焊接工藝參數對E309L藥芯焊絲焊縫金屬鐵素體數的影響

王恒，吳瑤，季文，馬雷

(清華大學，天津高端裝備研究院，天津300300)

0 前言

2015～2019年，全球的不銹鋼產量從4 154.8萬噸增加到5 221.8萬噸，中國的不銹鋼產量從2 156.2萬噸增加到2 940萬噸，中國不銹鋼產量占全球比例從51.90%增加到56.30%；中國不銹鋼消費量從1 628.47萬噸增加到2 405.33萬噸，增加47.70%[1]。中國不銹鋼的產量和消費量，自2006 年以來就一直居世界第一，其中約25%的不銹鋼需要焊接加工，而焊縫中FN對其耐蝕和力學性能有顯著影響。

鐵素體能夠吸收磷和硫，防止偏析或形成低熔點化合物，從而避免產生凝固裂紋[2]。尤其在研發E309L等低溫焊接料材中，FN對于焊接料材成分設計具有重要指導作用：FN過高，導致沖擊試樣側膨脹量過低，低溫沖擊性能較低；FN過低，導致熔敷金屬抗裂性及抗腐蝕性較差。因此，精確測量FN非常重要。目前，常用的測試FN方法有金相法、磁測法、圖譜法等[2]。金相法可測量窄焊縫、熱影響區等狹小區域，但操作復雜，測量結果可重復性差；磁測法快速、精確，但狹小區域或對磁性有干擾情況下測量誤差可能偏大；圖譜法認為合金元素對FN的影響是獨立、固定不變的，但有些元素的作用計算不正確，有些元素作用沒有考慮，對非傳統焊接方法預測誤差大。鐵素體測試儀、Schaeffler圖及WRC-1992是工程應用中最常用的測試FN方法[3]。

近年來，文獻[4-6]研究了電參數、焊絲伸出長度等單一焊接工藝參數對焊縫金屬FN的影響，但尚未見到電參數、焊絲伸出長度、氣體流量等焊接工藝參數對焊縫金屬FN綜合影響的文獻，也未有針對鐵素體測試儀、Schaeffler圖及WRC-1992圖預測FN準確性地比較。鑒于FN對不銹鋼焊接結構的抗裂性、耐蝕性和力學性能的重要影響，以及E309L藥芯焊絲焊接異種金屬時FN對不同接頭組織和力學性能的重要性，文中采用進口的E309L藥芯焊絲，研究了不同焊接工藝參數對焊縫金屬FN的影響，并對比了鐵素體測試儀、Schaeffler圖及WRC-1992圖3種測試方法測試的準確性。

1 試驗

試驗焊絲為進口的E309L不銹鋼藥芯焊絲，焊絲直徑為1.2 mm，焊接電源為Panasonic YD-500GLW，采用自動焊焊接，保護氣體為100%CO2，焊接熔敷金屬試塊為Q235鋼試塊。6組試驗焊接工藝參數見表1。

鐵素體測試參照GB/T 1954—2008《鉻鎳奧氏體不銹鋼焊縫鐵素體含量測試方法》。采用Q4 TASMAN直讀光譜分析儀測試熔敷金屬化學成分，測試結果見表2。利用FERITSCOPE FMP30鐵素體測試儀測試熔敷金屬鐵素體含量。根據焊縫金屬化學成分計算出鉻當量(Creq)及鎳當量(Nieq)，利用Schaeffler圖、WRC-1992圖計算鐵素體含量。

表1 焊接工藝參數

表2 熔敷金屬主要化學成分

試樣形狀、大小及表面無磁層厚度影響鐵素體測試儀測量結果[7]。化學成分測量和預測系統本身是圖譜法測試的主要波動來源。針對化學成分波動問題，試驗過程需在同一試驗條件、檢測環境中進行[8]；針對預測系統本身，該試驗對目前現有Schaeffler圖進行了細化處理，以降低主觀誤差，細化后的相圖如圖1所示。WRC-1992圖如圖2所示。

圖1 舍夫勒圖

圖2 WRC-1992圖

2 結果與討論

2.1 電參數對FN的影響及分析

1號、2號試驗焊絲伸出長度15 mm，氣體流量20 L/min保持不變，1號試驗焊接電參數為160 A/26 V，2號試驗焊接電參數為220 A/30 V。從表2中可以看出，1號試驗Cr元素含量(質量分數，下同)為25.07%，Ni元素含量為11.71%，N元素含量為0.030%；2號試驗Cr元素含量為24.47%，Ni元素含量為13.64%，N元素含量為0.090%。隨著焊接電參數的增大，焊縫金屬Cr含量減少0.6%，Ni含量增大1.93%，N含量增大0.060%。

