活性劑對鐵素體不銹鋼A-TIG接頭熔深及組織性能研究

朱嘉文，李佳，楊成剛，吳集思，張鑫

活性劑對鐵素體不銹鋼A-TIG接頭熔深及組織性能研究

朱嘉文1，李佳2，楊成剛1，吳集思1，張鑫1

（1.南昌航空大學 焊接工程系，南昌 330063；2.陸軍航空兵學院，航空機械工程系，北京 101123）

選用430鐵素體不銹鋼作為研究對象，對比研究添加SiO2、TiO2、Cr2O3和未添加活性劑對A-TIG焊接接頭顯微組織和力學性能的影響。采用3種活性劑涂覆在430鐵素體不銹鋼上進行A-TIG試驗，分析活性劑對接頭熔深、組織、性能、元素含量的影響情況。同一焊接工藝參數下，活性劑的加入均能提高焊縫的熔深和深寬比，減少熔寬；其中，SiO2為活性劑時獲得了最佳的焊縫幾何形貌。同時，對比常規TIG焊接（未添加活性劑）接頭的顯微組織及力學性能可知，活性劑的加入并未改變焊接接頭的顯微組織且無新相的生成；活性劑的添加能夠細化接頭組織，從而使得接頭硬度有所提高。活性劑的加入能夠顯著增加鐵素體不銹鋼TIG焊縫熔深，改善接頭組織，提高接頭硬度。

鐵素體不銹鋼；A-TIG；焊縫熔深；微觀組織；硬度

鐵素體不銹鋼（FSS）因具有更低的熱膨脹系數及較低的價格，在一些相關領域能夠較好地替代奧氏體不銹鋼的應用，尤其是在汽車排氣系統中[1-7]。然而對其進行焊接時，焊縫熱影響區容易發生過度長大，從而導致焊縫接頭性能下降，極大限制了中厚板鐵素體不銹鋼的應用和發展，故焊接時需嚴格控制其熱輸入。鎢極氬弧焊（TIG）是鐵素體不銹鋼常用焊接方法之一，但單道熔深較淺（≤3 mm），使得該工藝的生產效率較低。

為提高鐵素體不銹鋼的TIG焊接生產效率，20世紀60年代，巴頓焊接研究所提出了一種名為A-TIG的焊接工藝[8-16]，即在TIG焊接的基礎上，焊前在工件表面用刷子沉積一層帶有溶劑（丙酮或酒精）的活性劑，干燥后再進行焊接。隨后，大量科研工作者采用此焊接工藝對鐵素體不銹鋼進行了相關研究[17-18]。其中，蔡靜[19]采用A-TIG焊接方法對2 mm厚430鐵素體不銹鋼進行了焊接，并對接頭顯微組織及力學性能進行了研究。結果表明，Cr2O3活性劑的加入能夠顯著降低臨界熔透電流，增加焊縫熔深，而且焊接接頭顯微組織及力學性能與常規TIG所獲焊接接頭類似，并無顯著差異。同時，胡繩蓀等[20]采用A-TIG焊對3 mm厚430鐵素體不銹鋼進行焊接，并選用了常見的氧化物和鹵化物進行單一組分對照試驗。研究表明，氧化物活性劑增加焊縫熔深的效果更為顯著，最佳活性劑可使焊縫熔深達到傳統TIG焊的2.46倍。組織結果和力學性能測試顯示，與TIG焊縫相比，使用活性劑后焊縫中的鐵素體晶粒尺寸略有減小，但硬度和拉伸強度變化不大。此外，周仕遠[21]針對3 mm厚430鐵素體不銹鋼，對比研究了等離子焊和TIG焊兩種焊接方法，并分析了2種焊接接頭的顯微組織、力學性能及耐腐蝕性能。研究結果表明，采用TIG所獲焊縫由鐵素體和生長在其晶界處的板條狀馬氏體組成，且當焊接速度為160 mm/min時，焊縫中的馬氏體含量最高。隨著焊接速度的增大，熱影響區中粗晶區和細晶區晶粒尺寸均減小。采用等離子焊所獲焊縫由中心較大的胞狀晶和邊緣的柱狀晶組成，均為較粗大的鐵素體組織和釘扎在鐵素體晶界中一定量的板條狀馬氏體組織，熱影響區組織由粗晶區和細晶區組成，且出現明顯的分界線，從而導致其力學性能降低。由此可知，采用A-TIG焊可對厚度較薄的430鐵素體不銹鋼進行焊接，而對于較厚的鐵素體不銹鋼（厚度≥5 mm）焊接的研究尚未見相關報道。

