GTAW焊接参数对建筑装饰用铬锰不锈钢点蚀的影响

张可峰

（重庆水利电力职业技术学院，重庆402160）

GTAW焊接参数对建筑装饰用铬锰不锈钢点蚀的影响

张可峰

（重庆水利电力职业技术学院，重庆402160）

研究气体保护钨极弧焊（GTAW）参数对AISI 202铬锰不锈钢点状腐蚀的影响，开发了一个实证数理方程，用以建立耐点蚀当量数（PREN）与焊接电流、焊接速度、焊枪角度和气体流速等焊接参数之间的联系。采用带有四个参数、五个层级的水平中心组合反应曲面法进行实验。并用方差分析检验了模型的妥善性。用表面和等值线图研究了焊接接头耐点蚀当量数工艺参数的主要影响。并得出焊接接头的质量会受到焊件微观结构的高度影响。同时，冶金变化可导致焊件质量变差，如微偏析、次生相沉淀、热影响区晶粒生长和材料的蒸发损失等。探讨焊枪角度对检验焊件微观结构的影响。研究结果有助于快速选择相应的工艺参数来实现所需的耐点蚀当量数和焊接质量。

耐点蚀量数；焊接电流；焊枪角度

0 前言

钨极惰性气体保护焊GATW与熔化极气体保护焊的区别是它利用钨作为电极制成的，熔点非常高。目前，使用一般的焊接工艺对铝、不锈钢、镁和钛等金属进焊接十分困难。为了追求更低的焊接成本和最优的焊接质量，就要求焊接工艺和其选择的参数必须更加精确。适当选择影响焊接试样性能的输入焊接参数可确保焊接接头的质量更高。不锈钢本质上是具有耐腐蚀性的，可应用于不同的领域。但即便其具有较好的抵抗性，还是会受到点蚀的影响。点蚀是指在特定劣化环境下氧化金属的局部熔解，这是金属结构失效最常见、最主要的原因。在决定焊接质量方面，点蚀的检测和监测是一项重要的任务。点蚀是一个任意、分散和随机的过程，预测其出现的时间和位置对于目前的技术而言还十分困难。当不锈钢接触到临界温度时，也可能经历不同形式的冶金变化过程。在焊接的热影响区，经常出现引起焊合板微结构变化的温度。而母体金属中氮化铬、碳化物和碳氮化物的析出则发生于不同的焊接环境条件，同时也会受到不锈钢等级的影响。

1 试验程序

实验是基于中心复合旋转设计矩阵设计的，该矩阵包含四个因素和完全复制的五个层级。根据设计矩阵，实验利用数字化电焊机（Lincoln V 350PRO）以随机的方式进行，并采用伺服电机驱动机械手来保持均匀的焊接速度。该实验组由一个带有固定工作样本的行动托架构成，并将电源设置在右边。焊枪上装有一个附件，用于设置焊枪角度和所需的喷嘴到平板的距离。该附件固定在桌子上方的一个框架中。所有试验中，喷嘴到平板的距离设定为常数2.5mm。为了在这个距离间产生电弧，就必须在框架中使用一个高频附件。试样AISI 202板被切割为尺寸100mm×30mm×5mm的试样，并清理了需要进行焊接的表面，去除氧化皮和污垢。氩气流速在5～25L/min内变动，起到保护焊接区域远离大气气体的屏蔽作用。试验装置如图1所示，试样如图2所示。

图1 试验装置

图2 试验试样

2 研究方法

基于对耐点蚀当量和微观结构的影响确定可以独立控制的焊接参数。经考虑，实验参数确定为焊枪角度（θ）、焊接速度（v）、焊接电流（I）和保护气流速（Q）。而这些参数的作用范围均需通过试验确定。跟踪试验确定的θ、v、I和Q的范围如表1所示。编码的参数上限为2，下限为-2，其中间值则可通过式（1）得出

式中Xi为变量X所需的编码值；X为变量Xmin～Xmax之间的任意值。

表1 工艺参数及其等级

表1给出了工艺参数及其相应的范围和符号级别。工艺参数0为中心点，下限为-2，上限为2，在中间水平的其他两个参数-1和+1为星点。

3 记录反应

耐点蚀当量数是一种基于合金化学成分估计不锈钢耐点蚀性的理论方法。最常见的确定耐点蚀当量数的方程为

通过对焊接试样进行湿法分析，以确定所有试样的精准化学成分。本研究采用IS 228测试方法确定化学成分。用式（2）从化学成分中确定出耐点蚀当量数，每个焊接试样的耐点蚀当量数及其成分如表2所示。

