MIG焊接304不锈钢电弧物理现象-焊缝形貌组织-力学性能的相关性研究

宋文鑫，张红霞，闫志峰，王 勇，赵伟晔

(太原理工大学 材料科学与工程学院，太原 030024)

随着工业的发展，航空航天、交通运输和海洋工程等行业对焊接工艺提出了更高要求，通过单一角度讨论分析焊缝组织性能的研究已经难以满足现代工业发展的需求[1-2]。RIZVI et al[3]在工作中发现，MIG焊缝中铁素体主要以蠕虫状形式分布在奥氏体基体上，在中等热输入下，焊缝晶粒结构变细，枝晶间距更小，拉伸强度、伸长率和硬度都有所提高。WICHAN et al[4]分析了焊接速度和H2含量对低镍不锈钢TIG焊缝微观组织和力学性能的影响，发现随着焊接速度的增加或H2含量的减少，焊接热输入和熔池保温时间降低，奥氏体生长受到抑制，铁素体含量增加且晶粒细化，致使焊缝硬度和抗拉强度提高。RAJESH KANNAN et al[5]发现由于不锈钢焊缝凝固速度较快，铁素体到奥氏体的相变不彻底，焊缝中铁素体的含量比母材中更多，导致焊缝接头强度普遍高于母材。徐书峰等[6]在进行铁素体不锈钢TIG焊缝组织的研究试验时发现，焊缝组织受焊接热输入和散热情况的共同影响，焊接热输入相同时，随着焊接速度的增大，熔池散热增加，焊缝中等轴晶粒比例增大。

目前，关于焊接结构、组织及性能的相关研究，主要是从工艺参数影响热输入的角度出发，分析熔池保温时间和冷却速度的变化，最终落脚于探究焊接接头微观组织及性能的演变机制[7-8]。因此，从新的视角探索焊接接头微观组织及性能演变机制的研究对于保证焊接质量、提高焊接效率的综合研究有很重要的拓展意义。

近年来，随着表征技术的发展，许多学者运用高速摄像技术对焊接过程中的电弧稳定性和熔滴过渡现象进行了分析，从焊接电弧物理现象的角度研究了熔池热分布及熔化机制变化，进而解释焊缝宏观成形的差异[9-11]。ZONG et al[12]分析了TIG-MIG复合焊接中电极相对位置对焊缝成形的影响，发现当钨极后置时产生的正向弧力和熔滴冲击力可以显著抑制熔池回流，使熔池有更多的时间横向扩展以抑制咬边缺陷。LU et al[13]研究了CO2保护气体添加量对TIG焊缝形状的影响，发现向Ar中加入少量CO2会增加焊缝金属的含氧量，使得熔池中Marangoni对流改变，影响熔池形状，当含氧量超过临界值时，熔池中会出现向内的Marangoni对流，形成窄而深的焊缝。目前，电弧物理分析技术在焊接领域的应用大多还停留在焊缝的宏观层面，因此，借助焊接电弧物理理论进一步深入探究焊接工艺参数对接头组织和性能的影响，建立电弧物理现象-焊缝组织-性能的相关性机制，可以为焊接组织性能的研究提供一个分析的新视角。

本文提出利用高速摄像分析不同电压下SUS304不锈钢MIG焊接电弧稳定性与熔滴过渡现象，讨论电弧物理现象对熔池热分布的影响，进一步分析焊缝中铁素体和奥氏体形态、分布的变化，从而建立电弧电压-电弧物理现象-焊缝形貌/组织演变-接头力学性能之间的联系。

1 试验材料和方法

选用75 mm×25 mm×4 mm的SUS304不锈钢板和Φ1.2 mm的ER307Mo焊丝，其化学成分如表1所示。MIG焊接之前，使用400#金相砂纸打磨板材去除表面氧化物，然后用丙酮试剂清洗消除表面污物。

表1 母材及焊丝化学成分Table 1 Chemical composition of base metal and welding wire w/%

使用松下YD-500GL焊机进行MIG焊接试验，电源极性为直流反接。焊接时焊枪固定在随小车移动的工作台上，工作台配有可以上下运动和角运动的附件，可调节喷嘴到工件的距离和焊枪角度。通过L9(33)田口正交试验优化焊接工艺参数(电弧电压、焊接电流、焊接速度)，为方便研究电弧物理现象差异，建立其与组织性能的联系，选择焊接参数如表2所示。

表2 焊接工艺参数Table 2 Welding process parameters

使用CR3000×2高速相机系统记录焊接过程中的电弧挺度、焊丝熔化和熔滴过渡行为，探究电压参数变化对焊接电弧和熔滴过渡的影响，进而分析焊接熔池热分布及焊丝、工件的熔化机制。

对焊接接头进行了金相分析，采用标准金相技术制样和抛光，使用浸蚀剂(10 g FeCl3、30 mL HCl和120 mL H2O)蚀刻。焊接接头的微观组织使用SDPTOP金相显微镜进行观察。

