不銹鋼與耐候鋼MIG電弧釬焊工藝

戴忠晨，周成候，孟憲偉，彭元朝，劉 杰，周龍早

（1.中車南京浦鎮車輛有限公司，江蘇 南京 210031；2.華中科技大學 材料科學與工程學院，湖北 武漢 430074）

不銹鋼與耐候鋼MIG電弧釬焊工藝

戴忠晨1，周成候1，孟憲偉1，彭元朝1，劉 杰2，周龍早2

（1.中車南京浦鎮車輛有限公司，江蘇 南京 210031；2.華中科技大學 材料科學與工程學院，湖北 武漢 430074）

采用手工MIG電弧釬焊工藝對SUS304不銹鋼與Q355GNHD耐候鋼薄板對接接頭進行工藝試驗，按照相關技術標準進行焊接工藝評定。結果表明，MIG電弧釬焊工藝能夠成功用于SUS304不銹鋼和Q355GNHD耐候鋼薄板對接接頭的釬焊，焊縫成形質量良好，經X射線探傷無缺陷；接頭的抗拉強度平均值為339.58 MPa，接頭強度系數為78.97%。采用光學顯微鏡觀察SUS304不銹鋼與銅基釬料間產生的滲透裂紋，討論滲透裂紋的產生機理。

不銹鋼；耐候鋼；MIG電弧釬焊；滲透裂紋

0 前言

高速化、輕量化、高強度是現代軌道車輛的發展趨勢，在減輕車輛質量的同時，需保證其高強度、承載性和良好的耐腐蝕性；同時，車輛用鋼應具備較好的焊接性和較高的性價比[1]。耐候鋼是通過在鋼中添加微量的合金元素（如 Cu、P、Cr、Ni）使其在大氣腐蝕過程中改變生銹部位的物理化學特性來抑制腐蝕進程，耐腐蝕性能良好；奧氏體不銹鋼具有優良的耐高溫、耐氧化和抗腐蝕能力[2-4]。采用耐候鋼和不銹鋼異種鋼焊接結構設計，可以充分發揮兩種材料的特性，且焊接接頭具有優良的綜合力學性能和較好的耐腐蝕性能[3-4]；此外，因為不銹鋼的價格是耐候鋼的幾倍，所以有些車體結構采用不銹鋼和耐候鋼搭配使用，這樣可以大大降低成本。

由于不銹鋼與耐候鋼的熔點、導熱系數、熱膨脹系數等熱物理性能方面存在較大的差異，因此在焊接熱源作用下，兩種母材產生的變形和熔化量不一致，從而導致焊接變形和焊縫成形變差[5-6]。為了控制焊接變形和改善焊縫成形質量，需要采用低熱輸入的焊接工藝，電弧釬焊工藝（例如MIG釬焊和MAG釬焊等）因采用低熔點的銅基焊接材料，與熔化焊接工藝（例如MIG焊和MAG焊等）相比，其熱輸入低，因此，電弧釬焊工藝非常適合于不銹鋼與耐候鋼異種鋼的焊接[7-9]。

目前有關不銹鋼和耐候鋼薄板的電弧釬焊工藝的研究報道較少。因此，本研究采用手工MIG電弧釬焊工藝對SUS304不銹鋼與Q355GNHD耐候鋼薄板對接接頭進行了工藝試驗，并且按照相關技術標準進行焊接工藝評定。此外，采用光學顯微鏡觀察SUS304不銹鋼與銅基釬料間產生的滲透裂紋，并且討論滲透裂紋的產生機理。試驗結果為不銹鋼與耐候鋼MIG電弧釬焊工藝在車體焊接中的應用提供了參考依據。

1 試驗材料、方法及設備

1.1 試驗材料

試驗材料為Q355GNHD耐候鋼和SUS304不銹鋼。Q355GNHD耐候鋼的化學成分如表1所示，力學性能如表2所示，其含碳量低、合金元素含量較少，焊接性良好。雖然鋼中含有Cu、P等元素，但由于銅的含量較少，焊接時一般不會產生熱裂紋，同時，鋼中碳和磷的含量都控制在較低水平，其冷裂傾向不大[10]。

