304不锈钢板弧焊焊接工艺的研究

张瑾 王龙 王勇 张诚 叶垒

（东风本田汽车有限公司，武汉430050）

1 前言

不锈钢具有优异的耐蚀性、成型性、相容性以及在很宽温度范围内的强韧性等系列特点，所以在重工业、轻工业、生活用品行业以及建筑装饰等行业中取得了广泛的应用，其中汽车工业是当前发展最快的不锈钢应用领域[1]。钨极氩弧焊由于具有良好的电弧稳定性和良好的保护性能，在不锈钢的焊接中得到广泛应用，特别适用不开坡口、不加填充金属的薄板和全位置焊接。本课题主要是探索304不锈钢焊接工艺，并对焊接接头的力学性能和组织性能进行深入的分析，为汽车零部件生产提供合理的焊接工艺参考。

2 试验方法

2.1 试验材料

焊接材料：1.5 mm的304不锈钢板；焊接设备：WSME-315型逆变式交直流脉冲氩弧焊机，试验板的尺寸为70 mm×50 mm×1.5 mm。材料的化学成分和力学性能如表1所示。

表1 304不锈钢化学成分 （质量分数）%

2.2 试验方案设计

2.2.1 参数筛选试验

参数的范围选取办法是以刚能够形成熔池到试样即将焊穿的2个临界值所包括的区域为可焊范围，通过大量试验获得范围如表2所示。

表2 焊接参数参数范围

在得到可焊范围以后，采用的筛选方案是5因素2水平，按照设计方案对试样进行焊接，经数控切割机切割和打磨以后，再进行拉伸试验，采集数据，分析试验结果，筛选得出相对稳定的参数范围。具体方案如表3所示。

表3 筛选试验方案设计

2.2.2 均匀设计试验

a.试验因素的选定：根据筛选方案中所确定的显著因素，再结合实际情况，最后选定的均匀设计参数是焊接电流55～95 A和氩气流量4～22 L/min，其它的参数是焊接速度2.9～3.1 mm/s，钨棒直径1.6 mm，钨棒尖端距工件的距离是3 mm，滞后关气时间是5 s。

b.具体方案设计：根据筛选试验的结果，焊接电流的范围是55～95 A，氩气流量的范围是4～22 L/min，每个因素确定10个水平，采用U10(10)22因素10水平均匀设计表安排试验。均匀设计方案如表4所示。

表4 均匀试验设计方案

2.2.3 黄金分割试验

a.焊接参数的确定：黄金分割试验是固定其它的参数，只改变焊接电流的的单因素试验方法[2]，因此选定焊接电流的范围是50～90 A，其它的参数分别是焊接速度2.9～3.1 mm/s，氩气流量是10 L/min，钨棒直径1.6 mm，钨棒尖端距工件的距离是3 mm，滞后关气时间是5 s。

b.具体方案设计：焊接电流的范围是50～90 A，按照黄金分割的原理，即X1＝a＋0.618（b－a），X2＝a＋b－X1，按照上述的计算方法，首先在50～90 A中进行筛选，将I=75 A对应的拉伸强度值与I=65 A的强度值进行比较，若得出75 A的强度值大一些，即淘汰掉50～65 A这个范围，如图1所示。

图1 焊接电流选取范围

重新选取65～90 A，再重复以上的步骤，若I=65 A的拉伸强度值要大一些，这要淘汰掉75～90 A这个范围的数值，选取50～75 A这个范围的数值，然后按照这样的思路以此进行下去，最终找到最佳的工艺参数。

2.2.4 焊接接头力学性能测试

按照筛选试验、均匀设计和黄金分割试验的设计方案，进行焊接，然后按照GB/T 2651—2008《焊接接头拉伸试验方法》要求[3]，采用等离子切割的方法制备拉伸试样，记录数据，如图2所示。