文中選用厚度為6 mm的鐵素體不銹鋼作為研究對象，并采用A-TIG焊接方法對其進行單道焊接，探究單一活性劑種類對430鐵素體不銹鋼A-TIG焊接接頭的熔深、顯微組織及硬度的影響行為，為430鐵素體不銹鋼活性劑的研制和工業應用提供理論指導。

1 試驗

1.1 材料

試驗選用市場所售430鐵素體不銹鋼作為研究對象，尺寸為100 mm×50 mm×6 mm，其化學成分如表1所示。由母材金相顯微組織可知，母材由單一鐵素體組成，如圖1所示。采用市面上常見的單一氧化物SiO2、TiO2、Cr2O3作為活性劑。

表1 430鐵素體不銹鋼的化學成分

Tab.1 Chemical composition of 430 ferritic stainless steel wt.%

圖1 430鐵素體不銹鋼母材金相圖

1.2 方法

焊前采用角磨機對焊板表面進行打磨，以去除其表面的氧化物和毛刺，然后對其表面進行化學清洗去除待焊區的油污，并晾干待用。同時，將無水乙醇與活性劑粉末按一定比例調配成糊狀溶液，并用毛刷將糊狀活性劑溶液涂覆在待焊區表面，涂層寬度大于20 mm，涂層厚度遮住金屬表面光澤即可，待活性劑涂層干燥之后才可進行焊接。焊接試驗在日本產AD-GP300型交流、直流、脈沖三用TIG焊機上進行，使用的焊接工藝參數為：焊接電流125 A，焊接速度100 mm/min，氬氣流量15 L/min，鎢極直徑3.2 mm，焊槍角度90°。

采用電火花線切割機對焊后試樣焊縫中間進行切割，以制取金相試樣；并依次使用120#、240#、400#、800#、1000#、1500#、2000#、3000#金相砂紙對其進行打磨，待試樣表面無明顯劃痕后，采用顆粒度為2.5 μm的金剛石拋光劑進行拋光，拋光后采用FeCl3(5%HCl)腐蝕液對試樣進行腐蝕，腐蝕時間15 s，即得到金相試樣。隨后采用MR5000型倒置金相顯微鏡對其進行顯微組織觀察。焊縫處硬度測試在401MVD數顯顯微維氏硬度計上進行，試驗載荷為200 g，每個測試點間距為0.5 mm，具體硬度測試采點圖如圖1所示；采用Phenom公司生產的Phenom-XL臺式掃描電子顯微鏡 (Field Scanning Electron Microscope, FSEM) 對焊縫區顯微組織形貌進行觀察，并借助其附帶的能譜儀（EDS）對不同區域進行能譜分析。

圖2 接頭硬度測試示意圖

2 結果與分析

2.1 單一活性劑對430鐵素體不銹鋼A-TIG焊縫熔深的影響

圖3為430鐵素體不銹鋼表面未涂覆和涂覆不同種活性劑焊后所獲焊縫的金相顯微組織。由圖3可顯著觀察到，較未涂覆活性劑而言，單一活性劑的涂覆均能在一定程度上增加焊縫的熔深及減少熔寬。活性劑SiO2和Cr2O3的加入能夠顯著增加焊縫的熔深，而TiO2增加效果則不顯著，具體如圖3b—d所示。其中，與Cr2O3相比，SiO2對焊縫幾何形狀的影響更大。這主要歸因于活性劑SiO2和Cr2O3熔點和沸點的差異，焊接過程中熔點（1 713 ℃）較低的SiO2顆粒更易發生受熱解離，從而致使熔池中產生更多的游離氧[O][22]；且SiO2的沸點較低，有利于SiO2活性劑在焊接過程中的蒸發，從而導致更好的電弧收縮。