表2 焊接试样的实验设计和耐点蚀当量估计

4 试验设计

所选的实验设计为基于可旋转型标准的拟合二阶二次方程的中心复合旋转设计。该设计方案包括31个实验，是带有四个参数、五个层级的中心复合旋转设计，且包含31套编码条件。试验设计矩阵包含16个因子设计、8个星点和7个中心点的完全复制，分别对应于表2显示的设计矩阵的前16行、17～24行及最后7行。因此，通过运行这31个试验，可以估算出工艺参数对耐点蚀当量线性、二次方程式和双向交互的影响。试验以随机方式进行，以使实验过程中的错误最小化。表2中已给出了设计矩阵及耐点蚀当量的测定值。

式（3）是本次研究中用于构建过程变量x和反应变量y之间关系的二次多项式的一般方程

式中b0为常数；bi为线性项系数；bii为二次项系数；bij为交互项系数。

二次方程的系数是通过MINITAB R14统计软件计算出来的。消除最低有效系数后，建立统计数学模型。这是通过t检验得到的。根据这一实验，当计算出的t值对应的系数超过保持在0.75的概率准则时，系数就具有了重要意义。式（4）给出了该数学模型。

通过方差分析检验模型的适当性。计算出的模型F-比率不超过置信水平的标准值（95％），而计算出的模型R-比率则超过了同一置信水平的标准列表值。在这种情况下，就认为模型是恰当的。方差分析的结果如表3所示。

表3 模型适当性

5 结果和讨论

5.1 焊接工艺参数对耐点蚀当量的影响

本研究开发的数学模型是为了通过构建耐点蚀当量与焊接电流、焊接速度、焊枪角度和气体流速等参数之间的联系来预测耐点蚀当量值。并使用开发的经验模型研究了这些焊接参数对耐点蚀当量的直接影响，研究结果如图3～图7所示，并分析其中的因果关系。绘制这些工艺参数直接影响的趋势有助于确定具有统计学意义的参数。所有参数对耐点蚀当量的影响如下。

图3 焊枪角度对耐点蚀当量值的影响

图4 焊接电流对耐点蚀当量值的影响

图5 焊接速度对耐点蚀当量值的影响

图6 保护气流速对耐点蚀当量值的影响

图7 基底金属微观结构

图3描述了焊枪角度对耐点蚀当量的影响。由图3可知，耐点蚀当量值随着焊枪角度的增加而下降。这是由于当焊枪角度较小时，焊接金属暴露于电弧的部分变少，降低了热输入，提高了冷却速率。这就导致临界点蚀温度降低，耐点蚀当量的值增加。当焊枪角度较大时，热输入增加而冷却速度降低，从而使得临界点蚀温度升高，耐点蚀当量值降低。

图4描述了焊接电流对耐点蚀当量的直接影响。由图4可知，耐点蚀当量值随着电流的增加而下降。这是由于焊接电流与热输入成正比。当电流较低时，热输入较少，冷却速率增加，这就导致临界点蚀温度降低，使得耐点蚀当量增加。当电流较高时，热输入增加，冷却速率下降，临界点蚀温度升高，导致耐点蚀当量降低。

图5描述了焊接速度对耐点蚀当量的直接影响。由图5可知，耐点蚀当量值随着焊接速度的增加而增加。这是由于焊接速度与热输入成反比。速度较低时，热输入高，冷却速率下降，导致临界点蚀温度升高，从而导致耐点蚀当量降低。当速度较高时，热输入下降，冷却速率增加，临界点蚀温度下降，从而导致耐点蚀当量增加。

图6描述了保护气流速对耐点蚀当量的直接影响。由图6可知，耐点蚀当量值随着保护气流速的增加而增加。这是因为保护气在焊接过程中总是会带走一些热量。在低水平时，带走的热量相对变少，并随着气体流速的增加而增加。因此，低水平气流速率下的热输入比高水平气流速率下的热输入要高。因此，在较高水平气流速率下，临界点蚀温度下降，耐点蚀当量增加；而在较低水平气流速率下，临界点蚀温度增加，耐点蚀当量下降。