图2 拉伸试样的尺寸

2.2.5 金相和试验

对采用不同焊接参数的试样进行了切割，制成镶嵌试样，经过磨平、抛光，采用20%HCl和80%FeCl3配比下的腐蚀剂腐蚀，利用显微镜观察焊缝微观组织形貌。

3 试验结果分析

3.1 拉伸试验结果分析

拉伸试验结果，如表5所示。Minitab会话框中（图3）包括5个主效应，使用Alpha=0.05，焊接电流和氩气流量的主效应显著，即其p＜0.05。也就是说在这5个参数中，只有焊接电流和氩气流量是显著的，其它3个参数是不显著的。

表5 筛选试验拉伸结果

图3 Minitab会话框

从参数效应Pareto图中也可以清楚的看到这个结果，如图4所示。

图4 参数效应Pareto图

3.2 均匀设计结果分析

拉伸试验结果，表6所示。

表6 均匀设计拉伸结果

3.2.1 Minitab线性回归分析

将均匀设计方案和拉伸结果输入到Minitab软件中，进行线性回归，分析抗拉强度与焊接电流、氩气流量是否有线性的关系。从图5可以得出。

图5 Minitab的残差

a.正态概率图显示了一个与正态分布一致的近似线性的模式。图中右上角的一个点可能是异常值，同样的点在输出中标记为异常观测值。

b.由残差与拟合值图可以看出，随着拟合值增大，标准化参差也在逐渐的减小，这表明这些残差可能具有非恒定方差。

c.直方图表明了数据中可能存在异常值，因为图的最右端有1个条形，并且有2个长尾，即有2个条形离其它较远，说明这些数据可能存在着偏差。

d.在残差与顺序图中，可以看出残差值的符号随着观测值顺序的不断变化而不断的发生变化，先为正，然后为负，再为正，说明了系统的非随机性误差呈负相关。

从图6可以得出。

图6 Minitab会话框

a.方差分析表中的p值显示此回归过程估计的模型在a水平为0.05时不具有显著性。

b.X1表示的是焊接电流，X2表示的是氩气流量，其中的X1的p值为0.969，X2的p值为0.724，远远的大于了0.05，所以初步得出的结果很不理想。

c.虽然R-Sq值与R-Sq的调整值很接近，但是很小，不具备预测的能力。

综上所述，线性回归的效果很差，可能数据还存在着非线性的关系。

3.2.2 Minitab逐步回归分析

从均匀设计第3步回归的结果可以看出（图7），R-Sq和R-Sq（调整）分别为93.16和91.61，已经取得了比较理性的效果，故取在5%水平下各系数都显著的回归方程（公式1）作为最佳的回归方程。

图7 均匀设计逐步回归结果

式中，Y3为抗拉强度；X1为焊接电流；X2为氩气流量。

3.2.3 规划求解求最优解

将焊接参数的范围带入到公式（1）中，然后利用Excel中的规划求解工具，便可以得到最优解，即焊接电流I=84 A，氩气流量为7 L/min，焊接速度为2.9～3.1 mm/s，钨棒直径为1.6 mm，钨棒尖端距工件的距离是3 mm，滞后关气时间为5 s，最终的抗拉强度是625.08 MPa。

3.3 黄金分割试验结果分析

通过利用黄金分割的方法，首先比较I=75 A和I=65 A的拉伸强度大小，前者要大一些，故舍去50～65 A这一范围，最终确定了最佳的焊接工艺参数是焊接电流为85 A，焊接速度为2.9～3.1 mm/s，氩体流量为10 L/min，钨棒直径为1.6 mm，钨棒尖端距工件的距离是3 mm，滞后关气时间为5 s，最终的抗拉强度是621.35 MPa，如表7所示。

表7 黄金分割拉伸结果

3.4 焊接工艺参数最终的确定

利用均匀设计和黄金分割试验得到的最佳焊接工艺参数分别焊接3组试样，以防止偶然误差的出现，并将最终的焊接试样进行拉伸试验，并分别求平均值，比较两组试验方案的最佳性。

由表8可知，最佳焊接参数是焊接电流I=84 A，氩气流量为7 L/min，焊接速度为2.9～3.1 mm/s，钨棒直径为1.6 mm，钨棒尖端距工件的距离是3 mm，滞后关气时间为5 s，最终的抗拉强度是624.20 MPa。