拉伸试验在DNS100电子万能试验机上进行，加载速度为1 mm/min.试验样品按照图1所示尺寸进行加工，机加工铣去焊缝正面及背面余高、咬边以及未焊透缺陷，以避免接头缺陷、几何因素等对性能的影响。每个拉伸试验重复3次，取平均值。使用Gemini SEM 300电子扫描显微镜对焊接接头的拉伸断口进行分析。

图1 拉伸试样尺寸Fig.1 Dimensions of tensile specimen

2 结果分析

2.1 焊缝宏观形貌

图2为不同电弧电压参数下得到的MIG接头的宏观形貌。由图可见，电弧电压变化对接头结构尺寸有着明显的影响：随着电压的增加，焊缝熔宽增加、余高降低，24.6 V时熔深减小。焊缝形貌也随之变化：电弧电压为16.6 V时，焊缝出现咬边缺陷，表面形成凹坑，背面可以完全焊透；电弧电压增大为20.6 V时，焊缝成形较好，表面光滑，轮廓平整；当电弧电压进一步增加至24.6 V时，焊缝表面粗糙，出现不均匀的鱼鳞状条纹，焊缝背面未焊透。

(a) 16.6 V；(b) 20.6 V；(c) 24.6 V图2 不同电压下接头宏观形貌Fig.2 Macromorphology of welded joints under different voltages

2.2 熔池凝固模式

焊缝微观组织主要取决于熔池凝固模式，而熔池凝固模式依赖于母材和焊丝的化学成分。对焊缝(WZ)、热影响区(HAZ)中心位置的合金元素含量进行EDS面扫测试，结果如表3所示。根据Fe-Cr-Ni平衡相图及铬镍当量计算公式[14]：

w(Cr)eq=w(Cr)+w(Mo)+0.7w(Nb) .

(1)

w(Ni)eq=w(Ni)+35w(C)+20w(N)+
0.25w(Cu) .

(2)

计算得到母材、焊丝和焊缝金属的w(Cr)eq、w(Ni)eq及w(Cr)eq/w(Ni)eq结果，如表4所示，w(Cr)eq/w(Ni)eq=1.60～1.72，说明焊缝凝固行为符合F-A模式(1.48

表3 MIG焊接头的EDS成分分析结果Table 3 EDS composition analysis results of MIG welded joints w/%

表4 MIG接头的w(Cr)eq、w(Ni)eq及w(Cr)eq/w(Ni)eq值Table 4 w(Cr)eq, w(Ni)eq, and w(Cr)eq/w(Ni)eq values of MIG welded joints

2.3 焊接接头微观组织

图3为不同电压下WZ、HAZ微观组织金相显微图片。从图中可以看出，电压参数的变化，对WZ晶粒尺寸影响较小，但对组织形态和分布有明显的影响。当电压为20.6 V时，WZ中心处柱状晶生长受到抑制，出现较多等轴晶粒；而电压减小或增大，如电压为16.6 V和24.6 V时，WZ中柱状晶生长趋势明显。这是因为，当电压减小时，电弧缩短，热量集中，熔池较窄，结晶从熔合线开始，很快以柱状晶的形态向焊缝中心发展；当电压增大时，热输入增大，熔池过热且温度梯度增加，有利于WZ中柱状晶生长。

(a) 16.6 V；(b) 20.6 V；(c) 24.6 V图3 不同电弧电压下WZ和HAZ微观组织Fig.3 Microstructure of WZ and HAZ at different arc voltages

在不同电压参数下，焊缝金属中都明显观察到了两种铁素体的存在(片状铁素体和蠕虫状铁素体)，如图3所示。16.6 V与24.6 V电压时焊缝中片状铁素体数量明显比20.6 V时更多，其中电压为24.6 V时片状铁素体主要集中在焊缝下层。

HAZ在焊接过程中受到焊接热循环作用，形成了界限分明的两个区域，为了便于讨论，将该区进一步分为两个亚区：临近WZ的HAZ记为HAZ1；临近BM的HAZ记为HAZ2.HAZ1受焊接热循环严重，组织过热，发生回复再结晶，原始BM中的纤维状组织消失，取而代之的是粗大的不规则树枝晶；在焊接过程中HAZ2经历的循环温度较低，对组织产生正火细晶效果，仍保留着类似于BM的纤维状组织特征。随着电压参数的增加，焊接热输入增加，HAZ组织及区域显著增大，枝晶组织更加明显。

2.4 拉伸性能

表5为不同电压下焊接接头的拉伸试验结果。电弧电压为16.6 V时，接头的抗拉强度为535.07 MPa，延伸率为37.37%；电弧电压为20.6 V时，接头强度为619.69 MPa，延伸率为49.66%；电压增加至24.6 V，接头的抗拉强度为552.05 MPa，延伸率为38.87%，强塑性均低于母材。由此可以发现，随着电压增加，焊接接头的强度和塑性呈现先增后减的趋势。

表5 不同电压下MIG接头拉伸试验结果Table 5 Tensile test results of MIG joints under different voltages

