活性劑對不銹鋼A-TIG焊接組織及性能的影響

付彧，任澤良，肖中，占國平，張成高

(九江海天設備制造有限公司，江西 九江 332100)

0 前言

TIG焊由于鎢電極本身的載流能力有限，限制了電弧功率的上限，導致單道焊的焊縫熔深較淺，對于厚度大于3 mm的板材需要開坡口進行多道焊。增大焊接電流雖然可以增加熔深，但熔寬增加的幅度更大?；钚訲IG 焊(簡稱A-TIG焊)在待焊表面涂敷活性劑，可使熔深比常規 TIG 焊增加1倍以上，且接頭力學性能和常規TIG焊相當，有利于提高焊接生產效率，降低焊接生產成本[1-5]。

目前國內外對A-TIG焊的研究主要集中在活性劑作用機理和活性化焊接應用技術的研究兩個方面[6-9]。關于活性化焊接應用技術的研究，Ahmadi 等人[10]研究了4種氧化物對316L奧氏體不銹鋼焊縫的深寬比和力學性能的影響。當涂層密度為2.6 mg/cm,1.3 mg/cm,2 mg/cm和7.8 mg/cm時，對應SiO2,TiO2,Cr2O3和CaO焊縫的深寬比最大。A-TIG焊能提高焊接接頭的δ鐵素體含量，提高焊接接頭的強度。Ebrahimi等人[11]采用2種氧化物對304L奧氏體不銹鋼焊縫性能進行了研究。相比于TIG焊，涂敷活性劑后δ鐵素體含量從1.3 FN增加到6.2 FN。涂敷TiO2和SiO2的 A-TIG焊接頭δ鐵素體含量分別為7 FN和7.4 FN。δ鐵素體含量的增加能提高材料的力學性能。與TIG焊相比，A-TIG焊具有更高的抗拉強度、斷后伸長率和硬度。Hsu等人[12]研究了5種氧化物對316L不銹鋼焊縫δ鐵素體含量、組織和硬度的影響。試驗結果表明，相比于TIG焊，涂敷活性劑后δ鐵素體含量從1.2 FN增加到 6.1 FN，涂敷活性劑對焊接接頭的硬度和微觀組織沒有影響。

文中試驗采用國外活性劑C1、國內活性劑C2和自制活性劑C3進行A-TIG焊試驗。通過正交試驗確定C3活性劑成分和含量，再以C1，C2活性劑作為基礎對C3活性劑加以改進，改變化學成分和比例并進行試驗驗證。研究不同活性劑對A-TIG焊接頭組織及性能的影響，對于加深活性劑改善接頭組織及性能的認識，指導活性劑的研制和應用，具有重要意義。

1 試驗材料及方法

試驗材料為1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼板，試件尺寸為200 mm×50 mm×6 mm，化學成分見表1。采用國外活性劑C1(87.24%SiO2-12.76%TiO2)、國內活性劑C2(35%SiO2-26%TiO2-13%Cr2O3-8%MnO-8%NiO-2%A12O3-8%CuO)和自制活性劑C3(35%SiO2-26%TiO2-13%Cr2O3-6%NiO-6%MnO-8%CuO-6%B2O3)進行A-TIG焊，焊接前用砂紙將/1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼板材表面清理干凈，再用丙酮和酒精擦洗板材表面。試驗時將活性劑和丙酮調成粘稠狀溶液，然后用毛刷將活性劑均勻涂在待焊區左右各10 mm處，涂敷厚度能蓋住金屬表面即可，待丙酮揮發后再進行焊接。

表1 1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼的化學成分(質量分數，%)

焊接設備為SOUARE WAVE TIG-355TIG焊機。平鋪焊接工藝參數為：焊接電流100 A，焊接速度44 mm/min，電弧電壓14 V，氬氣流量15 L/min，鎢極直徑3.2 mm。對接焊接工藝參數為：焊接電流175 A，焊接速度80 mm/min，電弧電壓14 V，氬氣流量15 L/min，鎢極直徑3.2 mm。焊后將試件切割，并用砂輪機將表面磨平，采用5 g FeC13+50 mL HCl+100 mL H2O對金相試樣進行腐蝕，時長2 min。采用WT-401MVD型數顯維氏顯微硬度計測定接頭的硬度分布，試驗所用載荷為200 g，點間距0.5 mm，每個試樣取20個點。拉伸試樣按GB/T 2652—2008《焊縫及熔敷金屬拉伸試驗方法》標準加工，拉伸試樣尺寸如圖1所示。