表8 对比拉伸试验

3.5 同焊接电流下的焊缝外观对比

在得到最佳焊接工艺参数以后，以下是对焊接结果影响最显著的焊接电流作为参照，进一步验证最佳焊接电流的可靠性。

如图8～图13所示是采用不同的焊接电流所对应的试样图，从图片中可以清晰的看出，随着焊接电流的增大，焊缝的的热影区逐渐变大，并且熔宽和熔深在I=74 A到I=84 A的时候增大的很明显，从对应的图片中可以清楚的观察到，在I=74 A的时候，明显的输入电流过小，热影响区很窄，使母材未焊透。在I=84 A到I=94 A的范围内，熔宽和熔深变化不是很大，但是当I=94 A时，可以看到熔池发生了严重的烧损，并且颜色发黑，是电流过大所致。从以上的试样对比，基本上验证了最佳焊接工艺参数的可靠性。

图8 I=94 A自熔焊缝正面

图13 I=74 A自熔焊背面

3.6 不同焊接电流下的金相分析

焊缝的宏观形貌示意如图14所示。

图9 I=94 A自熔焊缝背面

图10 I=84 A自熔焊缝正面

图11 I=84 A自熔焊缝背面

图12 I=74 A自熔焊正面

图14 I=84 A的焊缝宏观形貌示意

3.6.1 热影响区金相分析

图15是不同焊接电流下的熔合区形貌，它们的宏观形貌如图14中a区域所示。从图15可以看出，随着焊接电流的增大，热影响区也慢慢的扩大，图中的B1、B2、B3区分别代表的是不同焊接电流下的正火区，同样是随着焊接电流的增大而增大，同时正火区的组织相比焊缝组织比较细小，由于焊接时母材受热，达到了再结晶温度以上，形成了等轴晶，并且当焊接电流I=94 A时的热输入最大，所以形成的等轴晶要多一些。图中的C1、C2、C3分别不同焊接电流下的熔合区，从图中可以看出熔合区是参差不齐的，并且非常狭小，图中的A1、A2、A3的区域中分布着细长的条状物，是由于轧制所产生的塑性变形，因为不锈钢焊接试验试板是通过剪板机剪切而成的，所以可以断定细长的条状物是由于剪切所引起的塑性变形，通过观察母材剪切后的形貌也同样发现了细长的条状物。

图15 不同焊接电流相下的熔合区形貌对比

3.6.2 焊缝中心组织形貌分析

图16是不同焊接电流下的焊缝中心的形貌，它们的宏观形貌如图14中b区域所示。焊接过程中熔池的凝固主要通过母材散热，焊缝两侧晶粒会向着焊缝中心生长，形成柱状晶。从图16中可以看出，焊缝组织都为奥氏体基体上分布着树枝状的δ铁素体，粗大的奥氏体柱状晶粒垂直于熔池底部和熔合线的方向生长，具有较强的方向性，指向焊缝中心。当焊接电流为I=74 A的时候，由于热输入小，焊后冷却速度快，高温停留时间短，所以柱状晶在焊缝中心处相遇；当焊接电流I=84 A的时候，焊缝中心较大区域出现了等轴晶，其δ铁素体以骨架状或蠕虫状分布，边缘为较细化柱状晶。它的中心轴线区域出现了细小的等轴晶，与柱状晶区相比，等轴晶和细小树枝晶区的各个晶粒在长大时彼此交叉，枝叉间的搭接牢固，裂纹不易扩展，不存在明显的脆弱界面，各晶粒取向不尽相同，其性能也没有方向性，因而为焊接时期望得到的组织[4]；当焊接电流为I=94 A的时候，由于热输入比较大，所以在高温停留时间较长，组织较粗大，在焊缝中心处相遇。

图16 不同焊接电流相下焊缝中心形貌对比

4 ANSYS焊接热模拟

4.1 焊接温度场瞬态模拟

4.1.1 瞬态模拟的意义

在得出最佳焊接工艺参数以后，对不同焊接电流的外观形貌与金相组织进行了对比，验证了焊接电流的最佳性与可靠性。由于采用手工TIG焊接，速度固定在2.9～3.1 mm/s之间，为了验证在焊接电流I=84 A下的焊接速度的可靠性，采用了ANSYS软件，模拟在不同焊接速度条件下温度场的瞬态分布，验证焊接速度的可靠性。