不同电压下焊接接头的拉伸断口如图4所示。由图可以发现，20.6 V电压下接头的拉伸断口断面收缩率较大，断口中存在大量韧窝，具有明显的宏观塑性变形特征；16.6 V和24.6 V电压下焊接接头的拉伸断口比较平齐，16.6 V电压下断口内小尺寸韧窝数量较多，电压为24.6 V时的断口则呈现出一定的沿晶断裂特征，焊缝都出现了一定的塑性损失。

(a) 16.6 V；(b) 20.6 V；(c) 24.6 V图4 不同电压下拉伸断口SEM形貌Fig.4 SEM morphology of tensile fracture under different voltages

3 讨论

图5为不同电弧电压测得的MIG电弧特征及熔滴过渡结果。从图中可以发现，随着电弧电压的增加，一方面，电弧变长，熔滴生长空间和直径变大，燃弧时间随之增加，从而熔滴过渡频率降低、过渡连续性减弱；另一方面，作用在熔滴底部的电弧力(斑点压力)增大，推动熔滴在焊丝端部剧烈晃动，阻碍熔滴过渡，使焊接过程中产生更多的飞溅，焊接稳定性变差。联系文中第2部分内容可以发现，焊缝组织形貌与熔滴过渡的稳定性、连续性相关。

当电弧电压为20.6 V时，焊丝与熔池之间的电弧长度适当，能量分布均匀，焊缝可以实现全焊透。

(a) 16.6 V；(b) 20.6 V；(c) 24.6 V图5 不同电压下MIG电弧物理现象Fig.5 MIG arc physical phenomena under different voltages

熔滴过渡平滑稳定，熔池流动性较好，产生良好的桥接效果，使得焊缝成形良好、表面平整连续，如图2(b).对于接头微观组织而言，此时电弧热分布均匀，短路过渡连续稳定，焊后焊缝保温时间长，固态相变时元素扩散充分，部分粗大铁素体枝晶未被完全消耗以蠕虫状形式残留于焊缝中，如图3(b).

电弧电压减小为16.6 V时，焊丝与熔池之间的电弧变窄、变短，能量集中于熔池中心，有利于增大熔深，容易实现全焊透，但也会导致热量传导范围受限，出现咬边缺陷。而熔滴生长尺寸受限，小熔滴热量少，过渡后冷却快，熔池流动性差，导致焊缝表面不够光滑，出现凹槽，如图2(a).对于接头微观组织而言，由于小熔滴携带热量较少，进入熔池热量补充不及时，固态相变时间变短，元素扩散受到抑制，部分残余铁素体以横切奥氏体晶粒的形式长大，最终形成一定数量的片状铁素体，如图3(a).

电弧电压增加至24.6 V时，焊接电弧过长，电弧发散、挺度下降，作用于熔池的电弧穿透力减弱，导致焊缝背部未焊透。受较大斑点压力作用，粗大熔滴在焊丝端部晃动，使得熔滴过渡很慢且不稳定，熔池流动性变低，导致焊缝表面非常粗糙，出现不规则鱼鳞纹，焊缝质量下降，如图2(c).此时，发散的电弧难以作用于熔池底部，热量难以传递到焊缝底部，焊缝下层固态相变时间短，残余铁素体以横切奥氏体晶粒的形式长大，形成片状铁素体；当大颗粒熔滴进入熔池后，热量堆积在熔池上层，上层焊缝固态相变时元素扩散更充分，铁素体以蠕虫状形式保留下来，如图3(c).

焊接接头的力学性能主要取决于焊缝形貌与微观组织。从宏观形貌来看，当电压为16.6 V时，由于小电压下电弧热量分布窄，熔池流动性弱，出现咬边缺陷；电弧电压增加至24.6 V时，电弧能量发散，对熔池的穿透力减弱，焊缝底部出现未焊透缺陷，熔滴过渡连续性和稳定性变差，焊缝表面粗糙，内部致密性低。从微观组织来看，16.6 V和24.6 V电压下焊缝中片状铁素体数量增多，而片状铁素体相比于蠕虫状铁素体脆性更大，因此接头强度塑性均下降，如表4所示。

4 结论

1) 电弧电压为20.6 V时，电弧长度适当，熔滴过渡平滑，熔池流动性较好，焊缝尺寸稳定、表面平整连续，该电压下电弧热量分布均匀，熔池保温时间长，固态相变时元素扩散更充分，铁素体以蠕虫状形式残留于焊缝中。最终的焊接接头力学性能较好，抗拉强度为619.69 MPa，延伸率为49.66%，是理想的短路过渡状态。

2) 电弧电压为16.6 V时，电弧热量传导范围有限，焊缝上表面出现咬边缺陷和凹槽，其抗拉强度为535.07 MPa；焊缝中残余铁素体以横切奥氏体晶粒的形式长大，最终形成一定数量的片状铁素体，使得接头塑性下降，其延伸率为37.37%.

3) 电弧电压为24.6 V时，熔滴过渡稳定性和连续性下降，焊缝表面出现不规则鱼鳞纹，内部致密度差，其抗拉强度为552.05 MPa.下层焊缝组织相变时，元素扩散受到抑制，形成较多片状铁素体，使得接头塑性下降，其延伸率为38.87%.