同時，與未涂覆活性劑的常規TIG焊縫組織對比可發現，涂覆不同活性劑的A-TIG焊縫組織并未發生改變（均為單一鐵素體組織），且焊縫熔合區為垂直焊縫邊緣、向焊縫中心生長的柱狀晶組織。這是因為焊接過程中晶體較易形核于焊縫邊緣處，并以此為晶核不斷向焊縫中心生長，最易長大的方向與散熱最快的方向（或溫度梯度方向）一致，最有利于晶粒長大，晶粒一直向熔池中心生長，從而形成粗大的柱狀晶；而在焊接熱影響區形成了較小的鐵素體組織。試驗結果表明，活性劑的加入并未改變熔池的凝固過程。焊縫熔深增加、熔寬減小這一現象的產生可歸因于電弧收縮和熔池Marangoni對流的逆轉的發生[23-25]。傳統TIG焊接中焊縫熔池邊緣的表面張力高于中心，導致熔化的金屬向外流動，形成寬而淺的焊縫；而隨著活性劑的加入，靠近焊縫池中心區域的表面張力比邊緣區域高，從而導致焊縫深而窄。這與Tseng[26]的研究結果一致。

圖3 430鐵素體不銹鋼A-TIG焊縫的宏觀組織

為更加直觀地明確活性劑種類對焊縫幾何形貌的影響規律，對焊縫熔深及熔寬進行相關測量，并計算其深寬比，每組數據測量6次，取平均值為最終結果，具體結果見圖4。由圖4可觀察到，活性劑對焊縫的熔深、熔寬及深寬比存在不同程度的影響。未涂覆活性劑時焊縫的熔深為2.40 mm，熔寬為10.95 mm，深寬比為0.219；涂覆TiO2活性劑的焊縫熔深（2.63 mm）、熔寬（10.77 mm）及深寬比（0.244）變化較小；而Cr2O3和SiO2活性劑的加入能夠顯著改變焊縫的幾何形貌，涂覆SiO2活性劑時焊縫的幾何形貌改變最大，熔深為4.95 mm，熔寬減少至10.42 mm，深寬比高達0.475，呈現出典型的“V”型接頭。由此可知，文中所用活性劑均能在一定程度上提高焊縫熔深及降低熔寬，其中，SiO2能顯著影響430鐵素體不銹鋼焊縫的幾何形貌。同時，對比未涂覆活性劑與涂覆SiO2所獲焊縫的形貌可發現，與常規TIG相比，涂覆SiO2所獲焊縫的熔深與深寬比均提高了200%以上，若能合理應用到430鐵素體焊接工藝中將大幅提高焊接效率。

圖4 單一活性劑對430鐵素體不銹鋼熔深、熔寬、深寬比的影響

2.2 單一活性劑對430鐵素體不銹鋼A-TIG焊縫顯微組織的影響

2.2.1 對430鐵素體不銹鋼A-TIG焊縫熔合區組織的影響

圖5為430鐵素體不銹鋼A-TIG焊縫的顯微組織金相圖，其中，圖5a為未涂覆活性劑的焊縫熔合區金相組織圖，圖5b—d分別為涂覆SiO2、Cr2O3、TiO2的焊縫熔合區金相組織圖。由熔合區金相組織圖可知，未涂覆活性劑與涂覆不同種類活性劑焊縫的熔合區具有相同的組織狀態，焊縫熔合區組織均由鐵素體組織和鐵素體晶界處生長的板條馬氏體組織組成。這是因為焊接過程中430鐵素體不銹鋼被快速加熱至奧氏體狀態后被快速冷卻至室溫，該過程常發生無擴散型相變，即馬氏體轉變[27]。根據馬氏體的形態，可將馬氏體分為板條狀馬氏體和片狀馬氏體，430鐵素體不銹鋼焊縫中馬氏體形態多以鐵素體晶界處生長的板條馬氏體組織組成。此外，對比圖5b—d與圖5a可發現，加入活性劑后焊縫熔合區鐵素體的晶粒尺寸存在一定程度的減小，由此可知，活性劑的加入還能夠細化焊縫熔合區的晶粒尺寸。

