430 铁素体不锈钢A-TIG 焊接

胡绳荪，王勇慧，申俊琦，陈昌亮，许海刚

(1. 天津大学材料科学与工程学院 天津 300072；2. 天津市现代连接技术重点实验室，天津 300072；3. 宝山钢铁股份有限公司研究院，上海 200431)

奥氏体不锈钢以其出色的耐腐蚀、高温、氧化性能，在全世界范围内获得广泛的应用．但随着国际镍价飙升，以镍作为主要合金元素的奥氏体不锈钢价格居高不下，人们开始转向其他替代钢种的研发推广，其中铁素体不锈钢具有很大发展潜力．

430(1Cr17)是铁素体不锈钢的代表钢种，基体不含镍，价格相对较低，并具有导热系数大、线膨胀系数较小、耐氯化物应力腐蚀性好等优点[1]．这类钢通常采用手工焊或TIG 焊工艺进行焊接．

传统的 TIG 焊能获得优良的焊缝，但存在焊缝熔深小的问题，中厚板需要开坡口进行多道焊或者加大焊接热输入，这样焊接效率低，而且焊后组织粗化严重，使用性能急剧下降．

A-TIG 是在待焊工件表面涂覆活性剂后进行TIG 焊的一种高效的焊接方法，活性剂的使用可以明显增加熔深．目前国内外碳钢、铝合金、钛合金、奥氏体不锈钢等相关的 A-TIG 研究较多[2-6]，针对铁素体不锈钢的研究鲜见报道．

笔者针对 430 铁素体不锈钢进行了单组份和多组分的 A-TIG 焊实验，分别研究了活性剂对焊缝熔深、微观组织和力学性能的影响规律．

1 实验条件

实验用 430 铁素体不锈钢板规格为：300,mm×150,mm×3.2,mm，其化学成分如表 1 所示．所使用的焊接设备包括 Fronius 公司生产的 Magic Wave 4000 型数字化TIG 焊机、自动焊接工作台、按压式夹具等．实验时工件固定在夹具上，焊枪随着小车作匀速直线运动，这样可使焊接过程中弧长和焊接速度保持稳定．

为了减少焊接缺陷，提高焊缝质量，焊前应对焊板进行表面处理，具体方法为用 240#砂纸对钢板表面进行打磨，然后用无水乙醇进行清洗，以去除表面杂质和氧化膜，待其干燥后可以进行活性剂的涂覆．

表1 430铁素体不锈钢化学成分Tab.1 Chemical composition of 430 ferritic stainless steel %

2 单组分活性剂对焊缝熔深的影响

研究单一组分活性剂对焊缝熔深的影响规律，是进行多组分活性剂实验的基础．在查阅文献[2,4-5,7]的基础上，选用了氧化物和卤化物2 种类型的活性剂，包括 B2,O3、Cr2O3、SiO2、TiO2、MnO2、MgO、CaO、KCl、CaF2、NaF，经电子天平精确称量后，加入适量无水乙醇调和成糊状，用扁平毛刷均匀涂覆到待焊工件表面，涂覆宽度为20～30,mm，厚度为0.5,mm左右．

首先测量每种活性剂对应的临界熔透电流值，以初步了解每种组分对于焊接熔深影响的大小及对应的成形状况，焊接规范见表 2．焊接电流从 90,A 开始，每次增加 5,A，直至找到临界熔透电流值．每焊完一道后，均要重磨钨极并重新调整钨极高度，以保证焊接条件的一致性．

表2 A-TIG焊接规范Tab.2 Welding parameters of A-TIG

实验结果如图1 所示，可见所用活性剂均能使焊接临界熔透电流值减小，即涂覆活性剂后可以在较小的热输入条件下使 3.2,mm 钢板熔透．氧化物类活性剂对减小焊接临界电流的作用比较明显，B2O3、Cr2O3、SiO2、TiO2、MnO2、CaO 都能使临界熔透电流降低80,A 以上，效果最好的B2O3甚至能将临界熔透电流降为空板焊接时的 42.3%；卤化物 KCl、CaF2、NaF 效果均不明显．

对于活性剂增加焊缝熔深的作用机理，国内外存在多种理论解释，其中最有代表性的是 “电弧收缩理论” 及“表面张力温度梯度改变理论”[7-9]．活性剂中的F、Cl、O 都具有较强的电子亲和能力，能够引起电弧收缩效应，但同时 O 还能有效改变熔池表面张力梯度，增大焊缝熔深，因而氧化物的综合效果要普遍优于卤化物．

选用氧化物类活性剂用表2 的规范在90,A 电流下进行焊接，焊后横向切割焊缝制备金相试样，腐蚀后在低倍光学显微镜下观察焊缝熔深，得到各组分活性剂对焊缝熔深的影响如图2 所示(D 为不同活性剂对应的熔深，D0为无活性剂区的熔深)．从结果来看，所选活性剂均能不同程度增加焊缝熔深．其中增加效果较为明显的有 B2O3、SiO2、Cr2O3、TiO2．

图1 单组分活性剂临界熔透电流Fig.1 Penetration currents of single component activating flux

图2 单组分活性剂对焊接熔深的影响Fig.2 Effect of single component activating flux on weld penetration

