戴忠晨，陳 菲，云中煌，張洪逵

（中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇南京210031）

0 前言

耐候鋼是通過在鋼中添加微量的合金元素（如Cu、P、Cr、Ni）使其在大氣腐蝕過程中改變生銹部位的物理化學(xué)特性來抑制腐蝕進(jìn)程，其在大氣中具有良好的耐腐蝕性能[1]；奧氏體不銹鋼具有優(yōu)良的耐高溫、耐氧化和抗腐蝕能力，這兩種材料均為現(xiàn)代軌道車輛車體常用材料[2]。由于不銹鋼與耐候鋼的熔點(diǎn)、導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)等熱物理性能方面差異較大，在焊接熱源的作用下，兩種母材產(chǎn)生的變形和熔化量不一致，從而導(dǎo)致焊接變形和焊縫成形變差，影響連接效果。為了控制焊接變形和改善焊縫成形質(zhì)量，有必要采用低熱輸入的焊接工藝[3-4]。

電弧釬焊工藝（如MIG釬焊和MAG釬焊等）是一種將釬焊與電弧熔焊結(jié)合的技術(shù)，以傳統(tǒng)熔焊常用的電弧為熱源，采用熔點(diǎn)低于母材的焊絲，使其在電弧熱作用下熔化，在低于母材熔點(diǎn)、高于釬料熔點(diǎn)的溫度下，液態(tài)釬料在母材表面潤濕、鋪展并在母材間隙中填縫，釬料與母材相互擴(kuò)散與熔解，最終實(shí)現(xiàn)母材的連接[5]。電弧釬焊一般采用低熔點(diǎn)的銅基焊接材料，與熔化焊接工藝（如MIG焊和MAG焊等）相比，熱輸入較低，非常適用于薄板不銹鋼與耐候鋼異種鋼的焊接。目前對(duì)不銹鋼和耐候鋼薄板的電弧釬焊工藝的相關(guān)研究報(bào)道較少，主要集中在釬焊工藝、接頭性能等方面[6-8]。研究表明，焊絲對(duì)電弧釬焊工藝的影響較大，當(dāng)焊絲中Si含量適當(dāng)增加時(shí)，焊絲潤濕性更好；當(dāng)焊絲中加入Al元素時(shí)，不僅會(huì)增強(qiáng)焊絲的潤濕性，也一定程度提升了焊接接頭的抗拉強(qiáng)度；當(dāng)焊絲中加入Sn元素時(shí)，焊絲的熔點(diǎn)明顯降低，但如果Sn含量過高，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度會(huì)降低[9-10]。薄板不銹鋼與耐候鋼異種鋼電弧釬焊成功的關(guān)鍵是選用合適的焊絲，因此通過試驗(yàn)驗(yàn)證多種焊絲的性能十分必要。

本研究采用手工MIG電弧釬焊工藝，通過選用不同焊絲對(duì)SUS304不銹鋼與Q355GNHD耐候鋼薄板對(duì)接接頭進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)，獲得合格的焊接接頭。通過潤濕性檢驗(yàn)、外觀檢驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)和金相試驗(yàn)確定焊絲的適用性。

1 試驗(yàn)設(shè)備、材料和方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備和焊接參數(shù)

試驗(yàn)設(shè)備是德國EWM公司生產(chǎn)的Alpha Q351 MIG/MAG多功能焊機(jī)。該焊機(jī)具有獨(dú)特的Cold Arc技術(shù)，這是一種新型的熔化極氣體保護(hù)電弧焊方法，通過對(duì)電弧電壓和焊接電流的精確控制和調(diào)節(jié)，保證電弧穩(wěn)定的同時(shí)顯著降低熱輸入。

采用純度為99.999%的氬氣作為保護(hù)氣體，焊接電流90～100 A。

1.2 試驗(yàn)材料

（1）母材。

母材為Q355GNHD耐候鋼和SUS304不銹鋼，厚度2.0 mm，耐候鋼板材與不銹鋼板材之間進(jìn)行異種材料的對(duì)接釬焊試驗(yàn)。母材化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1所示。