2.2.2 對430鐵素體不銹鋼A-TIG焊縫熱影響區組織的影響

圖6為430鐵素體不銹鋼A-TIG熱影響區的顯微組織金相圖，其中，圖6a為常規TIG熱影響區金相組織圖，圖6b—d分別為添加SiO2、Cr2O3、TiO2活性劑的焊縫熱影響區金相組織圖。由圖6可顯著觀察到，未涂覆活性劑與涂覆不同種活性劑焊后所獲焊縫熱影響區均由粗大的鐵素體組織、鐵素體晶粒邊界處由高溫奧氏體轉變生成的連續馬氏體組織和鐵素體晶界內“胡椒粉”狀的相組織組成。與常規TIG熱影響區組織對比，活性劑的加入并未顯著改變焊縫熱影響區的顯微組織及相組成，且鐵素體晶粒也未過度長大；最大的區別在于鐵素體晶界內“胡椒粉”狀相組織的數量及形貌差異。隨著活性劑的加入，“胡椒粉”狀的相組織數量存在不同程度的增加，相組織尺寸也隨之增大。由相關研究可知[28]，熱影響區鐵素體晶界內“胡椒粉”狀相組織是冷卻時形成的碳化物、碳氮化物或氮化物。

2.2.3 對430鐵素體不銹鋼A-TIG接頭硬度的影響

對焊接接頭進行顯微硬度測試，具體結果如圖7所示。由顯微硬度曲線可顯著觀察到，430鐵素體不銹鋼A-TIG接頭的顯微硬度分布趨勢與常規TIG焊縫相同，硬度曲線呈“馬鞍形”分布。430鐵素體不銹鋼母材的顯微硬度介于150HV～160HV之間，當未涂覆活性劑時，硬度在焊縫熔合線附件獲得最大值（223HV），焊縫中心區的平均硬度為170HV。由此可知，焊接接頭的顯微硬度高于母材的顯微硬度，這是因為焊接過程中生成了硬度較大的板條狀馬氏體。涂覆TiO2活性劑的接頭焊縫硬度最大為242HV，焊縫中心區平均硬度為177HV；涂覆Cr2O3活性劑的接頭焊縫硬度最大為243HV，焊縫中心區平均硬度為170HV。而涂覆SiO2活性劑的接頭焊縫硬度最大值高達246HV，且焊縫中心區硬度介于180HV～220HV之間，但焊縫中心區硬度波動較大。其主要原因為熔點較低的SiO2活性劑的加入使得焊接過程中電弧的收縮及熔池溫升較大，促使金屬碳化物析出，從而加大了焊縫硬度波動。此外，由圖7還可觀察到，涂覆活性劑的接頭硬度均比未涂覆活性劑的接頭整體略高。這是由于活性劑具有細化晶粒作用，如圖5和圖6所示。