不同焊接工藝參數下鐵素體測量儀、Schaeffler圖及WRC-1992圖法測試焊縫金屬FN見表3。從表中可以看出：鐵素體測試儀法測試1號試驗FN為14.24%，2號試驗為10.96%；Schaeffler圖法測試1號試驗FN為20.00%，2號試驗為12.50%；WRC-1992圖法測試1號試驗FN為29.20%，2號試驗為10.50%。6組數值平均大小為16.23%。

表3 焊縫金屬鐵素體數

進一步分析可以得出：其它焊接工藝參數不變，在較小焊接電參數下，WRC-1992圖法測試FN最大，Schaeffler圖法居中，鐵素體測試儀法最小；在較大焊接電參數下，3種方法相差不大，Schaeffler圖法數值略大于其它2種方法；大焊接電參數下3種測試方法FN均小于小電參數，且較小焊接電參數下3種測試方法FN相差較大。

焊接電參數大小變化對焊縫金屬元素含量影響較大，進而影響不同測試方法下FN變化。在較高焊接電參數下，焊縫金屬Cr元素燒損嚴重，導致Cr元素含量下降(Creq減小)，相應地，Ni，N元素含量上升(Nieq增大)；而Cr為鐵素體形成元素，Ni，N為強奧氏體形成元素，最終造成焊縫金屬FN明顯下降。圖譜法通過Cr，Ni，N等元素含量計算出Creq，Nieq，進而評估焊縫金屬FN。因此，相比鐵素體測試儀法，圖譜法對焊接電參數增大導致的FN變化更為敏感。相比Schaeffler圖法，WRC-1992圖法在其基礎上考慮了N元素對FN的影響，使得大電參數下Nieq增大更明顯(N含量增大200%)，造成FN顯著下降。因此，相比Schaeffler圖法，WRC-1992圖法對焊接電參數增大導致的FN變化更為敏感。

2.2 焊絲伸出長度對FN的影響及分析

3號、4號試驗焊接電流180 A，電弧電壓28 V，氣體流量20 L/min保持不變，3號試驗焊絲伸出長度為10 mm，4號試驗焊絲伸出長度為20 mm。從表2中可以看出，3號試驗Cr元素含量為24.64%，Ni元素含量為12.54%，N元素含量為0.047%；4號試驗Cr元素含量為24.19%，Ni元素含量為13.60%，N元素含量為0.049%。隨著焊絲伸出長度的增大，焊縫金屬Cr元素含量減少0.45%，Ni元素含量增大1.06%，N元素含量基本不變。

從表3中可以得出：鐵素體測試儀法測試3號試驗FN為16.08%，4號試驗為15.78%；Schaeffler圖法測試3號試驗FN為17.80%，4號試驗為13.00%；WRC-1992圖法測試3號試驗FN為21.80%，4號試驗為13.00%。6組數值平均大小為16.24%。

進一步分析可以得出，其它焊接工藝參數不變，當焊絲伸出長度為10 mm時，WRC-1992圖法測試FN最大，Schaeffler圖法居中，鐵素體測試儀法最小；當焊絲伸出長度為20 mm時，Schaeffler圖法與WRC-1992圖法測試FN相等，且均小于鐵素體測試儀法。隨著焊絲伸出長度增大，3種測試方法FN均減少，相比較，鐵素體測試儀法FN僅減少0.30%，Schaeffler圖法減少4.80%，WRC-1992圖法減少8.80%。表明鐵素體測試儀、Schaeffler圖、WRC-1992圖3種測試方法對焊絲伸出長度改變導致的FN變化敏感性逐漸增大。相比電參數，焊絲伸出長度的改變對3種測試方法下焊縫金屬FN的影響較小。

在焊接過程中，焊絲伸出長度變化，一方面影響CO2保護氣體對焊縫金屬的保護作用，從而影響空氣中氣體侵入焊接區與焊縫金屬發生作用；另一方面影響焊接電參數大小，進而影響焊縫金屬中Cr，Ni元素含量。雖然相比電參數，焊絲伸出長度改變導致焊縫金屬元素含量變化不大，但由于Schaeffler圖與WRC-1992圖本身的區別(Schaeffler圖考慮了Mn，Si元素的影響，WRC-1992圖考慮了N，Cu元素的影響)，WRC-1992圖法在不同焊絲伸出長度下FN變化波動比Schaeffler圖法更大。相比圖譜法，鐵素體測試儀法對焊絲伸出長度改變導致的FN變化波動不大。

2.3 氣體流量對FN的影響及分析

5號、6號試驗焊接電流180 A，電弧電壓28 V，焊絲伸出長度15 mm保持不變，5號試驗氣體流量為5 L/min，6號試驗氣體流量為20 L/min。從表2中可以看出，5號試驗Cr元素含量為24.69%，Ni元素含量為13.00%，N元素含量為0.068%；6號試驗Cr元素含量為24.61%，Ni元素含量為12.94%，N元素含量為0.124%。隨著氣體流量的增大，焊縫金屬Cr，Ni含量基本不變，N元素含量增大0.056%。