4.1.2 尺寸单元的选择

热分析单元选择三维八节点六面体单元SOLID70来进行热计算。为了保证计算的精度，故在靠近焊缝10 mm处采用加密网格，网格大小控制在0.1 mm，在远离焊缝处采用较疏的网格。图17为模拟的不锈钢板，可以清楚的看到它的网格划分是焊缝处较密，然后依次变得稀疏，图18是要考察的温度点[5]。

图17 平板焊接的有限元模型

图18 有限元模型重要考察的点

4.1.3 焊接参数的输入

焊接热源采用高斯分布的热源函数作为表面热源，焊接参数为焊接电流I=84 A，电弧电压U=20 V，焊接速度v=0.003 m/s，焊接热效率η=0.7，电弧有效加热半径R=0.004 5 m，如表9所示。

表9 性能参数

4.2 焊接温度场瞬态模拟

4.2.1 最佳焊接参数的温度云图

图19是在焊接电流I=84 A，焊接速度v=0.003 m/s条件下的瞬态温度分布云图。

图19 v=0.003 m/s时刻的温度云图

从图19的4个焊缝节点的温度分布可知，温度在熔点以上的时间是19 s左右，而它的焊接时间是17 s，说明了此焊接参数保证了对接不锈钢板的熔化和连接，并且焊接焊缝美观。不锈钢的熔点是1 398～1 420℃左右，说明以这个焊接参数来焊接不锈钢板可以焊透，没有过热，温度合适，焊接速度也适宜。

4.2.2v=0.002 5 m/s时的温度云图

从图20的4个焊缝节点的温度分布可知，温度在熔点以上的时间是33 s左右，而它的焊接时间是23 s，并且温度大部分在2 600℃以上，最高达3 000℃，可以看出此焊接参数明显过热，温度在熔点以上的时间大于焊接的时间，其焊接工艺不理想，并且焊后会产生很大的焊接残余应，组织过热并且粗大。

图20 v=0.002 5 m/s时刻的温度云图

4.2.3 v=0.003 5 m/s时的温度云图

从图21的4个节点的温度分布可知，温度在熔点以上的时间是10 s左右，而它的焊接时间是12 s，大部分温度在1 700℃左右，这样的温度无法实现充分的连接，不能够保证对接试样充分的焊透，并且在此焊接速度下有1/6的时间焊缝没有熔化，那么至少有1/6的焊缝没有焊接上，说明了此焊接速度快，热量输入不足，焊接时容易导致未焊透的缺陷，所以焊接也不理想。

图21 v=0.003 5 m/s时刻的温度云图

5 结论

采用WSME-315型逆变式交直流脉冲氩弧焊机，对厚度为1.5 mm的304不锈钢进行对接焊，得出以下结论。

a.通过筛选试验可知：用WSME-315型逆变式交直流脉冲氩弧焊机进行直流焊接时，在焊接速度相对稳定的情况下对抗拉强度影响最显著的因素是焊接电流。

b.利用均匀设计和黄金分割的优化方案，得到了最佳的焊接工艺参数：焊接电流84 A，氩气流量是7 L/min,焊接速度是2.9～3.1 mm/s,其它的焊接参数是钨棒直径是1.6 mm，钨棒尖端距工件的距离是3 mm和滞后关气时间是5 s。

c.通过比较不同焊接电流下试样的外观形貌和金相微观组织，验证了焊接电流的最佳性。

d.利用ANSYS软件，采用相同的焊接电流，不同的焊接速度，对对接的不锈钢进行焊接时，发现焊接速度较小时，热输入过大，容易导致焊缝过热、烧穿等缺陷，当焊接速度较大时，热输入不足，焊缝不能完全熔化，成型较差，当采用最佳焊接参数中的速度时，焊缝充分的熔化了，并且成型良好，性能优良。