圖1 拉伸試件尺寸

2 試驗結果與分析

2.1 活性劑對接頭成形的影響

圖2為常規TIG焊及涂敷活性劑接頭表面宏觀形貌。由圖可知，涂有C1，C2活性劑焊縫表面出現大量黑色熔渣，C3活性劑焊縫表面黑色熔渣較少。與未涂活性劑的焊縫相比，涂有活性劑的焊縫表面凹凸不平，但焊道寬度較均勻。圖3為平鋪接頭橫截面宏觀形貌。由圖可知，涂敷活性劑的焊縫熔深均顯著高于不涂活性劑的焊縫熔深，熔寬有所減小。其中，不涂活性劑的焊縫熔深為1.38 mm，熔寬為7.32 mm，涂敷C1活性劑的焊縫熔深為3.91 mm，熔寬為7.18 mm。涂敷C2活性劑的焊縫熔深為3.98 mm，熔寬為7.26 mm，涂敷C3活性劑的焊縫熔深為4.29 mm，熔寬為7.13 mm。

圖2 焊接接頭表面宏觀形貌

圖3 平鋪接頭橫截面宏觀形貌

2.2 活性劑對接頭微觀組織的影響

圖4為未涂活性劑和涂敷活性劑接頭顯微組織。從圖4a～圖4d中可以看出焊縫組織為奧氏體和鐵素體，基體為奧氏體，鐵素體分布在晶界和枝晶處。從圖4e～圖4h可以看出加入活性劑后均有助于熔合線附近的晶粒細化，組織更加密集，其中涂敷C1活性劑的晶粒細化效果較明顯。

圖4 未涂和涂敷活性劑接頭顯微組織

相比于不涂活性劑焊縫，涂敷C1，C2和C3活性劑后的焊縫晶粒得到細化，晶界的面積增加，更多晶界的出現有效地阻礙了位錯的運動，起到了晶界強化的作用。從圖4e～圖4h可以看出加入活性劑后，在熱影響區析出了更多的δ鐵素體。δ鐵素體在奧氏體基體上彌散分布，而且δ鐵素體的增加可以提高焊接接頭的力學性能。加入活性劑后均有助于熔合線附近的晶粒細化，組織更加密集。經掃描電鏡能譜分析(EDS)面掃描發現涂敷C2，C3活性劑的焊縫和熔合線附近存在Al，B元素。如圖5所示，Al是鋼中常用的脫氧劑，鋼中加入少量的鋁可以促進析出反應而使鋼強化，B2O3中的B元素對晶粒有細化作用。因此，對于涂敷C2，C3活性劑的接頭，熔合線附近的晶粒細化是由于活性劑中的Al，B元素進入了接頭，阻礙晶粒長大，增加形核率。焊縫晶粒變細小可能是由于晶界強化以及Ti，Si，B，Cr，Cu，Ni和Mn元素進入了焊縫，在液相結晶過程中形成化合物或中間相，阻礙位錯的移動，增加形核率共同作用的結果。對于涂敷C1活性劑的接頭，通過冶金反應，SiO2會略微增加焊縫中的 Si含量，這些對凝固模式有直接影響。Si可增加w(Cr)eq/w(Ni)eq，促進 FA 凝固模式的發展有利于鐵素體的形成，促進δ相的生成。焊縫組織明顯改善為細小的等軸晶組織，晶界和枝晶間的鐵素體呈短棒狀分布。其次，與TIG相比，A-TIG能量更加集中，有利于減少熱量輸入，并且具有更快的冷卻速度，進一步阻礙了δ鐵素體轉變為奧氏體，δ鐵素體含量增多，改善焊縫組織。

圖5 涂敷C2，C3活性劑焊縫和熔合線附近能譜分析圖

圖6、圖7所示分別為不涂活性劑和涂敷C3活性劑接頭的衍射圖譜。由圖可知，不涂活性劑和涂敷C3活性劑接頭的相組成主要是面心立方奧氏體和體心立方鐵素體。但不涂活性劑接頭中出現中間相Cr13Ni5Si2，而涂敷C3活性劑接頭出現中間相Cr2Ni3和Fe3Ni2，衍射峰強度低于不涂活性劑接頭，衍射峰越高，半峰寬越窄，晶粒越大。因此涂敷C3活性劑后接頭晶粒得到細化。根據謝樂公式，D=Kγ/Bcosθ(K是Scherrer常數；D是垂直于晶面方向的晶粒平均厚度；B是測量樣品的衍射峰的半高寬度；θ為衍射角；γ為X射線波長，為0.154 056 nm)計算得出，不涂活性劑接頭的平均晶粒尺寸為97.13 μm，涂敷C3活性劑接頭的平均晶粒尺寸為91.4 μm，涂敷C3活性劑的接頭晶粒得到細化。此外，在接頭的組織圖和能譜分析圖中既沒有看到中間相也沒有元素偏析現象，這說明接頭中這些中間相是彌散分布的，對接頭的力學性能有促進作用。