表1 Q355GNHD耐候鋼化學成分Table 1 Chemical composition of Q355GNHD weathering steel %

表2 Q355GNHD耐候鋼力學性能Table 2 Mechanical properties of Q355GNHD weathering steel

SUS304不銹鋼屬于奧氏體不銹鋼，其化學成分如表3所示，力學性能如表4所示，室溫下其塑性、韌性很好，同時焊接性良好，焊接時產生冷裂紋的傾向小[11]。但奧氏體不銹鋼焊接時，熱裂紋敏感性較高，在焊縫及近縫區均有可能產生熱裂紋，因此SUS304薄板宜采用較小的熱輸入焊接。

試驗采用CuAl8實心焊絲作為釬料，其化學成分如表5所示。

表3 SUS304不銹鋼化學成分%Table 3 Chemical composition of SUS304 stainless steel

表4 SUS304不銹鋼力學性能Table 4 Mechanical properties of SUS304 stainless steel

表5 CuAl8焊絲化學成分Table 5 Chemical composition of CuAl8 wire %

1.2 試驗方法及設備

1.2.1 接頭形式

SUS304不銹鋼和Q355GNHD耐候鋼試板的規格均為350 mm×150 mm×2 mm，接頭形式為對接接頭，沿試板長度方向進行平焊，如圖1所示。

圖1 對接接頭示意Fig.1 Schematic diagram of butt joint

1.2.2 焊接方法及設備

采用手工MIG電弧釬焊工藝進行SUS304不銹鋼和Q355GNHD耐候鋼薄板對接釬焊試驗，焊接電流40～90 A，焊前對試板進行點固，然后采用專用夾具進行裝夾、固定，防止焊后試板發生變形。焊前采用砂輪打磨試板距焊縫中心20 mm區域，并用丙酮擦拭；裝配時試板之間的間隙應盡可能小。

焊接設備是德國EWM公司生產的Alpha Q351 MIG/MAG多功能焊機。該焊機具有獨特的Cold Arc技術，是一種新型的熔化極氣體保護電弧焊方法，通過精確控制和調節電弧電壓和焊接電流，使電弧穩定的同時顯著降低熱輸入。

1.2.3 X射線探傷

采用XXG2005型X射線無損檢測設備檢測焊縫，主要目的是檢測焊縫是否出現氣孔和裂紋等缺陷。

1.2.4 顯微組織觀察

采用GB/T13298-1991規定的試驗方法，在試板的相應位置截取金相試樣。采用砂紙打磨金相試樣，拋光機拋光。因為是異種鋼焊接，所以采用分區域腐蝕的方法進行腐蝕：SUS304不銹鋼與釬料連接一側采用體積比為3∶1∶4的HCl/HNO3/H2O混合酸溶液進行腐蝕，腐蝕時間40 s；Q355GNHD耐候鋼與釬料連接一側采用體積比為4%的硝酸酒精進行腐蝕，腐蝕時間15 s。腐蝕完成后使用無水乙醇清洗，然后使用LWD300LMDT型金相顯微鏡觀察微觀組織。

1.2.5 拉伸試驗

接頭的室溫拉伸性能試驗按照《DIN-1900》標準進行，采用WD-200B型微機控制電子萬能試驗機進行拉伸試驗。

1.2.6 彎曲試驗

接頭的室溫彎曲性能試驗按照《DIN-1900》標準進行，采用WB-1000KN型三點彎曲試驗機進行橫向正彎試驗。

2 試驗結果和分析

2.1 焊接工藝參數優化

由于手工MIG電弧釬焊的主要工藝參數為焊接電流，因此通過工藝參數優化試驗獲得的焊接電流為 80～90 A。

2.2 X射線探傷

按照射線探傷NB/T47013.2-2015標準，要求焊縫的合格級別為Ⅰ級。采用XXG2005型X射線無損檢測設備對SUS304不銹鋼和Q355GNHD耐候鋼異種鋼對接焊縫進行X射線探傷試驗，透照方式為單臂單影，曝光時間1.5 min，檢測結果如圖2所示，所測焊縫無未熔合和裂紋等缺陷。

