5 ，在一 定频率范围内，脉冲频率由l h z 变化至5 0 h z ，当频率为1 h z 时，不能形成连续 焊缝，频率为1 0 h z - 4 0 h z 范围内，随着脉冲频率的增加，热影响区内晶粒变大。 频率为5 0 h z 时，失去脉冲作用。 关键词：铁素体不锈钢脉冲t i g 焊微观组织接头力学性能 a b s t r a c t t h ed e m a n do fs t e e li n c r e a s e sg r a d u a l l yw i t ht h eh i g h - s p e e dd e v e l o p m e n to ft h e a u t o m o t i v ei n d u s t r y n i c k e li sak i n do fi m p o r t a n ta d d i n ge l e m e n t si ns t a i n l e s ss t e e l ， b u tw i t ht h er e d u c t i o no f n ir e s o u r c e ，d e v e l o p i n gt h ef e r r i t i cs t a i n l e s ss t e e lw i t h o u tn i o rw i t has m a l la m o u n th a sb e c o m ea ni m p o r t a n tt o p i c h o w e v e r , t h ed e v e l o p m e n t a n da p p l i c a t i o no ff e r r i t i cs t a i n l e s ss t e e lh a sb e e nl i m i t e db e c a u s eo ft h e i rw e l d i n g p r o b l e m t h em i c r o s t r u c t u r a lf e a t u r e s ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d d u r i n gp u l s et i gw e l d i n go f21 c rf e r r i t i cs t a i n l e s ss t e e li nt h i sp a p e r a tf i r s t ，w i t h8 m m sw e l d i n gs p e e d ，5 5 d u t yc y c l er a t i o ，10 h zp u l s ef r e q u e n c y , t h ep e a kc u r r e n tc h a n g e df r o m9 5 at o135 a s t u d i e sh a v es h o w nt h a tt h ew e l d p e n e t r a t i o nc h a n g e df r o m0 3 2 m mt o 1 2 m mw i t ht h ep e a kc u r r e n ti n c r e a s e df r o m 9 5 at o115 a t h ew e l dw a s e p i t a x i a lc r y s t a l l i z a t i o nm o d e l ，a n df e we q u i a x e dg r a i n s h a v eb e e nf o u n di nt h ew e l dc e n t e r t h eg r a i ns i z ei n c r e a s e dw h e nt h ep e a kc u r r e n t i n c r e a s e df r o m115 at o12 5 a ，b u tt h eg r a i ns i z ed e c r e a s e dw h e nt h e p e a kc u r r e n tw a s 13 5 a t h ea v e r a g eh a r d n e s sv a l u e so ft h ew e l dc e n t e rd e c r e a s e dw i t ht h ep e a kc u r r e n t f r o m115 at o13 5 a t h ew e l dj o i n tw a se x c e l l e n tw i t ht h ep e a kc u r r e n to f115 a s e c o n d l y , w i t h115 ap e a kc u r r e n t ，5 5 d u t yc y c l er a t i o ，10 h zp u l s ef f e