SUS304不銹鋼和Q355GNHD耐候鋼試板規(guī)格為350 mm×150 mm×2 mm，接頭形式為對(duì)接接頭，沿試板長度方向進(jìn)行平焊，如圖1所示。焊前對(duì)試板進(jìn)行點(diǎn)固，然后采用專用夾具進(jìn)行裝夾、固定，防止焊后試板發(fā)生變形。焊前，采用砂輪打磨試板距焊縫中心20 mm區(qū)域，并用丙酮擦拭；裝配時(shí)試板間隙應(yīng)盡可能小。

表1 母材化學(xué)成分及力學(xué)性能

圖1 對(duì)接接頭示意

（2）釬料。

采用的釬料為CuSi3、CuAl8、CuSn6實(shí)心焊絲，直徑1.0 mm，其化學(xué)成分及物理性能見表2～表7。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 潤濕性試驗(yàn)

潤濕性鋪展示意如圖2所示，分別測(cè)出釬料在SUS304不銹鋼和Q355GNHD耐候鋼上的潤濕角θ1、θ2；釬料在 SUS304 不銹鋼和 Q355GNHD 耐候鋼上的鋪展寬度B1、B2以及釬縫余高h(yuǎn)。

表2 CuSi3焊絲的化學(xué)成分%

表3 CuSi3焊絲的物理性能

表4 CuAl8焊絲的化學(xué)成分%

表5 CuAl8焊絲的物理性能

表6 CuSn6焊絲的化學(xué)成分%

表7 CuAl8焊絲的物理性能

圖2 潤濕性鋪展示意

不同釬料在SUS304不銹鋼和Q355GNHD耐候鋼上的潤濕鋪展情況如圖3所示，試驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)如表8、表9所示。

圖3 不同釬料在母材上的潤濕鋪展

根據(jù)文獻(xiàn)[11]確定潤濕系數(shù)的計(jì)算公式為

式中 W.I.arc-brazing為潤濕性系數(shù)；Bspreading為釬料鋪展寬度（單位：mm）；θ為平均潤濕角（單位：°）。

表8 不同釬料在SUS304不銹鋼上的潤濕鋪展測(cè)試數(shù)據(jù)

表9 不同釬料在Q355GNHD耐候鋼上的潤濕鋪展測(cè)試

W.I.arc-brazing值大意味著釬料潤濕性好，因?yàn)樗磉_(dá)大的鋪展寬度和小的潤濕角。

根據(jù)表8、表9的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過式（1）計(jì)算不同釬料在SUS304不銹鋼和Q355GNHD耐候鋼上的潤濕系數(shù)，結(jié)果如表10所示。

表10 不同釬料在母材上的潤濕系數(shù)

由表10可知，在兩種母材上，CuSi3釬料的潤濕系數(shù)最大，潤濕性和鋪展性最好；CuSn6釬料的潤濕系數(shù)最小，潤濕性和鋪展性最差；CuAl8釬料的潤濕系數(shù)數(shù)值介于CuSi3和CuSn6之間，CuAl8釬料的潤濕性和鋪展性較好。

2.2 外觀檢驗(yàn)

由圖3可知，采用CuAl8釬料的焊道顏色較亮，焊道表面的波紋均勻，焊道飽滿、平滑（熔滴過渡均勻），飛濺小，無夾雜、咬邊、氣孔等缺陷，焊道背面局部焊透。采用CuSi3釬料的焊道顏色偏暗，焊道表面波紋不均勻，焊道不飽滿，飛濺較大，無夾雜、咬邊、氣孔等缺陷，焊道背面局部焊透。采用CuSn6釬料的焊道表面顏色不均勻，局部位置顏色偏暗，焊道表面的波紋不均勻，焊道不夠飽滿和平滑（熔滴過渡不均勻），飛濺較大，無夾雜、咬邊、氣孔等缺陷，焊道背面局部焊透。