圖2 X射線檢驗結果Fig.2 Results of X-ray test

2.3 焊縫成形

焊縫的正、反面成形如圖3所示。由圖3a可知，焊縫正面成形質量良好，焊縫飽滿，無咬邊、未熔合和表面氣孔等缺陷；由圖3b可知，焊縫背面未焊透。

圖3 焊縫外觀成形Fig.3 Appearance of weld

2.4 力學性能檢測

2.4.1 拉伸試驗

拉伸試樣的斷裂情況如圖4所示。由圖4可知，拉伸試樣斷裂在釬縫上，為典型的脆性斷裂模式，說明釬縫的抗拉強度低于母材的抗拉強度。

圖4 拉伸試樣斷裂情況Fig.4 Fracture situation of tensile specimen

接頭的抗拉強度試驗結果如表6所示。兩種母材中耐候鋼的抗拉強度實驗值最低，為430.12 MPa；接頭的抗拉強度分別為326.30 MPa和352.87 MPa，平均抗拉強度339.58MPa，接頭強度系數78.97%。

表6 拉伸試驗結果Table 6 Results of tensile test

2.4.2 彎曲試驗

MIG電弧釬焊接頭彎曲試驗結果如圖5所示，兩次試驗的彎曲角分別為97°和96°，平均彎曲角為96.5°。檢視彎曲后的試樣，在其反面發現裂紋。

2.5 接頭宏觀形貌和界面微觀組織

接頭宏觀形貌如圖6所示。釬料在母材上潤濕鋪展較好，焊縫無宏觀裂紋缺陷，焊縫未焊透，母材熔化部分較少。

圖5 彎曲試驗結果Fig.5 Results of bending test

如圖6所示，可將接頭劃分成幾個區域。其中，CuAl8釬料與Q355GNHD耐候鋼連接一側，A區母材基本沒有熔化；由A區到B區，母材發生少量熔化；而B區到C區之間，母材熔化量變大。CuAl8釬料與SUS304不銹鋼連接一側，H區母材基本沒有熔化；由H區到G區，母材發生少量熔化；由G區到F區，母材熔化量增大。

耐候鋼與CuAl8釬料連接一側的各個部位的界面組織如圖7所示。A區的Q355GNHD耐候鋼母材幾乎沒有熔化，釬料與母材未發生混合，僅通過元素的相互擴散在釬料與母材界面處形成較薄的過渡層，如圖7a所示。B區和C區的Q355GNHD耐候鋼母材發生較為明顯的熔化，釬料和熔化的母材相互混合形成一定厚度的界面反應層，如圖7b和7c所示。D區的耐候鋼母材發生明顯熔化，釬料與熔化的母材發生混合，形成厚度較大的反應層，如圖7d所示。

圖6 接頭宏觀形貌Fig.6 Macroscopic morphology of joint

SUS304不銹鋼與CuAl8釬料連接一側的各個部位的界面組織如圖8所示。E區域的不銹鋼母材發生明顯熔化，釬料與熔化的母材發生混合，形成厚度較大的反應層，如圖8a所示。F區和G區的SUS304不銹鋼母材發生較為明顯的熔化，CuAl8釬料與熔化的不銹鋼母材相互混合，形成一定厚度的界面反應層，如圖8b和8c所示；同時，F、G區中出現滲透裂紋。SUS304母材幾乎沒有熔化，釬料與母材未發生混合，僅通過元素的相互擴散在釬料與母材界面處形成較薄的過渡層，如圖8d所示。