q u e n c y ， t h ew e l d i n gs p e e da l t e r df r o m4 m m st o10 m m s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea m o u n t e q u i a x e dg r a i n sw a st h em o s tw i t ht h ew e l d i n gs p e e do f4 m m s ，t h et e n s i l ep r o p e r t y w a sb e s tw i t ht h ew e l d i n gs p e e do f8 m m s t h i r d l y ，w i t h115 ap e a kc u r r e n t ，8 m m sw e l d i n gs p e e d ，10 h zp u l s ef r e q u e n c y t h ed u t yc y c l er a t i ov e r i f i e df r o m15 t o9 0 t h ew e l dp e n e t r a t i o nd e p t hi n c r e a s e d f r o mo 0 9 m mt o1 2 m m t h ed e f o r m a t i o ni n c r e a s e d t h er e c r y s t a l l i z e dg r a i n sh a v e b e e no b s e r v e di nh a z t h et e n s i l es t r e n g t ho fw e l dj o i n t sw e r eh i g h e rt h e nb a s e m e t a li nc o n d i t i o no fd i f f e r e n td u t yc y c l er a t i o t h e p u l s ef r e q u e n c yc h a n g e df r o m1h z t o5 0 h zw i t h115 a p e a kc u r r e n t ，8 m m s w e l d i n gs p e e d ，5 5 d u t yc y c l er a t i o t h ec o n t i n u o u sw e l dc o u l dn o tf o r mw i t ht h e f r e q u e n c yo f1h z t h eg r a i ns i z e i nh e a ta f f e c t e dz o n ei n c r e a s e dw i t ht h ep u l s e f r e q u e n c yi n c r e a s e df r o m10 h zt o4 0 h z i nt h i se x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n ，t h ep u l s e f r e q u e n c yo flo h z r e f l e c t e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f p u l s et i gw e l d i n gm o s t k e yw o r d s ：f e r r i t i cs t a i n l e s s s t e e l ，p u l s et i gw e l d i n g ，m i c r o s t r u c t u r e ， m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 第一章绪论 1 1 选题的背景及意义 第一章绪论 不锈钢材料的发明是2 0 世纪初金属材料领域的一项重大成就【l 】，由于我国 经济的持续稳定增长，不锈钢产业发展迅速，发生了翻天覆地变化，数量从少到 多，炼钢设备从落后到先进，钢种从缺少到多样，产品质量也从低档水平逐步提 升，彻底改变了需要大量依靠进1 ：3 的局面，自给率：大幅度提高口j 。同时，由于我 国汽车行业的高速发展，其中2 0 0 9 、2 0 1 0 年汽车产销量世界排名第一，只2 0 1 0 年产销量超过1 8 0 0 万辆，其中乘用车将近1 5 0 0 万辆，因此对汽车用钢的需求是 空前的，其中就包括不锈钢材料【3 】。2 0 0 1 年2 0 1 0 年，我国不锈钢产量的平均增 长率超过3 0 ，有些年份的不锈钢产量环比增加速度高达6 5 ，平均消费增长 率超过2 0 ，远远高于其他金属材料的市场发展水平，而不锈钢产能的增速又明 显大于产销量的增长速度。