304不锈钢的TIG焊研究

程艳艳，雷智刚

（吉林化工学院机电工程学院，吉林 吉林 132022）

近年来，不锈钢在生产和消费上的发展趋势都比较快[1-3]。304不锈钢是工业中应用较多的不锈钢牌号，产量占不锈钢总量的三分之一。在工业、医疗等方面的应用中，304不锈钢主要是通过焊接来实现连接的[4-6]。它具有较好的焊接性，但是对热裂纹敏感性高，容易产生晶间腐蚀[7-9]，因此，在合适的工艺条件下才能获得优良的焊接接头。本研究以8 mm厚的304不锈钢为母材进行TIG焊研究，分析了不同焊接电流条件下的焊缝组织和焊接接头硬度分布。

1 试验方案及设备

1.1 试验方案

对304不锈钢进行TIG焊试验，母材的化学成分如表1所示。由于母材厚度为8 mm，为保证焊透，需要开坡口。为了加工方便，坡口形式为V形，坡口角度为60°，钝边为1.5 mm[10]。由于母材厚度较大，故需要焊接打底、填充和盖面层3层焊缝。选用3组不同的焊接电流进行TIG焊，如表2所示。

表1 304不锈钢的化学成分

表2 打底、填充和盖面层的焊接电流（A）

将焊接试样进行线切割，用砂纸粗磨试样后，再用抛光机精磨，最后用腐蚀液将磨好的焊接接头试样进行腐蚀。使用金相显微镜观察焊缝的组织组成，再对焊缝、熔合区和热影响区进行硬度测量，最后进行分析，试验的工艺流程如图1所示。

图1 试验的工艺流程

1.2 试验设备

304不锈钢的TIG焊接试验选用的设备为WS-315型交直流两用氩弧焊机。选用MPC-422金相显微镜进行焊缝组织观察，如图2所示。

图2 MPC-422金相显微镜

焊接试样的焊缝、熔合区和热影响区的硬度测量，选用HVST-1000维氏硬度计，如图3所示。

图3 HVST-1000维氏硬度计

2 金相和硬度分析

2.1 金相分析

对304不锈钢母材进行金相观察，如图4所示，可以看出母材主要由奥氏体组成。

图4 304不锈钢母材的金相组织

3组不同焊接电流条件下的304不锈钢TIG焊的打底层焊缝金相组织，如图5所示，打底层焊缝由奥氏体+少量铁素体组成。从图5a、图5b、图5c可以看出3组焊缝的晶粒大小略有差别，这是因为3组试件打底层施焊电流都是60 A，但填充层施焊电流不同，对打底层焊缝的预热作用有一定影响。

图5 打底层焊缝的金相组织

3组填充层的施焊电流分别为95 A、85 A和75 A，如图6所示为该层焊缝的金相组织。从图中可以看出组织组成与打底层基本相同，第2组焊接电流的焊缝晶粒更细小、均匀。这是由该层的焊接电流、打底层的预热作用以及盖面层的后热作用共同影响而成的。打底层的电流相同，因此，预热作用影响基本一致。第1组填充层焊缝的焊接电流较大，且盖面层的电流也较大，总热量高，会使晶粒长大变粗。第3组填充层焊缝的焊接电流较小，盖面层的电流也较小，后热作用不明显，晶粒也大一些。

图6 填充层焊缝的金相组织

3组盖面层的施焊电流分别为90 A、80 A和70 A，如图7所示为盖面层焊缝的金相组织。盖面层焊缝只受到填充层的预热作用，没有后热作用，组织分布均匀性较填充层差些。

图7 盖面层焊缝的金相组织

从图5、图6、图7的打底层、填充层和盖面层焊缝的金相组织分布来看，第2组焊接电流的焊缝晶粒更细小、均匀。

2.2 硬度分析

打底层、填充层和盖面层焊缝的硬度值是不同的，对表面性能影响最大的是盖面层。因此，分析不同焊接电流的盖面层维氏硬度，如图8所示。

图8 盖面层维氏硬度

如图8所示，总体来看，焊接接头不同区域的维氏硬度值是不一样的，随着距焊缝距离的增大，硬度值先增大，再减小。焊接电流不同，会引起硬度的变化，这是因为在焊接时热的影响会造成组织变化。第2组焊接电流（打底焊60 A、填充焊85 A、盖面焊80 A）的焊缝硬度较另两组的焊缝硬度略高，这是因为第2组盖面焊焊缝的晶粒更为细小。

3 结论

综上，对不同焊接电流条件下的304不锈钢TIG焊焊缝组织和焊接接头硬度进行分析，得出如下结论：

1）不同焊接电流条件下的304不锈钢TIG焊的焊缝组织均为奥氏体+铁素体。由于电流不同，组织分布和晶粒大小略有不同。

2）第2组焊接电流（打底层60 A、填充层85 A、盖面层80 A）条件下的焊缝晶粒更为细小，焊接接头硬度更高，焊接质量更好。