5.2 焊接试样的微观结构

当焊枪角度维持在最大和最小水平而其他参数保持在中间水平时，对焊接试样进行金相分析。

AISI202级不锈钢板基底金属的微观结构如图7所示。AISI202不锈钢基底金属包含等轴的奥氏体晶粒。在奥氏体晶粒边界，有少量分散的硬质合金颗粒。因此,在晶粒边界有少量分散硬质合金颗粒的基底金属拥有完全奥氏体结构。

图8显示了焊枪角度为50°，焊接电流、焊接速度和保护气流速的参数分别为90A、190mm/min和15 L/min时焊接试样的微观结构。从试样的纤维组织中可以观察到，基体金属具有等轴晶粒的奥氏体。其中，热影响区面积相对较小，在这个焊枪角度下，焊接金属暴露于电弧的部分较少。焊接金属含有粗晶粒，且保留了奥氏体的主要部分。

图8 较低水平焊枪角度下焊接金属的微观结构，热影响区及试样基底金属

图9显示了焊枪角度为90°，焊接电流、焊接速度和保护气流速的参数分别为90 A、190mm/min和15 L/min时焊接试样的微观结构。

图9 较高水平焊枪角度下焊接金属的微观结构，热影响区及试样基底金属

从微观结构可以看出，相较于50°焊枪角度，焊枪角度为90°时，焊接试样的热影响区面积更大。这是因为90°时焊接金属暴露于电弧的部分更多。从焊接金属的微观结构还可以看出，与之前的试样相比，焊接金属的粗化范围减少，同时也表明其保留了奥氏体的主要部分。在整个焊接区域，只有一小部分回火马氏体。而在奥氏体晶体中，还存在一些铁素体。

6 结论

焊接电流和焊枪角度对点蚀有很强的消极影响，耐点蚀当量值会随着焊接电流和焊枪角度的增加而下降；焊接速度和保护气流速对点蚀有很强的积极影响，耐点蚀当量值会随着焊接速度和保护气流速的增加而增加；AISI202级不锈钢基底金属含有奥氏体等轴颗粒，在颗粒边界存在一些小的硬质合金颗粒；当焊枪角度保持在50°，由于焊接金属暴露于电弧的部分较少，热影响区面积便减少。焊接金属区保留了粗晶粒和奥氏体的主要部分。回火马氏体粗放分布在整个区域；当焊枪角度保持在90°的低水平时，由于焊接金属暴露于电弧的部分增加，热影响区面积也增加。焊接金属粗化现象减少。奥氏体晶体中保留了奥氏体的主要部分和少量铁素体。回火马氏体分布在整个区域。

[1]李明珠，赵云龙.提高2Cr13马氏体不锈钢疲劳强度的工艺研究[J].热加工工艺，2010(12）：178-179.

[2]刘俊良，刘社琴.马氏体不锈钢的锻造[J].金属加工(热加工），2010（19）：52，54.

[3]张拯，林万明，钱玉水.马氏体不锈钢腐蚀性能的研究[J].铸造设备与工艺，2012（6）：17-19.

Effect of GTAW parameters on pitting corrosion of chrom ium-manganese stainless steel for building decorative

ZHANG Kefeng
（ChongqingWater Resourcesand Electric Engineering College，Chongqing402160，China）

Studied the gas tungsten arc welding(GTAW)parameters affecting on AISI 202 Cr Mn stainless steel pitting corrosion，and developed an empiricalmathematical equation，which is used to establish the connection between the PREN and welding parameters, such as welding current，welding speed，angle of welding gun and gas flow rate.Used four parameters，five level central composite response surface method level for experiment.Analysis of the developmentmodel was properly tested by variance.Map of the study mainly affecting PREN process parameters ofwelded jointwith surface and contour.And the quality of welded jointswere influenced by the height of the weldmentmicrostructure.At the same time，metallurgical change could cause the welding quality variation，such as micro segregation，secondary phase precipitation，heat affected zone grain growth and material evaporation loss.Discussed the influence of welding gun angle on the testweldmentmicrostructure.The results of the present study is helpful to quickly select the corresponding process parameters to achieve the desired PREN and welding quality.

pitting corrosion quantity；welding current；welding speed

TG444+.72

A

1001-2303（2015）07-0075-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.07.16

2015-01-17；

2015-02-02

重庆水利电力职业技术学院科学研究项目（K201417)

张可峰（1976—），男，山东临沂人，讲师，硕士，主要从事金属材料焊接技术的教研工作。