据统计，目前我国不锈钢粗钢的年生产能力约为1 5 0 0 万吨，居世界首位【2 j 。 不锈钢具有很广泛的应用领域，消费量增长很快【4 1 。在运输领域，应用于铁 道车辆和汽车排气系统( 如4 0 9 型不锈钢) 、保险杠及外饰，仅此一项，全球便 有2 0 0 万吨的需求量。建筑业是不锈钢管材的消费大项，主要应用于屋：顷、大楼 内外装饰，家居用楼梯、防护网、护栏，进而取代碳钢。在家用电器领域，应用 于电冰箱的表皮、厨房设施，洗碗机等( 如4 3 0 型不锈钢) ，更具有美观性能。 镍是一种近似银白色的金属，有延展性和铁磁性，能导电、导热。主要用来 制造不锈钢和其他抗腐蚀性合金，也作加氢催化剂和用于特种化学器皿、陶瓷制 品等，是一个国家航空工业和国防工业不可或缺的战略物资。我国镍矿资源主要 分布于1 9 个省( 区) ，7 0 的镍矿资源集中在甘肃。经过多年的开采，目前我国 镍矿储备量呈明显下降的趋势。尤其是在目前我国不锈钢需求的强劲增长的形势 下，镍资源的自给率逐渐下降，供需缺1 3 持续扩大【5 1 。市场上金属镍的价格急剧 攀升，导致s u s 3 0 4 ，s u s 316 等含镍奥氏体不锈钢的价格随之飞涨，开发能够 替代很多含镍奥氏体不锈钢的铁素体不锈钢已经成为摆在不锈钢生产：企业面前 的一项重要课题。替代的铁素体不锈钢需要具有与奥氏体不锈钢相当的耐腐蚀性 能，且应具备良好的加工性能。日本j f e 公司最近率先推出了在许多用途下能够 替代s u s 3 0 4 的4 4 3 c t 铁素体不锈钢，深受广大用户欢迎【6 】。由于不锈钢精炼技 术的发展，连续电子束炉冶炼和a o d ，v o d 等真空冶炼工艺的出现，同时在冶 第一章绪论 炼过程中加入合金元素如t i 、m o 、n b 等，使高纯和超高纯铁素体不锈钢的生产 可实现，从而发展了很多加工性能优良的铁素体不锈钢1 7 j 。 由于铁素体不锈钢具有较好的经济性和耐蚀性，应用领域不断扩展瞄j 。为实 现节能以及实现汽车减重的要求，传统排气系统用镀铝碳钢和铸造金属材料已经 不能满足要求，长期在高温和腐蚀环境下使用的汽：牟排气系统，选用铁素体不锈 钢可大幅度延长汽车排气系统部件的寿命。热水器在长期潮湿的环境下使用，在 这种环境下，不允许局部腐蚀现象的存在，像日本开发的4 4 4 牌号的铁素体不锈 钢及宝钢b 4 4 5 j 1 m 钢种用于热水器的效果很好【9 10 1 。在建筑领域，铁素体不锈钢 也有很广泛的应用，日本是一个海岸线较长的国家，沿海城市受海盐飞尘的侵蚀， 许多大型建筑采用低成本高耐蚀性的含铌铁素体不锈钢，如4 3 0 牌号铁素体不锈 钢【1 1 1 。 1 2 铁素体不锈钢的焊接特点 不锈钢是在普通碳钢的基础上，加入一组c r 的质量分数大于1 2 合金元素 的钢材，它在空气中能够保持金属光泽，具有不生锈、耐腐蚀的特性。不锈钢的 耐蚀性主要来源于铬。是因为铬能使钢材的表面形成一层坚固的不易溶解于某些 介质的氧化物薄膜。此外，这类钢除了含有较多的铬外，还匹配加入较多的其他 合金元素，如镍，钛，使之在空气中、水环境中、以及酸、碱、盐和许多复杂环 境中具有较好的化学稳定性【l 2 | 。 当今社会，不锈钢是一种非常重要的工程材料，已经被广泛用于各种工业及 环境结构中，如电站、化工和造纸过程以及汽车和厨房用品等很多商业产品。正 因为不锈钢的大量使用，不锈钢的加工也随之变得尤为重要，焊接就是一种用于 不锈钢的重要加工工艺 b 】。由于不锈钢本身所具有的特性，与普通碳钢相比不锈 钢的焊接有着其特殊性，更容易在焊接接头及热影响区( h a z ) 产生各种缺陷。 同时，焊接时要特别注意不锈钢的物理性质，例如磁性、密度、热膨胀系数、表 面张力等条件都对焊接条件产生影响。 不锈钢的分类是基于其冶金学上起主导作用的相成分。在不锈钢中三种可能 的相成分是马氏体、铁素体和奥氏体。不锈钢中的含铬量一般均不低于1 2 。由 于含铬量的提高，对钢的组织也有很大影响，当含铬量较低( 但高于1 2 ) ，碳 含量较高，合金在从高温冷却时，极易形成马氏体，故称这类钢为马氏体型不锈 钢。当铬含量高而碳含量很少时，铬会使铁碳平衡，奥氏体相区缩小，甚至消失， 这种不锈钢为铁素体组织结构，加热时不发生相变，称为铁素体型不锈钢。镍可 以扩展v 相区，使钢材具有奥氏体组织。如果镍含量足够多，使钢在室温下也具 第一章绪论 有奥氏体组织结构，则称这种钢为奥氏体型不锈钢【1 2 】。显微组织为奥氏体和铁素 体为奥氏体铁素体型双相不锈钢。表1 1 是对四种不锈钢及碳钢焊接性具有重 要影响作用的物理常数1 14 l 。由表1 1 可知，各种不锈钢的电阻系数都远大于低碳 钢。特别是奥氏体不锈钢，其熔点低约1 0 0 ，在焊接时，母材比较容易被加热 而熔化，故不锈钢的焊接规范要小于低碳钢【14 1 。从表中可见，铁素体不锈钢的热 膨胀系数为c r n i 奥氏体不锈钢的6 0 7 0 ，导热系数约为奥氏体不锈钢的 1 3 0 1 5 0 ，冷加工硬化倾向较低。 