張可峰

（重慶水利電力職業(yè)技術學院，重慶402160）

GTAW焊接參數對建筑裝飾用鉻錳不銹鋼點蝕的影響

張可峰

（重慶水利電力職業(yè)技術學院，重慶402160）

研究氣體保護鎢極弧焊（GTAW）參數對AISI 202鉻錳不銹鋼點狀腐蝕的影響，開發(fā)了一個實證數理方程，用以建立耐點蝕當量數（PREN）與焊接電流、焊接速度、焊槍角度和氣體流速等焊接參數之間的聯系。采用帶有四個參數、五個層級的水平中心組合反應曲面法進行實驗。并用方差分析檢驗了模型的妥善性。用表面和等值線圖研究了焊接接頭耐點蝕當量數工藝參數的主要影響。并得出焊接接頭的質量會受到焊件微觀結構的高度影響。同時，冶金變化可導致焊件質量變差，如微偏析、次生相沉淀、熱影響區(qū)晶粒生長和材料的蒸發(fā)損失等。探討焊槍角度對檢驗焊件微觀結構的影響。研究結果有助于快速選擇相應的工藝參數來實現所需的耐點蝕當量數和焊接質量。

耐點蝕量數；焊接電流；焊槍角度

0 前言

鎢極惰性氣體保護焊GATW與熔化極氣體保護焊的區(qū)別是它利用鎢作為電極制成的，熔點非常高。目前，使用一般的焊接工藝對鋁、不銹鋼、鎂和鈦等金屬進焊接十分困難。為了追求更低的焊接成本和最優(yōu)的焊接質量，就要求焊接工藝和其選擇的參數必須更加精確。適當選擇影響焊接試樣性能的輸入焊接參數可確保焊接接頭的質量更高。不銹鋼本質上是具有耐腐蝕性的，可應用于不同的領域。但即便其具有較好的抵抗性，還是會受到點蝕的影響。點蝕是指在特定劣化環(huán)境下氧化金屬的局部熔解，這是金屬結構失效最常見、最主要的原因。在決定焊接質量方面，點蝕的檢測和監(jiān)測是一項重要的任務。點蝕是一個任意、分散和隨機的過程，預測其出現的時間和位置對于目前的技術而言還十分困難。當不銹鋼接觸到臨界溫度時，也可能經歷不同形式的冶金變化過程。在焊接的熱影響區(qū)，經常出現引起焊合板微結構變化的溫度。而母體金屬中氮化鉻、碳化物和碳氮化物的析出則發(fā)生于不同的焊接環(huán)境條件，同時也會受到不銹鋼等級的影響。

1 試驗程序

實驗是基于中心復合旋轉設計矩陣設計的，該矩陣包含四個因素和完全復制的五個層級。根據設計矩陣，實驗利用數字化電焊機（Lincoln V 350PRO）以隨機的方式進行，并采用伺服電機驅動機械手來保持均勻的焊接速度。該實驗組由一個帶有固定工作樣本的行動托架構成，并將電源設置在右邊。焊槍上裝有一個附件，用于設置焊槍角度和所需的噴嘴到平板的距離。該附件固定在桌子上方的一個框架中。所有試驗中，噴嘴到平板的距離設定為常數2.5mm。為了在這個距離間產生電弧，就必須在框架中使用一個高頻附件。試樣AISI 202板被切割為尺寸100mm×30mm×5mm的試樣，并清理了需要進行焊接的表面，去除氧化皮和污垢。氬氣流速在5～25L/min內變動，起到保護焊接區(qū)域遠離大氣氣體的屏蔽作用。試驗裝置如圖1所示，試樣如圖2所示。

圖1 試驗裝置

圖2 試驗試樣

2 研究方法

基于對耐點蝕當量和微觀結構的影響確定可以獨立控制的焊接參數。經考慮，實驗參數確定為焊槍角度（θ）、焊接速度（v）、焊接電流（I）和保護氣流速（Q）。而這些參數的作用范圍均需通過試驗確定。跟蹤試驗確定的θ、v、I和Q的范圍如表1所示。編碼的參數上限為2，下限為-2，其中間值則可通過式（1）得出

式中Xi為變量X所需的編碼值；X為變量Xmin～Xmax之間的任意值。

表1 工藝參數及其等級

表1給出了工藝參數及其相應的范圍和符號級別。工藝參數0為中心點，下限為-2，上限為2，在中間水平的其他兩個參數-1和+1為星點。

3 記錄反應

耐點蝕當量數是一種基于合金化學成分估計不銹鋼耐點蝕性的理論方法。最常見的確定耐點蝕當量數的方程為

通過對焊接試樣進行濕法分析，以確定所有試樣的精準化學成分。本研究采用IS 228測試方法確定化學成分。用式（2）從化學成分中確定出耐點蝕當量數，每個焊接試樣的耐點蝕當量數及其成分如表2所示。

