建筑結構中不銹鋼TIG焊組織性能研究

尹小林

(攀枝花天譽工程檢測有限公司, 四川攀枝花 617000)

不銹鋼結構具有造型美觀、易于維護、生命周期長、成本低等優點，能夠循環利用，簡單方便，有利于可持續發展，因此不銹鋼在建筑結構中也有很好的發展前景。

目前國內在不銹鋼焊接工藝中大部分都是采用純氬氣保護，這種方法對于焊接比較薄的不銹鋼工件可以達到滿意效果，但對于較厚的工件達不到理想效果[1]。研究氬氫混合氣體代替純氬氣作為保護氣體，可以有效解決這一問題，拓寬要使用TIG焊接的工件的厚度上限，減少開坡口的復雜程序，大大節省時間，提高生產效率。

1 研究內容

304不銹鋼屬于奧氏體不銹鋼，碳含量小于0.08 %，鉻含量為19 %左右，鎳含量為9 %左右，其中的硫磷等有害元素含量極低。在焊接304不銹鋼時，熔池的熱傳導速率明顯要低于碳鋼，焊接先產生的熔池對后焊的母材有明顯的預熱作用，在相同的焊接參數下，不銹鋼的母材比碳鋼的熔化速度要快得多，只有通過合理的控制焊接參數和改進焊接工藝才能得到既美觀又優質的焊縫。由于不銹鋼的熱膨脹系數大，因此焊接時板材板材變形量大的問題不可忽略[2]。

由于焊前清理、焊接參數、焊后處理等多種因素的影響，焊接接頭處的組織可能有很大變化，進而影響焊縫的美觀和質量。鑒于此，本文主要研究建筑結構中不同比例的氬氫混合氣體對304不銹鋼板TIG焊接接頭組織性能的影響。研究內容如下：

(1)分析混合氣體對焊縫成形的影響及其原因，確定一組適合于焊接4mm厚的304不銹鋼的焊接參數。

(2)以304不銹鋼TIG焊的焊接接頭為研究對象，宏觀觀察不同比例的氬氫混合氣體對304不銹鋼焊縫形貌和寬度的影響。

(3)將不銹鋼焊縫接頭處切下小塊，制成試樣，拋光腐蝕放在金相顯微鏡下觀察顯微組織的不同，分析不同保護氣體對焊接接頭的影響。

2 試驗過程

2.1 試驗系統搭建

本試驗使用YC-300WX4N型TIG焊機、半自動焊接小車、氣體混合配比器、氬氣減壓器、氫氣減壓器、氬氣氫氣各一罐、皮管數根及卡箍多個等搭建一個焊接試驗系統，來完成此次焊接試驗。

試驗的原材料為普通的4mm厚的304不銹鋼板，并使用與母材為同種材料的2mm直徑的不銹鋼焊絲進行填充。

2.2 試驗方法

首先將母材在切割機上切成150mm×150mm的小塊，并清理干凈，然后用砂紙清除掉試板上的氧化膜。

本試驗TIG焊使用直流正接(母材接正極，鎢極接負極)的方法，這樣做是因為負極溫度低，可以防止鎢極受熱熔化，同時正極溫度高，可以更快更好地使母材熔化，更容易焊接[3]。焊接電流選為120A，焊接速度為100mm/min，氣體流量為15L/min，選擇鎢絲直徑為2.4mm，鎢極伸出長度為2mm，噴嘴與工件距離為6mm。然后分別使用純氬、含氫量為2 %、4 %、7 %和10 %的氬氫混合氣體作為焊接保護氣體進行焊接，得到試驗所需要的焊縫。

2.3 顯微組織觀察

將TIG焊后的不銹鋼板分別從焊縫中間位置切割出10mm×5mm的小試樣，同時切割出一塊同樣尺寸的母材試樣做對比。把五個小試樣鑲嵌起來進行打磨、拋光、腐蝕，然后使用金相顯微鏡觀察其組織結構。

3 焊縫接頭觀察與分析

3.1 焊縫接頭宏觀觀察

焊縫宏觀組織見圖1。

通過對焊縫宏觀組織圖進行對比，可以看出焊接保護氣體純氬與不同比例的氬氫混合氣體在同樣焊接參數條件下的所得焊縫之間有很大差別。從熔寬上看，只用氬氣作保護氣體的焊縫寬度比用氬氫混合氣體作保護氣體的焊縫寬度寬，當氫的含量增加時，熔寬由窄變寬，其中用Ar+7 %H2混合氣體作保護氣的熔寬最窄；從焊縫顏色上看，用氬氫氣體作保護氣體的焊縫顏色主要為金黃色和紫紅色，而只用氬氣作保護氣體的焊縫顏色主要是深紅色或黑色；從熱影響區看，只用氬氣作保護氣體的焊縫熱影響區比用氬氫混合氣體作保護氣體的焊縫熱影響區寬。從熔深上看，只用氬氣作保護氣體的熔池深度比用氬氫作保護氣體的熔池深度淺，當氫的含量增加時，熔池深度由深變淺，其中Ar+7 %H2混合氣體作保護氣體的熔池深度最深。