表1 1 典型不锈钢的物理常数 注：a 奥氏体；m 马氏体：f 铁素体 铁素体不锈钢的焊接性能主要表现在焊接裂纹、焊接接头的脆化和耐蚀性变 差等方面1 1 2 , 1 3 。铁素体不锈钢在含碳量低的情况下有良好的焊接性能，焊接裂纹 敏感性也较低。 1 、焊接裂纹 铁素体不锈钢凝固初始组织为铁素体，凝固裂纹的敏感性比较低。但是当添 加合金元素如t i ，同时杂质又很高时，凝固时发生偏析导致沿凝固晶界形成低熔 点液态薄膜，增加凝固裂纹的敏感性l | 5 。氢在铁素体钢中的溶解度很低，但是扩 散速度很快( 氢在铁素体钢中的扩散系数为4 0 10 7 c m 2 s ，而在奥氏体钢中的扩 散系数为仅2 1 1 0 j 2 c m 2 s ) ；很容易在缺陷处聚集，形成氢致裂纹。高铬铁素体 不锈钢的热导率比较低，焊后残余应力比较大，这是形成冷裂纹的力学条件【1 6 l 。 2 、韧性和脆性 铁素体型不锈钢一般为中高铬不锈钢，虽然其具有良好的强度以及冷成型性 能，但是在室温、低温下韧性差。焊接接头在焊接热循环的作用下，如果9 5 0 。c 以上停留时问过久，便会引起热影响区晶粒急剧长大和碳、氮化物沿晶界偏聚， 可导致焊接接头的塑性和韧性下降【1 2 1 。 铁素体不锈钢在低温时所能承受的塑性变形能力与变形温度密切相关，尤其 第一章绪论 是在低于室温时表现尤为突出，随温度的下降，强度迅速增加而韧性急剧下降， 其原因是在具有体心立方晶体结构的铁素体不锈钢中，螺旋位错使其横向滑移能 力受损7 1 。 铁素体不锈钢的脆化现象一般分为：粗晶脆化、o 相脆化、4 7 5 脆化。 ( 1 ) 粗晶脆化铁素体不锈钢焊接时，在加热到9 5 0 以上的近缝区，晶 粒容易长大，形成粗大的铁素体，这种晶粒长大，使焊接接头的韧性和塑性急剧 增加。由于不发生固态相变，这种现象很难采用焊后热处理的方法将其细化。铬 含量越高，晶粒长大现象越严重。在钢的轧制过程- 辛，生产者采用添加一定量的 合金元素如a l 、t i 、n b 等方法来细化晶粒，铝可以形成氧化物质点从而阻止晶 粒长大，钢中加入t i 和n b 之后，由于t i 和n b 容易与c 、n 结合形成碳氮化物， 从而抑制铬的碳化，同时可利用n b 的固c 作用和强化作用，起到第二相强化作 用。c 、n 的化合物还能抑制晶粒的长大，提高韧性。 ( 2 ) o 相析出脆化普通纯度铁素体型不锈钢中铬含量大于2 1 时，在 5 2 0 8 2 0 之间长期加热，会出现一种又硬又脆的铁与铬的金属间化合物f e 。c r m ， 即。相。6 相的晶体结构较为复杂，是一种具有四角形晶体拓扑密堆结构，配位 数为1 5 并且能够溶解其他元素，它不仅本身是脆性相，而且能使基底变脆 1 8 j 。 o 相形成与焊缝金属中化学成分、组织、加热温度、保温时间等因素有关。金属 中有促进铁素体形成的元素如硅、铝、钛、钼和铌均能强烈增加产生。相的倾 向【1 2 】。对铬的质量分数低于2 0 的钢，o 相不能立即形成而经常要求在临界温度 停留几百小时，而对于高铬合金，g 相形成很快，在。相形成温度区间只需停留 几小时即可【j 川。 但是，o 相的析出是一个可逆过程，一般而言，不锈钢中的g 相经过固溶处 理或加热到。相形成温度之上，并保温一段时间，o 相就能重溶到基体组织中。 由于。相析出是一个过程，需要一定的时间，在焊接热循环后快速冷却，它的含 量一般有限，因此，焊接接头的g 相析出引起的脆化并不是很明显。 ( 3 ) 4 7 5o c 脆化当铬含量大于1 5 5 的普通铁素体不锈钢在温度为 4 0 0 5 0 0o c 长期加热后，会出现强度升高而韧性下降的现象，称为4 7 5 ( 8 8 5 下) 脆性。主导理论把这种脆化归因于：在低于5 5 0 ( 1 0 2 0 下) 的温度下，在时效 后的钢中生成了富铬铁素体a 和富铁铁素体a 。在f e c r 平衡图上出现这两种不 同成分铁素体的混合区，如图1 1 ，生成的富铬相0 【导致钢的脆化，但是其沉淀 较为缓慢。a 具有非磁性的体心立方晶体结构，是铬质量分数为6 1 一8 3 的析 出相，颗粒尺寸为1 0 2 0 n m ，晶格常数0 2 8 7 7 ，介于f e 和c r 的晶格j 常数之间。 4 7 5 脆化的速度和程度随铬的质量分数而变化，高铬钢在短时间和稍高一些的 温度就能脆化。4 7 5 脆化也是可逆的，产生4 7 5 脆化后，再次加热到5 5 0 以 第一章绪论 上，由于相的溶解，韧性就恢复 1 3 3 8 1 。冷加工能够促使相的析出，从而使得 4 7 5 。c 脆化加速进行，严重降低耐腐蚀性。 p 螂 赠 图1 - 1f e c r 二元合金相图 3 、耐蚀性 铁素体不锈钢中c r 含量一般较高，而且铬元素最容易钝化，f e 和c r 形成 固溶体时，可在一定程度提高铁在钝态时的稳定性。