圖6 不涂活性劑接頭衍射圖譜

圖7 涂敷C3活性劑接頭衍射圖譜

根據圖7可以發現，與不涂活性劑相比，涂敷C3活性劑后鐵素體衍射峰強度增高，說明接頭中鐵素體含量增多，因此本試驗對鐵素體含量進行了分析。如圖8所示，可以看出涂敷C3活性劑后接頭中鐵素體含量由2.9%增加到7.8%，鐵素體的增多，可以增加接頭硬度和強度，因此接頭力學性能越好。根據鐵碳相圖可知，在焊接區域由于A-TIG電弧收縮熱源更加集中，相應減少了焊接熱輸入，因此A-TIG比TIG具有更快的冷卻速度，導致更多的δ鐵素體來不及轉變為奧氏體，接頭中鐵素體含量更多。但是接頭中δ鐵素體不是越多越好，它存在一個范圍，如果δ鐵素體過多會形成較多的σ相，會消耗大量的Cr造成接頭脆化，δ鐵素體含量一般控制在3%～15%，該試驗接頭鐵素體含量為7.8%，處于規定的范圍內，因此涂敷C3活性劑對接頭并沒有惡化作用。

圖8 接頭中的δ鐵素體含量

2.3 活性劑對接頭力學性能的影響

圖9為焊接接頭的硬度分布圖。由圖可以看出，未涂活性劑對接接頭硬度平均值為154 HV，涂有C1活性劑對接接頭硬度平均值為163 HV，涂有C2活性劑對接接頭硬度平均值為172 HV，涂有C3活性劑對接接頭硬度平均值為161 HV。涂有活性劑對接接頭硬度均高于TIG焊，這可能是因為加入活性劑后，活性劑在電弧熱作用下進入焊縫，增加了焊縫合金元素種類和含量，阻礙晶粒長大，增加形核率，細化了晶粒，改變凝固模式，析出更多的δ鐵素體，從而提高焊縫硬度。而且δ鐵素體相比于奧氏體具有更高的強度，相比于TIG，A-TIG具有電弧能量高，冷卻速度快的優點，含有更多的δ鐵素體，也提高了焊縫硬度。在焊縫無論是否涂敷活性劑硬度都是最低，涂敷活性劑前后整體變化趨勢一致，由焊縫到熱影響區再到母材，硬度始終是一個增大的趨勢，不同活性劑之間的接頭硬度差異較小，沒有較大的變化。

圖9 焊接接頭硬度分布圖

圖10為焊接接頭的室溫抗拉強度柱狀圖。各接頭均是在打磨清理余高后所測得。從圖中可以看出，未涂活性劑的對接接頭抗拉強度為707.4 MPa，涂敷C1活性劑的對接接頭抗拉強度為716.7 MPa，涂敷C2活性劑的對接接頭抗拉強度為708.6 MPa，涂敷C3活性劑的對接接頭抗拉強度為738.5 MPa。無論是否涂敷活性劑焊縫的抗拉強度均達到了母材強度的90%。試樣拉伸后發現涂敷活性劑與未涂活性劑的試樣均在熱影響區處斷裂，這可能是因為在焊縫和熔合線附近晶粒細化的情況下，由于熱影響區在焊接過程中未熔化，活性劑元素沒有進入熱影響區，所以涂敷活性劑試樣在熱影響區斷裂。對于未涂敷活性劑的試樣，焊縫和熔合線附近晶粒沒有細化，熔合線附近的化學成分、微觀組織和力學性能極不均勻，是焊接接頭的最薄弱環節，所以未涂敷活性劑的試樣在熔合線附近斷裂。此外Cr2O3的填加可以提高接頭抗拉強度，這是因為鉻是形成鐵素體的有利元素，另外奧氏體不銹鋼在焊接過程會在晶界處形成碳化物Cr23C6發生貧鉻現象，添加鉻可以阻止貧鉻現象的發生，從而提高抗拉強度。

圖10 對接接頭的室溫抗拉強度柱狀圖

3 結論

(1)C1，C2，C3這3種活性劑均能增加熔深。其中，涂有C3活性劑的焊縫熔深增加最大，是TIG焊的3.11倍。

(2)未涂活性劑和涂敷活性劑的焊縫組織均為奧氏體和鐵素體，涂敷活性劑后接頭析出了更多的δ鐵素體，晶粒得到細化。對不銹鋼接頭進行XRD分析發現，涂敷活性劑后接頭相組成發生改變，焊縫生成了中間相Cr2Ni3和Fe3Ni2。

(3)A-TIG焊焊接1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼時，涂敷C1，C2和自制的C3活性劑能提高焊縫硬度，接頭抗拉強度有所提升，其中涂敷C3活性劑的接頭抗拉強度比不涂活性劑接頭抗拉強度提升了4.3%(不處在誤差帶)。在不同活性劑中，涂敷C3活性劑的接頭熔深、顯微組織和力學性能最好。