表2 焊接試樣的實驗設計和耐點蝕當量估計

4 試驗設計

所選的實驗設計為基于可旋轉型標準的擬合二階二次方程的中心復合旋轉設計。該設計方案包括31個實驗，是帶有四個參數、五個層級的中心復合旋轉設計，且包含31套編碼條件。試驗設計矩陣包含16個因子設計、8個星點和7個中心點的完全復制，分別對應于表2顯示的設計矩陣的前16行、17～24行及最后7行。因此，通過運行這31個試驗，可以估算出工藝參數對耐點蝕當量線性、二次方程式和雙向交互的影響。試驗以隨機方式進行，以使實驗過程中的錯誤最小化。表2中已給出了設計矩陣及耐點蝕當量的測定值。

式（3）是本次研究中用于構建過程變量x和反應變量y之間關系的二次多項式的一般方程

式中b0為常數；bi為線性項系數；bii為二次項系數；bij為交互項系數。

二次方程的系數是通過MINITAB R14統(tǒng)計軟件計算出來的。消除最低有效系數后，建立統(tǒng)計數學模型。這是通過t檢驗得到的。根據這一實驗，當計算出的t值對應的系數超過保持在0.75的概率準則時，系數就具有了重要意義。式（4）給出了該數學模型。

通過方差分析檢驗模型的適當性。計算出的模型F-比率不超過置信水平的標準值（95％），而計算出的模型R-比率則超過了同一置信水平的標準列表值。在這種情況下，就認為模型是恰當的。方差分析的結果如表3所示。

表3 模型適當性

5 結果和討論

5.1 焊接工藝參數對耐點蝕當量的影響

本研究開發(fā)的數學模型是為了通過構建耐點蝕當量與焊接電流、焊接速度、焊槍角度和氣體流速等參數之間的聯系來預測耐點蝕當量值。并使用開發(fā)的經驗模型研究了這些焊接參數對耐點蝕當量的直接影響，研究結果如圖3～圖7所示，并分析其中的因果關系。繪制這些工藝參數直接影響的趨勢有助于確定具有統(tǒng)計學意義的參數。所有參數對耐點蝕當量的影響如下。

圖3 焊槍角度對耐點蝕當量值的影響

圖4 焊接電流對耐點蝕當量值的影響

圖5 焊接速度對耐點蝕當量值的影響

圖6 保護氣流速對耐點蝕當量值的影響

圖7 基底金屬微觀結構

圖3描述了焊槍角度對耐點蝕當量的影響。由圖3可知，耐點蝕當量值隨著焊槍角度的增加而下降。這是由于當焊槍角度較小時，焊接金屬暴露于電弧的部分變少，降低了熱輸入，提高了冷卻速率。這就導致臨界點蝕溫度降低，耐點蝕當量的值增加。當焊槍角度較大時，熱輸入增加而冷卻速度降低，從而使得臨界點蝕溫度升高，耐點蝕當量值降低。

圖4描述了焊接電流對耐點蝕當量的直接影響。由圖4可知，耐點蝕當量值隨著電流的增加而下降。這是由于焊接電流與熱輸入成正比。當電流較低時，熱輸入較少，冷卻速率增加，這就導致臨界點蝕溫度降低，使得耐點蝕當量增加。當電流較高時，熱輸入增加，冷卻速率下降，臨界點蝕溫度升高，導致耐點蝕當量降低。

圖5描述了焊接速度對耐點蝕當量的直接影響。由圖5可知，耐點蝕當量值隨著焊接速度的增加而增加。這是由于焊接速度與熱輸入成反比。速度較低時，熱輸入高，冷卻速率下降，導致臨界點蝕溫度升高，從而導致耐點蝕當量降低。當速度較高時，熱輸入下降，冷卻速率增加，臨界點蝕溫度下降，從而導致耐點蝕當量增加。

圖6描述了保護氣流速對耐點蝕當量的直接影響。由圖6可知，耐點蝕當量值隨著保護氣流速的增加而增加。這是因為保護氣在焊接過程中總是會帶走一些熱量。在低水平時，帶走的熱量相對變少，并隨著氣體流速的增加而增加。因此，低水平氣流速率下的熱輸入比高水平氣流速率下的熱輸入要高。因此，在較高水平氣流速率下，臨界點蝕溫度下降，耐點蝕當量增加；而在較低水平氣流速率下，臨界點蝕溫度增加，耐點蝕當量下降。