c r 可以在钢材表面迅速形 成致密的c r 2 0 3 薄膜，提高了铁素体不锈钢的抗均匀腐蚀的肿i ：1 2 厶匕h 匕【2 。而合金元素 m o 不仅促进铁素体的形成，还可以促进f e c r 合金的钝化，促使钝化膜中铬更 加富集，提高铁素体不锈钢的耐蚀性，尤其是在氯化物溶液中的耐点蚀、缝隙腐 蚀等抗局部腐蚀性能。钛和铌也是铁索体不锈钢常用的稳定化元素，它们与碳、 氮有很强的亲和力，形成碳氮化物，从而避免形成铬的碳氮化物，由此提高其抗 晶间腐蚀性能。铁素体不锈钢具有体心立方品格结构，( 11 2 ) 、( 11 0 ) 、( 1 2 3 ) 等 晶面都容易发生交叉滑移，使位错聚集在一起，形成网状位错结构，不易形成粗 大的滑移台阶，生成线状的蚀沟的可能性降低，难以造成穿晶破裂，应力腐蚀的 敏感性变小，所以铁素体型不锈钢的耐应力腐蚀方面优于具有面心立方晶格结构 的奥氏体不锈钢【1 2 】。近年来对铁素体不锈钢晶间腐蚀的研究及其腐蚀机理比过去 明确多了，但是仍然缺少统一的看法和系统的资料。在众多研究结论中，贫铬理 论的支持者最多。贫铬理论认为铁素体不锈钢经退火或固溶处理再经时效以后， 同溶在铁素体内的铬的碳化物会以极细小的粒状析出，分布在铁素体的晶内和晶 界上。在析出物的周围出现贫铬而成为阳极，碳化物则成为阴极，从而引起电化 学腐蚀【2 。 第一章绪论 1 3 钨极氩弧焊及脉冲钨极氩弧焊技术 1 3 1 钨极氩弧焊简介 钨极惰性气体保护焊( t u n g s t e ni n e r tg a s a r cw e l d i n g ) 是使用纯钨或活化钨 ( 如铈钨极、钍钨极等) 作为非熔化电极，采用惰性气体( 氩气、氦气等) 作为 保护气体的电弧焊方法，简称t i g 焊。钨作保护焊的电极，其熔点约为3 3 8 0 ( 即3 6 5 3 k ) ，与其他金属材料相比，具有难熔化、可较长时间在高温状态下工 作的性质。t i g 焊正是利用钨的这一性质，在圆棒状的钨极和母材间产生电弧进 行焊接。该方法几乎可以焊接所有的金属和合金材料，特别是对镁、铝、铜、钛 等有色金属及其合金、不锈钢、耐热钢和钼、铌等难熔金属等的焊接具有相对优 势【2 2 】。 t i g 焊的特点： 1 ) 因为电弧在惰性气氛中极为稳定，保护气对电弧及熔池的保护也十分可 靠，能有效地排除氧气、氢气等对焊接金属的侵害，能够实现高品质焊接，得到 优质焊缝。 2 ) 钨极只起导电和产生电弧作用，不熔化，易实现焊接的机械化，且易于 保持电弧长度恒定，焊接电流不变的，焊接过程稳定，使焊缝平滑、均匀、美观。 3 ) 焊接电流的使用范围通常在5 - 5 0 0 a 之间。即使电流小于1 0 a ，仍然能 正常的焊接，尤其适合薄板焊接。在采用脉冲电流焊接的情况下，可以较为方便 地对焊接热输入进行调节控制。 4 ) 在薄板焊接时不需要填充丝。在厚板焊接时，填充丝不通过焊接电流， 不会因为熔滴过渡引起电弧电压和电流变化而产生飞溅现象，焊后无需清理残余 溶剂或者焊渣，这为得到光滑的焊缝表面提供了良好的条件。 5 ) t i g 焊的电弧呈典型的钟罩形，焊接熔池可见性好，易于进行操作，稳 定性强，特别适用于打底焊和全位置焊，应用十分普遍1 2 3 | 。 6 ) 可以焊接各种金属材料，如：铝、镁、钛、钢掣2 4 2 7 。 7 ) t i g 焊可靠性高，可用于重要构件的焊接，可用于核电站及航空、航天 工业。 根据不同的分类方式，t i g 焊分为多种类型如表1 2 所示。通常根据工件的 材料种类、厚度、生产要求及使用环境等条件选择不同t i g 焊方法。 第一章绪论 表1 - 2t i g 焊分类 分类方式t i g 焊类型 电流波形 操作机械化程度 填充保护介质 焊丝是否预热 按填充根数 直流t i g 焊，交流t i g 焊，脉冲t i g 焊 手工t i g 焊，自动t 1 g 焊 氩弧t i g 焊，氦弧t 1 g 焊，混合气体t i g 焊 冷丝t i g 焊，热丝t i g 焊 单丝t i g 焊，双丝t i g 焊 1 3 2 脉冲钨极氩弧焊技术介绍 脉冲钨极氩弧焊发展于2 0 世纪5 0 年代，是在普通钨极氩弧焊基础上发展起 来的一种新的焊接工艺，它是通过控制电弧能量周期性脉冲变化来控制焊接熔池 的熔化、凝固过程，简称脉冲t i g 焊( p t i g ) 。其原理是以一个较小的基值电流 来维持电弧的电离通道，在此基础上周期性地加一脉冲电流产生脉冲主电弧，以 熔化金属。焊接电流呈周期性的变化，不仅能保证得到一定熔深又不至于焊穿的 焊缝，而且随着频率节奏可以得到美观鳞波的焊缝。精确控制焊接线能量，克服 了因熔敷金属表面张力不足以支持熔池，而造成的焊缝的下榻，从而提高了焊缝 抗烧穿的能力，特别适用于薄板( 薄至0 1 m m ) 对接焊缝、全位置管道焊接、高 速焊以及对热敏感性强的一些材料【2 8 1 。 