(a)焊接保護氣體Ar

(b)焊接保護氣體Ar+2%H2

(c)焊接保護氣體Ar+4%H2

(d)焊接保護氣體Ar+7%H2

(e)焊接保護氣體Ar+10%H2圖1 焊縫熔池觀察

3.2 焊縫接頭微觀組織觀察

此次試驗在顯微鏡下觀察了304不銹鋼在不同的保護氣體下的焊接接頭區域的顯微組織。焊接接頭包括焊縫區、熔合區、熱影響區(圖2)[4]。

圖2 焊接接頭組成示意

304不銹鋼焊接接頭的顯微組織中相的組成，在不同的焊接工藝條件下都是相似的，都是由黑色的鐵素體和白色的奧氏體組成[5]。但由于保護氣體的不同，因此焊接接頭中的晶粒尺寸也會不同。

3.2.1 焊縫區微觀組織

焊縫區微觀組織見圖3。

通過對顯微組織圖進行對比，可以看出當使用氬氫混合氣體作保護氣體時焊縫區的鐵素體較使用純氬作保護氣體的焊縫區處要少，根據理論對比分析知，由于使用氬氫混合氣體作保護氣體時焊縫區的溫度比使用純氬作保護氣體時的焊縫區要高，熱輸入也高，且冷卻所需要的時間更長，鐵素體轉變為奧氏體的效率更高，時間更久，因此其鐵素體要少些。且在當氫氣比例為7 %時晶粒更加細小。

(a)焊接保護氣體Ar

(b)焊接保護氣體Ar+2%H2

(c)焊接保護氣體Ar+4%H2...

(d)焊接保護氣體Ar+7%H2

(e)焊接保護氣體Ar+10%H2圖3 焊縫區微觀組織

3.2.2 熔合區微觀組織

熔合區微觀組織見圖4。

通過對顯微組織圖進行對比，可以看出在使用純氬做保護氣體的焊接條件下，不銹鋼試樣熔合區的組織明顯粗大，而且熔合線右側焊縫區形成了比較粗大的奧氏體柱狀晶；而在氬氫混合氣體作保護氣體的焊接條件下，不銹鋼試樣熔合區的組織較為細小，其中含氫量為7 %時最為細小。而且在焊縫區出現了比較密集的鐵素體，出現此現狀的原因是由于熱輸入較高。而且有研究表明，在TIG焊的條件下，隨著熱輸入量的進一步增大，熔合區的熔合線會更加明顯，這是由于冷卻速度變快造成的，隨著熱輸入量的不斷增加，在母材附近的熱影響區內奧氏體晶粒會有明顯的長大跡象。

(a)焊接保護氣體Ar

(b)焊接保護氣體Ar+2%H2

(c)焊接保護氣體Ar+4%H2

(d)焊接保護氣體Ar+7%H2

(e)焊接保護氣體Ar+10%H2圖4 熔合區微觀組織

3.2.3 焊縫接頭熱影響區觀察

焊縫熱影響區微觀組織見圖5。

(a)焊接保護氣體Ar

(b)焊接保護氣體Ar+2%H2

(c)焊接保護氣體Ar+4%H2

(d)焊接保護氣體Ar+7%H2

(e)焊接保護氣體Ar+10%H2圖5 熱影響區微觀組織

通過對顯微組織圖進行對比，可以看出使用氬氫混合氣體作保護氣體時由于焊接熱輸入高，它的晶粒尺寸要比使用純氬作保護氣體時大，且由于該熱影響區受高溫影響的時間較長，使其中的鐵素體轉化為灰白色的奧氏體。但仍有大量的黑色鐵素體的存在，其中氫含量為7 %時最為明顯。

4 結論

(1)當焊接板厚為4mm的304不銹鋼板時，最合適的焊接參數為焊接電流選為120A，焊接速度為100mm/min，選擇含氫量為7 %的氬氫混合氣體，氣體流量為15L/min，選擇鎢絲直徑為2.4mm，鎢極伸出長度為2mm，噴嘴與工件距離為6mm。

(2)使用氬氫混合氣體作保護氣體焊接不銹鋼時，只用氬氣作保護氣體的焊縫寬度比用氬氫混合氣體作保護氣體的焊縫寬度寬，當氫的含量增加時，熔寬由窄變寬，其中用Ar+7 %H2混合氣體作保護氣體的熔寬最窄。

(3)使用氬氫混合氣體作保護氣體焊接不銹鋼時，只用氬氣作保護氣體的熔池深度比用氬氫作保護氣體的熔池深度淺，當氫的含量增加時，熔池深度由深變淺，其中Ar+7 %H2混合氣體作保護氣體的熔池深度最深。

(4)304不銹鋼焊接接頭的顯微組織中物相的組成，在不同的保護氣體焊接條件下都是相似的，都是由黑色的鐵素體和白色的奧氏體組成。但由于焊接保護氣體的不同，焊接熱輸入量不同，焊接接頭中各自的晶粒尺寸也有所不同，由此表現出的組織形態也有所差異。當使用含氫量為7 %時晶粒相對細小，鐵素體含量相對較多，使其有較好的耐應力腐蝕性能。