從表3中可以得出：鐵素體測試儀法測試5號試驗FN為19.12%，6號試驗為20.92%；Schaeffler圖法測試5號試驗FN為16.00%，6號試驗為15.80%。WRC-1992圖法測試5號試驗FN為18.50%，6號試驗為12.80%。6組數值平均大小為17.19%。

進一步分析可以得出，其它焊接工藝參數不變，在大小2種氣體流量下，鐵素體測試儀法測試FN均大于圖譜法；隨著氣體流量的增大，鐵素體測試儀法測試FN略有增大，Schaeffler圖法變化不大，WRC-1992圖法降低較為明顯。

在焊接過程中，氣體流量變化，主要影響CO2保護氣體對焊縫金屬的保護作用，從而影響空氣中氣體侵入焊接區與焊縫金屬發生作用。不同氣體流量下，Cr，Ni，Mn等元素含量基本不變，而大氣體流量下N元素含量變化較大。相比Schaeffler圖法，WRC-1992圖法在計算FN時考慮了N元素的影響，大氣體流量相比小氣體流量，焊縫金屬N元素含量增大45.16%。因此，WRC-1992圖法對氣體流量改變導致的FN變化更為敏感。

2.4 綜合對比及分析

不同焊接工藝參數對FN的影響如圖3所示。從圖3中可以看出，不同焊接工藝參數下3種方法測試FN波動均較大，且沒有較明顯的規律。測試儀法測試FN平均值為16.18%，Schaeffler圖法測試FN平均值為15.85%，WRC-1992圖法測試FN平均值為17.63%，3種方法相差不大，且FN大約在15.85%～17.63%之間波動，波動區間小于2%。在此范圍指導下，3號、4號試驗(焊絲伸出長度改變)下測試儀法測試FN分別為16.08%，15.78%，較為接近；5號、6號試驗(氣體流量改變)下Schaeffler圖法測試FN分別為16.00%，15.80%，較為接近；WRC-1992圖法在3種工藝參數下測試每2種FN波動均較大，表明WRC-1992圖法對焊接工藝參數改變導致的FN變化更為敏感。

圖3 焊接工藝參數對FN的影響

從圖中1號、6號、2號試驗可以看出：當焊絲伸出長度15 mm、氣體流量20 L/min保持不變，隨著焊接電流、電弧電壓的增大，焊接熱輸入的增加，鐵素體測試儀法測試FN先增大后減小，分別為14.24%，20.92%，10.96%；Schaeffler圖法測試FN逐漸減小，分別為20.00%，15.80%，12.50%；WRC-1992圖法測試FN逐漸減小，分別為29.20%，12.80%，10.50%，且比Schaeffler圖法波動大。以上結果表明：隨著焊接熱輸入的增加，圖譜法測試FN逐漸減小，且與測試儀法不同；相比Schaeffler圖法，WRC-1992圖法對焊接電參數改變導致的FN變化更為敏感。

從圖中3號、6號、4號試驗可以看出：焊接電流180 A，電弧電壓28 V，氣體流量20 L/min保持不變，隨著焊絲伸出長度的增大，測試儀法測試FN先增大后減小，分別為16.08%，20.94%，15.78%；Schaeffler圖法測試FN逐漸減小，分別為17.80%，15.80%，13.00%；WRC-1992圖法測試FN先減小后趨于穩定，分別為21.80%，12.80%，13.00%。以上結果表明：3種測試方法對焊絲伸出長度的改變導致的FN變化趨勢各不相同，WRC-1992圖法變化幅度更大。相比較，WRC-1992圖法在Schaeffler圖法的基礎上考慮了N元素，而焊絲伸出長度變化影響N元素含量。因此，WRC-1992圖法對焊絲伸出長度改變下預測FN更為準確。

從圖中5號、4號試驗可以看出：焊接電流180 A，電弧電壓28 V保持不變，隨著焊絲伸出長度、氣體流量的增大，3種方法測試FN均減小，分別從19.12%減小為15.78%，16.00%減小為13.00%，18.50%減小為13.00%。表明適當地降低焊絲伸出長度和氣體流量可以增大焊縫金屬FN。

從以上可以得出：在3種測試方法下，焊絲伸出長度、氣體流量、焊接電參數的改變對FN變化敏感性逐漸增大；測試儀法、Schaeffler圖法、WRC-1992圖法對單一焊接工藝參數改變下的FN變化敏感性逐漸增大。

3 結論

(1)焊縫金屬FN隨焊接電參數的改變變化最大，氣體流量居中，焊絲伸出長度最小；適當地增大焊絲伸出長度和氣體流量可以降低FN。

(2)焊縫金屬中N元素對氣體流量、焊絲伸出長度的改變變化比較敏感，WRC-1992圖法因考慮了N元素的作用，測試結果更準確；鐵素體測試儀法適合測試正常工藝參數下的FN。

(3)隨著焊接電參數、焊絲伸出長度、氣體流量的增大，Schaeffler圖法測試焊縫金屬FN均逐漸減小。