脉冲钨极氩弧焊根据电流的种类可划分为直流钨极氩弧焊和交流钨极氩弧 焊，前者用于焊接不锈钢，后者主要用于焊接铝、镁合金；根据脉冲频率范围可 分为低频脉冲钨极氩弧焊、中频脉冲钨极氩弧焊、高频脉冲钨极氩弧焊【2 9 】。 直流脉冲钨极氩弧焊的主要参数有直流脉冲电流厶、直流基值电流厶、脉冲 电流持续时间。基值电流持续时间、脉冲j 晤比r a 郴、脉冲宽比r w = t p t b 、 脉冲周期t = t o + t b 和脉冲频率f = - - 1 t 等。焊接电流波形如图1 2 所示。，交流脉冲 t i g 焊波形有正弦波、三角波等1 3 。 图1 2 直流脉冲钨极氩弧焊电流波形示意图 第一章绪论 低频脉冲t i g 焊电流的频率范围为0 1 1 5 h z 。这是目前应用最广泛的一种 脉冲t i g 焊方法。在脉冲电流持续期间，焊件上形成点状熔池；脉冲电流停歇 时间，利用基值电流维持电弧的稳定燃烧，降低了焊接热输入量，并使熔池金属 凝固。中频脉冲t i g 焊电流的频率范围为1 0 5 0 0 h z ，特点是在小电流下电弧非 常稳定，适合手工焊接0 5 m m 以下薄板。高频脉冲t i g 焊电流的频率范围为 1 0 - 2 0 k h z ，比较适用于薄板的高速自动焊川。 脉冲t i g 焊的工艺特点如下 2 9 3 1 】： 1 ) 电弧挺度及稳定性好。当焊接电流较小时，一般t i g 焊容易产生飘弧现 象，但是脉冲t i g 焊的电弧挺度好，稳定性好，因此脉冲t i g 焊适用于薄板的 焊接。 2 ) 焊接线能量低。脉冲电弧对工件的加热集中，热效率高，因此焊透同样 厚度的工件所需平均电流比一般t i g 低，从而减小了线能量，这有利于减小热 影响区及焊接变形。 3 ) 易于控制焊缝成形。脉冲t i g 焊熔池凝固比较快，高温停留时间短，所 以既能保证一定熔深，又不易产生过热、烧穿等现象，有利于实现单面焊双面成 形及全位置焊接。 4 ) 焊缝质量好。脉冲t i g 焊缝由焊点相互重叠而成，后续焊点的热循环对 前一焊点具有正火作用；由于脉冲电流的搅拌作用，且熔池冷却速度快，因此焊 缝金属组织细密，这能使得脉冲焊缝性能得以改善。 1 4 铁素体不锈钢钨极氩弧焊研究现状 目前，国内外学者对铁素体不锈钢钨极氲弧焊接的研究主要集中在焊接工 艺、焊缝微观组织以及焊缝接头力学性能和耐腐蚀性能等方面。不同牌号的铁素 体不锈钢因轧制工艺不同、添加的合金元素不同等因素而具有不同的使用性能。 杨瑞成等【3 2 】对热轧4 10 s 不锈钢板材手工钨极氩弧焊( t i g ) 焊接接头进行了 无损检测、组织观察以及力学性能试验，并测定了铁素体的含量和显微硬度，研 究了热轧4 1 0 s 不锈钢板材t i g 焊接接头的组织与性能。结果表明，采用t i g 方 法焊接4 1 0 s 不锈钢接头宏观形貌呈粗大组织，具有明显外延生长特性；焊接接 头的焊缝组织主要为柱状晶奥氏体+ 沿柱状晶分布的6 铁素体，6 铁素体的体积 分数为1 5 2 0 ；热影响区的马氏体在焊接热的作用下发生了m _ 1 ，一m 相变， 原先处于晶界条带中细小的颗粒状马氏体被黑色的团块状马氏体所替代：接头抗 拉强度不低于母材，而且塑性良好。 董俊慧等对新型c r 2 6 m o l 铁素体不锈钢采用手工钨极氩弧焊附加氩气延续 第一章绪论 保护的焊接方法的焊接方法进行焊接，检验焊缝质量，分析焊缝的显微组织，测 试其力学性能。结果表明，焊接工艺规范合理，焊缝质量良好，焊缝冲击断口为 韧窝断口形貌【j 川。 赵利勇3 4 1 选用超低碳铁素体不锈钢0 0 c r l 7 t i ( n b ) 为试验材料，系统分析了焊 接接头各区域的显微组织、接头内的夹杂物、力学性能，还研究了焊接工艺参数 对焊缝组织和性能的影响，试验表明，采用手工氩弧焊时焊接电流在1 0 0 1 1 0 a ， 焊接电压在1 6 1 7 v 焊接速度在2 5 3 0 c m m i n 的范围内，可以获得力学性能和耐 蚀性较好的焊接接头，同时发现，焊缝及h a z 区内的点状析出物为c r 、t i 等元 素的碳化物，它们对接头的脆化有很大贡献。 王彬针对4 3 0 铁素体不锈钢钨极惰性气体保护焊的相关问题开展研究，对焊 接接头的微观组织结构，显微硬度，接头力学性能，焊缝冲压成形能力等进行分 析，探讨焊缝组织与力学性能的关系。研究结果表明，4 3 0 不锈钢薄板采用钨极 氩弧焊时，焊接热输入是影响焊接质量的重要因素，焊缝中心存在少量等轴晶， 偏离焊缝中心出现较大的胞状晶，接近母材的热影响区则为柱状晶，晶间存在马 氏体析出；再结晶形成细小的再结晶新晶粒，减小了焊缝晶粒粗化的倾向；焊缝 硬度稍高于母材，高温热影响区硬度显著提高：成形良好的接头抗拉强度稍高于 母材，部分试样拉伸断裂起源于热影响区，断口为脆性断裂形刎3 5j 。 p b a l as r i n i v a s a n 和m p s a t i s hk u m a r 对a i s l 4 3 0 不锈钢薄板进行钨极气体 保护焊并研究其微观结构及腐蚀行为特征。