3 多组分活性剂对焊缝熔深的影响

在单组分活性剂实验的基础上，选定 B2O3、Cr2O3、SiO2、TiO2进行混合组分活性剂实验．

(1) 进行任意2 个单组分活性剂等量混合实验，用表2 所示焊接规范，分别在110,A、120,A 的电流下进行焊接，观察焊缝熔透情况．

(2) 进行多组分活性剂定量配比实验，用表2 所示焊接规范，分别在 105,A、110,A 的电流下进行焊接，观察焊缝熔透情况．

等量混合单组分活性剂实验的结果如表3 所示，从表 3 中 2～5 组结果可以看出，Cr2,O3和 TiO2含量较大时，活性剂作用效果变差，因而在混合组分中含量不应太多．

从表 3 中 2、3 和 4、5 两组对比可以看出，Cr2,O3的作用优于 TiO2．根据胡礼木等[10-11]的研究结果，多组元活性剂中的Cr2,O3或有改善焊接接头“贫铬”，提高腐蚀性能的作用．结合实验结果，本实验最终确定活性剂配方的主要成分为：B2,O3(40%～80%)，SiO2(10%～20%)，Cr2,O3(10%～20%)，其配比如表 4所示．

表3 等量混合单组分活性剂实验结果Tab.3 Results of the expriment with 1∶1 single component activating flux

其中A 组在105,A,下全部熔透；B 组仅在110,A下有小段熔透；D 组在 110,A 下大半段熔透，在105,A 下只有局部点状熔透；G 组在 110,A 下大半段熔透，在 105,A 下只有局部点状熔透；H 组在 110,A下全部熔透，在 105,A 下只有部分熔透；剩下的 C、E、F 3 组在110,A 电流下均未熔透．

通常认为：SiO2、Cr2O3、CaF2等活性剂会在阳极表面形成导电性较差的熔融层，使得电弧导电通道变长而导致电弧等离子体发生收缩；B2O3、TiO2等活性剂则能强烈改变熔池表面张力，使表面张力温度梯度由负变正，熔池金属流动方向从周边流向中心，从而使焊缝熔深增加．多组分活性剂综合了电弧收缩作用和表面张力温度梯度改变作用，因而比单组分活性剂的效果更为明显[12-13]．

表4 多组分活性剂配比Tab.4 Proportioning of multi-component activating flux

4 活性剂对焊缝组织性能的影响

利用表2 所示焊接规范，在105,A 电流下对涂覆A 组活性剂和不适用活性剂的 430 铁素体钢板进行焊接，焊后对焊缝区取样进行观察．

如图 3 所示，在相同焊接条件下，不使用活性剂焊接钢板时，得到的熔深只有 1.3,mm，是宽而浅的碗状熔深；使用活性剂后熔深可达 3.2,mm，是前者的 2.46 倍，同时熔宽明显减少，呈现深而窄的杯状熔深.

不使用活性剂的焊缝组织如图 4(a)和 4(c)所示，可见在焊接热循环的作用下铁素体组织较为粗大，并出现少量马氏体和析出相；使用活性剂的焊缝组织如图 4(b)和 4(d)所示，从图 4 中可以看出，使用活性剂后焊缝区铁素体的晶粒尺寸有所减小，这与活性剂中 Cr、B、Si 等合金元素引起的晶粒细化作用有关[14]．

图3 焊缝宏观形貌(25×)Fig.3 Macroscopic morphology of the welds(25×)

图4 焊缝微观组织Fig.4 Microstructure of welds

利用表2 所示焊接规范，在105,A 电流下对使用A 组活性剂和不使用活性剂的 430 铁素体钢板进行焊接，焊后进行拉伸实验并测量焊缝中心处显微硬度值，拉伸试样尺寸为150,mm×30,mm×3.2,mm，显微硬度测试中施加载荷为 1.96,N，载荷保持时间为10,s，实验结果见表 5．铁素体不锈钢由于焊后出现马氏体和析出相，因而显微硬度值与母材相比有明显提高．实验结果表明，与传统 TIG 焊相比，使用活性剂后焊缝抗拉强度和硬度变化不大．

表5 室温下焊缝力学性能测试结果Tab.5 Results of the mechanical performances of the welds at room tempreture

5 结 论

(1) 在铁素体不锈钢 TIG 焊中，所用活性剂均能降低其临界熔透电流并增加焊缝熔深．氧化物类活性剂的效果优于卤化物类活性剂，其中效果最好的B2O3在焊接电流为 90,A 时能使临界熔透电流降低57.7%，焊缝熔深增加1.46 倍．

(2) 多组分活性剂的作用比单组分活性剂更佳．使用 B2O3单组分活性剂需要 110,A 以上的电流才能使 3.2,mm 铁素体不锈钢板完全焊透，而同样条件下使用最佳配比的多组分活性剂时只需要 105,A的电流就可完全焊透．

(3) 在本实验条件下，活性剂的使用可以大幅增加焊缝熔深，同时焊缝区铁素体的晶粒尺寸略有减小，焊缝力学性能则基本保持不变．

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