5.2 焊接試樣的微觀結構

當焊槍角度維持在最大和最小水平而其他參數保持在中間水平時，對焊接試樣進行金相分析。

AISI202級不銹鋼板基底金屬的微觀結構如圖7所示。AISI202不銹鋼基底金屬包含等軸的奧氏體晶粒。在奧氏體晶粒邊界，有少量分散的硬質合金顆粒。因此,在晶粒邊界有少量分散硬質合金顆粒的基底金屬擁有完全奧氏體結構。

圖8顯示了焊槍角度為50°，焊接電流、焊接速度和保護氣流速的參數分別為90A、190mm/min和15 L/min時焊接試樣的微觀結構。從試樣的纖維組織中可以觀察到，基體金屬具有等軸晶粒的奧氏體。其中，熱影響區(qū)面積相對較小，在這個焊槍角度下，焊接金屬暴露于電弧的部分較少。焊接金屬含有粗晶粒，且保留了奧氏體的主要部分。

圖8 較低水平焊槍角度下焊接金屬的微觀結構，熱影響區(qū)及試樣基底金屬

圖9顯示了焊槍角度為90°，焊接電流、焊接速度和保護氣流速的參數分別為90 A、190mm/min和15 L/min時焊接試樣的微觀結構。

圖9 較高水平焊槍角度下焊接金屬的微觀結構，熱影響區(qū)及試樣基底金屬

從微觀結構可以看出，相較于50°焊槍角度，焊槍角度為90°時，焊接試樣的熱影響區(qū)面積更大。這是因為90°時焊接金屬暴露于電弧的部分更多。從焊接金屬的微觀結構還可以看出，與之前的試樣相比，焊接金屬的粗化范圍減少，同時也表明其保留了奧氏體的主要部分。在整個焊接區(qū)域，只有一小部分回火馬氏體。而在奧氏體晶體中，還存在一些鐵素體。

6 結論

焊接電流和焊槍角度對點蝕有很強的消極影響，耐點蝕當量值會隨著焊接電流和焊槍角度的增加而下降；焊接速度和保護氣流速對點蝕有很強的積極影響，耐點蝕當量值會隨著焊接速度和保護氣流速的增加而增加；AISI202級不銹鋼基底金屬含有奧氏體等軸顆粒，在顆粒邊界存在一些小的硬質合金顆粒；當焊槍角度保持在50°，由于焊接金屬暴露于電弧的部分較少，熱影響區(qū)面積便減少。焊接金屬區(qū)保留了粗晶粒和奧氏體的主要部分?；鼗瘃R氏體粗放分布在整個區(qū)域；當焊槍角度保持在90°的低水平時，由于焊接金屬暴露于電弧的部分增加，熱影響區(qū)面積也增加。焊接金屬粗化現象減少。奧氏體晶體中保留了奧氏體的主要部分和少量鐵素體。回火馬氏體分布在整個區(qū)域。

[1]李明珠，趙云龍.提高2Cr13馬氏體不銹鋼疲勞強度的工藝研究[J].熱加工工藝，2010(12）：178-179.

[2]劉俊良，劉社琴.馬氏體不銹鋼的鍛造[J].金屬加工(熱加工），2010（19）：52，54.

[3]張拯，林萬明，錢玉水.馬氏體不銹鋼腐蝕性能的研究[J].鑄造設備與工藝，2012（6）：17-19.

Effect of GTAW parameters on pitting corrosion of chrom ium-manganese stainless steel for building decorative

ZHANG Kefeng
（ChongqingWater Resourcesand Electric Engineering College，Chongqing402160，China）

Studied the gas tungsten arc welding(GTAW)parameters affecting on AISI 202 Cr Mn stainless steel pitting corrosion，and developed an empiricalmathematical equation，which is used to establish the connection between the PREN and welding parameters, such as welding current，welding speed，angle of welding gun and gas flow rate.Used four parameters，five level central composite response surface method level for experiment.Analysis of the developmentmodel was properly tested by variance.Map of the study mainly affecting PREN process parameters ofwelded jointwith surface and contour.And the quality of welded jointswere influenced by the height of the weldmentmicrostructure.At the same time，metallurgical change could cause the welding quality variation，such as micro segregation，secondary phase precipitation，heat affected zone grain growth and material evaporation loss.Discussed the influence of welding gun angle on the testweldmentmicrostructure.The results of the present study is helpful to quickly select the corresponding process parameters to achieve the desired PREN and welding quality.

pitting corrosion quantity；welding current；welding speed

TG444+.72

A

1001-2303（2015）07-0075-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.07.16

2015-01-17；

2015-02-02

重慶水利電力職業(yè)技術學院科學研究項目（K201417)

張可峰（1976—），男，山東臨沂人，講師，碩士，主要從事金屬材料焊接技術的教研工作。