结果发现，在应用低热输入的情况下， 也能发现热影响区晶粒粗大，如图1 3 ，其热输入为3 5 0 j m m 。无论是母材还是 焊缝金属热影响区在中性溶液和酸性氯化物溶液下都呈现出了较低的耐腐蚀性 能。经研究发现，焊缝各区域的抗腐蚀性能受到测试所用电解液中的氯离子的含 量的影响。不管是在中性溶液还是在酸性氯化物溶液中，焊缝热影响区比母材 对局部腐蚀表现出更高的敏感性【36 1 。 图1 3 焊缝显微组织 第一章绪论 文献【3 7 】研究了采用自动钨极氩弧焊对铁素体不锈钢a i s l 4 0 9 疲劳裂纹的生 长的影响。并对连续钨极氩弧焊( c c g t a w ) 、脉冲钨极氩弧焊( p c g t a w ) 、 等离子弧焊( p a w ) 三种焊接工艺进行对比，结：果表明热输入量较小时，应用 p a w 焊接方法的焊接接头的拉伸及冲击性能优于c c g t a w 和p c g t a w 。采用 等离子弧焊，在熔合区内出现许多细小等轴晶粒，这有利于得到优越的力学性能。 晶粒的大小对铁素体不锈钢的性能有一定的影响，同时铁素体不锈钢中的析 出相对其使用性能也有一定的影响。文献【3 8 研究了m o 、t i 、v 和n b 等稳定化 元素对l8 c r 铁素体不锈钢微观结构、热力学性能以及机械性能的影响。研究 结果表明这些稳定化元素形成了m c 碳化物，减少了m 2 3 c 6 型碳化物的数量，而 且也降低了m 2 3 c 6 型碳化物的重熔温度。c l e i t o nc s i l v a 等人应用手工电弧焊 ( s m a w ) 对a i s l 4 4 4 铁素体不锈钢进行焊接，并采用s e m 、x r d 等仪器对热 影响区微观结构进行了分析。实验结果表明，焊接热循环导致铁素体不锈钢热影 响区中析出第二相，线条状l a v e s 相析出在h a z 内，靠近半熔化区，其他第二 相如c h i ( z ) 和s i g m a ( o ) 相也被观察到，如图1 4 ，在晶界上的析出相可能是o 相， 晶内析出相为x 相【3 9 j 。 图1 - 4 a i s l 4 4 4 型铁素体不锈钢晶内及晶界析出 1 5 本课题研究目的及内容 铁素体不锈钢作为一种以铬为主要合金元素的钢种，是一种节镍经济型不锈 钢。在成形性方面，铁素体不锈钢和碳钢的成形性相同，能够加工成各种碳钢所 能塑造的形状，具有良好的冲压性能；在耐蚀性方面，铁素体不锈钢耐晶间腐蚀 和抗拉应力腐蚀能力较好，特别是添加了钛和铌等稳定元素的铁素体不锈钢：在 第一章绪论 抗氧化性能方面，铁素体不锈钢的高温表面氧化剥落倾向小于奥氏体不锈钢，含 铌的铁素体不锈钢更具有良好的蠕变能力。同时铁素体不锈钢容易回收利用，有 利于节约资源。由于铁素体不锈钢诸多优异性能，而且随着镍资源的减少以及 镍价格的波动，很多发达国家正加大对铁素体不锈钢的研究力度和生产。但是铁 素体不锈钢属于热敏感材料，受热后晶粒组织粗大，需要严格控制热输入量，而 脉冲t i g 焊采用脉冲式加热方式，容易控制热输入量，适于焊接热敏感性强的 材料，因此本文针对21 c r 铁素体不锈钢采用脉冲t i g 焊具有很大的研究意义。 脉冲t i g 焊中的主要焊接参数有脉冲电流、基值电流、脉冲持续时间、基 值持续时间、脉冲幅比、脉冲宽比、占空比和脉冲频率等，本课题主要研究脉冲 峰值电流、焊接速度、占空比和脉冲频率对焊接接：头微观组织结构和性能的影响， 具体研究内容如下： 1 ) 脉冲电流对2 1 c r 铁素体不锈钢焊缝成型、焊接接头微观组织及力学性 能的影响。其他焊接参数不变的情况下，分析不同的脉冲电流对焊缝成型的影响， 以及对焊缝微观结构的影响，对晶粒生长特征应用二元合金平衡相图及焊接过程 熔池受力进行理论分析。并对焊缝的力学性能进行考察，分析工艺参数一组织一 性能之间的相互作用机制。 2 ) 焊接速度对实验用钢焊缝外观成型、焊接接头微观组织及力学性能的影 响。固定其他焊接参数，改变焊接速度，应用金属学理论对焊后试件进行显微组 织分析，并分析焊速对力学性能的影响 3 ) 占空比和脉冲频率对21 c r 铁素体不锈钢焊缝形貌、焊接接头微观组织 及力学性能的影响。分别改变占空比和脉冲频率，研究两个参数对焊缝微观组织 的影响，并研究不同参数下力学性能的变化。 第二章脉冲峰值电流对2 1 c r 铁素体不锈钢组织及性能的影响 第二章脉冲峰值电流对2 1 c r 铁素体不锈钢组织及性能的影响 2 1 脉冲峰值电流工艺参数 脉冲电流是决定脉冲能量的一个重要因素，其大小对焊缝成型，尤其是对熔 深起到主导作用。脉冲电流过大时，容易产生咬边、烧穿等焊接缺陷，使焊缝表 面成形变差；过小容易产生未焊透的现象。脉冲电流的选择主要取决于工件材料 的性质与厚度。由于脉冲电流的作用时间极短，熔池也是在短时间内形成的，作 用时间愈短，熔深受焊件尺寸的影响程度也愈小，使焊缝成形也比较均匀。 