圖5 430鐵素體不銹鋼A-TIG焊縫的顯微組織金相圖

圖6 430鐵素體不銹鋼A-TIG熱影響區的顯微組織金相圖

圖7 430鐵素體不銹鋼A-TIG接頭硬度

2.2.4 SEM和EDS分析

為進一步探明活性劑的加入對材料物相的影響行為，對430鐵素體不銹鋼未涂覆活性劑和涂覆SiO2的焊縫進行SEM微區元素分析，具體如圖8所示。由圖8a和圖8c可知，涂覆SiO2的430鐵素體不銹鋼A-TIG焊縫組織與常規TIG焊所獲組織一致，這與之前宏觀金相、微觀金相組織研究具有相似的結果。同時，對2種條件下所獲接頭進行微區EDS元素分析可知，未涂覆活性劑和涂覆SiO2的焊縫主要元素都是Fe和Cr。未涂覆活性劑焊縫元素百分比為：Fe 83.50%，Cr 16.20%（如圖8 b所示）；涂覆SiO2活性劑焊縫元素百分比為：Fe 81.24%，Cr 15.80%，O 2.56%（如圖8d所示）。使用活性劑前后焊縫Fe元素的含量變化為2.26%，Cr元素的含量變化為0.4%，焊縫的兩種主要元素變化量均較小；而加入活性劑后在焊縫熔合區還檢測到微量O元素的存在，說明活性劑中的O元素還有一部分隨著焊接過程進入焊縫中。由此可知，430鐵素體不銹鋼TIG焊接過程中活性劑的加入并未大幅改變析出相的組成及相的元素含量，僅改變了焊縫的幾何形貌，將其合理運用到實際生產或者工業應用中將極大地提高430鐵素體不銹鋼TIG焊接效率。

圖8 430鐵素體不銹鋼焊縫的顯微組織及元素分析

3 結論

1）試驗所用活性劑的加入均能在一定程度上提高430鐵素體不銹鋼TIG焊縫熔深及減少熔寬。其中，加入SiO2活性劑獲得了最佳的焊接效果，焊縫熔深達4.95 mm，熔寬為10.42 mm，深寬比高達0.475；較常規TIG焊而言，其熔深、深寬比提高了近200 %。

2）430鐵素體不銹鋼A-TIG焊接所獲接頭焊縫的熱影響區和熔合區顯微組織與常規TIG焊縫組織擁有高度的一致性。焊縫熔合區組織均由鐵素體組織和板條馬氏體組織組成，焊縫熱影響區均由粗大的鐵素體組織、鐵素體晶粒邊界處由高溫奧氏體轉變生成的連續馬氏體組織和鐵素體晶界內“胡椒粉”狀的相組織組成，僅晶界內相的數量及形貌存在細微差異。

3）較常規430鐵素體不銹鋼TIG焊接頭硬度而言，活性劑的添加能夠不同程度地提高接頭顯微硬度。其中，SiO2活性劑的添加使焊縫熱影響區硬度值提升約20HV，焊縫中心平均硬度提升了10HV。

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Study on Penetration Depth and Microstructure Properties of Ferritic Stainless Steel A-TIG Welding Joint

ZHU Jia-wen1, LI Jia2, YANG Cheng-Gang1, WU Ji-Si1, ZHANG Xin1

(1. Department of Welding Engineering, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China; 2.Department of Aeronautical Mechanical Engineering, Chinese people's Liberation Army Aviation School, BeiJing 101123, China)

The work aims to choose 430 ferritic stainless steel as the research object, and compare the effects of adding SiO2, TiO2, Cr2O3and no active flux on the microstructure and mechanical properties of A-TIG welded joints. The A-TIG test was carried out on 430 ferritic stainless steel coated with three kinds of active fluxs, and the influence of active fluxs on the penetration depth, microstructure, properties and element content of the joint was analyzed. Under the same welding process parameters, the addition of active flux can improve the weld penetration and/ratio and reduce the weld width; among them, the best weld geometry is obtained when SiO2is used as active flux.At the same time, by comparing with the microstructure and mechanical properties of conventional TIG welded joints (without active flux) , it can be seen that the addition of active flux does not change the microstructure of the weld and no new phase is formed; and the addition of active flux can refine joint organization, so that the joint hardness has been improved. The addition of active flux can significantly increase the TIG weld penetration of ferritic stainless steel, improve the joint microstructure and hardness.

ferritic stainless steel; A-TIG; weld penetration; microstructure, hardness

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.10.015

TG421

A

1674-6457(2022)10-0105-08

2022–01–14

朱嘉文（1995—），男，碩士研究生，主要研究方向為金屬材料焊接性。

楊成剛（1976—），男，博士，副教授，主要研究方向為金屬材料焊接性。