2.6 滲透裂紋

試驗過程中發現，在SUS304不銹鋼母材一側焊道下出現裂紋，如圖9所示，而在Q355GNHD耐候鋼母材上沒有發現類似裂紋。原因為：SUS304不銹鋼屬于奧氏體鋼，因含有較多容易形成低熔點共晶物質的元素（如Ni等），并且在晶界處形成低熔點共晶物質使晶界弱化，在焊接熱應力的作用下容易出現熱裂紋。在采用銅基釬料進行焊接時，液態銅或銅合金在對奧氏體不銹鋼晶界進一步潤濕、滲透與弱化，在焊接熱應力作用下，沿晶界滲透擴展開裂；而Q355GNHD耐候鋼屬于鐵素體鋼，不易形成弱化晶界的低熔共晶，因此，液態銅及銅合金對其晶界的滲透力降低，不易形成滲透裂紋[12]。試驗發現，隨著焊接電流的增大，SUS304奧氏體不銹鋼與CuAl8釬料連接一側滲透裂紋的數量增多，同時裂紋擴展的深度變大。

圖7 CuAl8釬料與Q355GNHD耐候鋼連接一側的接頭界面情況Fig.7 Interface between CuAl8 solder and Q355GNHD weathering steel

圖8 不銹鋼與釬料連接一側的接頭界面情況Fig.8 Interface between stainless steel and solder

圖9 釬焊接頭不銹鋼一側的滲透裂紋Fig.9 Penetration of cracks in the stainless steel of brazing joint

3 結論

（1）成功實現了SUS304不銹鋼和Q355GNHD耐候鋼異質鋼的MIG電弧釬焊，推薦工藝參數為：焊接電流80～90 A。

（2）焊縫成形質量良好，X射線檢測結果表明焊縫無未熔合和表面裂紋等缺陷。

（3）接頭金相試驗結果顯示，MIG電弧釬焊接頭具有熔焊和釬焊的雙重性質，SUS304不銹鋼和Q355GNHD耐候鋼兩種母材均發生了部分熔化。

（4）接頭的平均抗拉強度為339.58MPa，接頭強度系數為78.97%。

（5）因為Cu原子的滲透作用，在銅基釬料與SUS304不銹鋼的界面上會產生滲透裂紋，并且沿著不銹鋼奧氏體晶界向母材厚度方向擴展；而在銅基釬料與Q355GNHD耐候鋼一側沒有發現滲透裂紋。

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MIG arc brazing technology of stainless steel and weathering steel

DAI Zhongchen1，ZHOU Chenghou1，MENG Xianwei1，PENG Yuanchao1，LIU Jie2，ZHOU Longzao2
（1.CRRC Nanjing Puzhen Co.，Ltd.，Nanjing 210031，China；2.School of Materials Science and Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China）

The butt joints of SUS304 stainless sheet steel and weathering sheet steel are carried out technological test with manual MIG arc brazing.Meanwhile，welding procedure qualification is executed according to the relevant technical codes.The results show that the MIG arc brazing is successfully used for butt joint brazing of SUS304 stainless sheet steel and Q355GNHD weathering sheet steel.The appearance of weld is good，and the weld is defect-free by using X-ray detection.The average tensile strength of joint is 339.58 MPa，and the strength coefficient of joint is 78.97%.The penetrant cracks between SUS304 austenitic stainless steel and copper base brazing filler metal are observed by optical microscope，and the production mechanism of penetrant crack is discussed.

stainless steel；weathering steel；MIG arc brazing；penetrant crack

TG457.11

A

1001-2303（2017）10-0029-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.10.06

本文參考文獻引用格式：戴忠晨，周成候，孟憲偉，等.不銹鋼與耐候鋼MIG電弧釬焊工藝[J].電焊機，2017，47（10）：29-34.

2017-03-17；

2017-05-14

戴忠晨（1979—），男，高級工程師，學士，主要從事軌道車輛車體焊接工藝方面的工作。E-mail：961552952@qq.com。