2 1 1 实验材料 本实验所使用的材料是厚度为1 2 m m 的2 1 c r 铁素体不锈钢，其化学成分 如表2 1 所示。该铁素体不锈钢板材由均匀细小的铁素体等轴晶组成，如图2 1 。 表2 。l2 1 c r 铁素体不锈钢化学成分 第二章脉冲峰值电流对21 c r 铁素体不锈钢组织及性能的影响 2 1 2 实验设备 焊接实验中所使用的设备选用f r o n i u s 公司生产的m a g i c w a v e4 0 0 0 型焊机。 该设备电压、电流数字显示，参数值可在焊接结束后保留于屏幕。图2 2 是 m a g i c w a v e4 0 0 0 型焊机的外形图。工作台采用的是天津市国科电子科技公司制 造的s w h t - 1 a 2 c 直线焊接工作台，如图2 。3 。 图2 - 2m a g i c w a v e4 0 0 0 型焊机外形图 图2 - 3s w h t - i a 2 c 直线焊接工作台 2 1 3 脉冲峰值电流参数 本试验采用的是脉冲钨极氩弧焊接( p t i g ) ，为了避免焊接缺陷，提高焊接 第二章脉冲峰值电流对2 1 c r 铁素体不锈钢组织及性能的影响 接头的性能，焊前必须对母材进行表面清理。试样表面用砂纸仔细打磨，去除氧 化膜、油污、锈迹和机械加工残留下来的冷却液等，并用无水乙醇清洗干净。根 据铁素体不锈钢的特性，选择直流正接。采用直流正接时，工件为阳极，接受电 子轰击放出的逸出功，产生大量的热，钨极为负极，阴极发射电子，钨极不容易 烧损，可使用较大的焊接电流，生产效率高，工件收缩和变形都较小。通过改变 焊接工艺参数进行焊接。试样均采用工业纯氩保护，水平堆焊，使用专用夹具及 拖罩进行焊接时焊缝保护。图2 4 为本实验所采用的脉冲t i g 焊焊接过程示意图。 图2 - 4 脉冲t i g 焊焊接过程示意图 受焊机可设置参数的影响，设置焊接工艺参数为脉冲峰值电流( 厶) 、基值 电流( 厶) 占脉冲峰值电流( 厶) 百分比( i g ) 、占空比d c y ( 即t p 丁) 、脉冲频 率( 厂) 、焊接速度( v ) ，通过设置工作台上行走机构的行走速度实现焊接速度的 控制。焊接完成后观察焊缝的形貌，从而得知各个参数对焊缝成型的影响。脉冲 t i g 焊中，峰值电流与基值电流交替进行，脉冲电流产生较高的电弧温度和电弧 力，使难熔金属迅速形成熔池，基僮电流，一方面维持电弧稳定燃烧不致熄灭， 待下次脉冲作用时不需要重新引弧，保证电弧的稳定，另一方而为下一个焊点起 到一定的预热作用，调节电弧能量。由丁焊机限制，本实验中固定基值电流占脉 冲电流百分比为1 5 。 熔焊时，由焊接能源输入给单位长度焊缝上的热量称为热输a t 2 引。其计算公 式如式( 2 1 ) nn i u 蟛2 ( 2 1 ) 其中，9 一单位长度焊缝热输入( j c m ) 第二章脉冲峰值电流对2 1 c r 铁素体不锈钢组织及性能的影响 卜焊接电流( a ) u 电弧电压( v ) 1 ，- 一焊接速度( c m s ) 卜热效率 由于脉冲t i g 焊的焊接特点，其热输入不是连续的，峰值电流与基值电流 交替进行，因此需要进行平均电流的计算。根据图1 2 直流脉冲t i g 焊电流波形 图，计算脉冲t i g 焊中平均电流( 如) 如下面的公式。 k = 肋= 吲= 掣 弦2 ， 由公式( 2 2 ) 可得，平均电流的大小与脉冲电流、基值电流及占空比有关。 在脉冲t i g 焊过程中，包括一些固定不变的实验参数，比如喷嘴直径、保 护气体流量等，如表2 2 。表2 3 为不同峰值电流脉冲t i g 焊工艺参数。 表2 2 脉冲t i g 焊固定参数 表2 3 不同峰值电流脉冲t i g 焊工艺参数 脉冲t i g 焊 峰值电流( ，d ) a 基值电流脉冲电流( i - g ) 占空比( d c y ) 脉冲频率h z 焊接速度( v ) m m s 1 9 5 ，1 0 5 ，1 1 5 ，1 2 5 ，1 3 5 1 5 5 5 1 0 8 2 2 脉冲峰值电流对焊缝成型及微观组织的影响 对焊接接头外表面观察，焊缝致密，呈蓝色或者黄色，保护良好，未发现裂 纹、烧穿等缺陷。在金相分析过程中，采用硝酸盐酸丙三醇双氧水溶液进行腐 蚀，其体积百分比为1 ：2 ：2 ：1 。利用日本o l y m p u sd p 7 0 显微镜对样品微观结构 进行表征。 图2 - 5 ( a ) 、( b ) 、( c ) 为不同脉冲电流条件下，焊缝熔深( d ) 情况。图2 - 6 是不同脉冲电流条件下焊缝熔深图。从图中可以看出，当脉冲电流由9 5 a 增到 1 1 5 a ，熔深随着焊接电流的增大南0 3 2 m m 增加到1 2 m m ，当脉冲电流达到1 1 5 a 第二章脉冲峰值电流对2 1 c r 铁索体不锈钢组织及性能的影响 以上，焊缝完全熔透。随着昂的增加，熔深增加，这是因为峰值电流的增加，导 致在工件表面的热输入半径增大和熔池内电磁力增