2.3 拉伸試驗(yàn)

按標(biāo)準(zhǔn)DIN-1900將釬焊接頭切割成拉伸試樣，采用WD-200B型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)在釬焊接頭的不同部位截取兩個(gè)拉伸試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，取兩次測(cè)試結(jié)果的平均值作為最終拉伸測(cè)試強(qiáng)度值。接頭的斷裂情況如圖4所示，拉伸強(qiáng)度如圖5所示。

圖4 拉伸斷裂情況

圖5 2 mm-Q355GNHD+2 mm-SUS304對(duì)接接頭的拉伸強(qiáng)度

由圖4、圖5可知，CuSi3、CuAl8釬料接頭的拉伸強(qiáng)度均滿足要求，拉伸試樣斷裂在Q355GNHD耐候鋼上；CuSn6釬料接頭的拉伸強(qiáng)度是3種釬料中最低的，其拉伸試樣斷裂在釬縫上，這是因?yàn)镃uSn6釬料自身的強(qiáng)度低于母材。

2.4 金相試驗(yàn)

（1）宏觀分析。

對(duì)接接頭橫截面宏觀形貌如圖6所示。由圖6可知，由于焊接電流較大，3種釬焊接頭均具有熔焊和釬焊的雙重性質(zhì)，釬料與SUS304不銹鋼和Q355GNHD耐候鋼兩側(cè)的母材均發(fā)生部分熔化，熔化部分母材和熔化釬料混合后凝固形成焊縫。釬料為CuAl8時(shí)，母材熔化部分最多。釬料為CuSi3時(shí)，焊縫上分布著不均勻的細(xì)小氣孔，影響釬焊接頭的力學(xué)性能。

圖6 對(duì)接接頭橫截面宏觀形貌

圖7 母材及釬料微觀組織

（2）微觀組織分析。

母材及釬料微觀組織如圖7所示。SUS304不銹鋼屬于奧氏體不銹鋼，基體組織為奧氏體（見圖7a）。Q355GNHD耐候鋼的基體組織為鐵素體（見圖7b）。CuSi3釬料的基體組織為α-固溶體（見圖7c）。

采用CuSi3和CuAl8釬料獲得的接頭宏觀截面見圖8，具有熔焊和釬焊的雙重性質(zhì)，其中A、H區(qū)為母材未熔化區(qū)，B、C、D、G、E、F區(qū)為母材熔化區(qū)。

圖8 接頭宏觀截面

由圖8可知，不銹鋼的B區(qū)到D區(qū)之間、耐候鋼的G區(qū)到E區(qū)之間，母材熔化量最大。此外，CuSi3釬料表面存在明顯孔洞，這會(huì)對(duì)釬焊接頭的綜合性能產(chǎn)生影響。

對(duì)SUS304不銹鋼與CuSi3釬料連接一側(cè)的各個(gè)部位進(jìn)行組織分析，如圖9所示。

由圖9a可知，A區(qū)的SUS304不銹鋼母材發(fā)生輕微熔化，焊縫接近于釬焊焊縫，釬料與熔化的微量母材發(fā)生混合，在元素的相互擴(kuò)散作用下形成較薄的釬焊過渡層；同時(shí)，在SUS304不銹鋼一側(cè)出現(xiàn)滲透裂紋，并沿奧氏體晶界向母材深處擴(kuò)展。由圖9b可知，B區(qū)的SUS304不銹鋼母材發(fā)生較為明顯的熔化，CuSi3釬料與熔化的不銹鋼母材相互混合，形成一定厚度的界面反應(yīng)層；此外，SUS304不銹鋼母材上靠近過渡層處的晶粒發(fā)生明顯長大。由圖9c可知，D區(qū)的SUS304不銹鋼母材也出現(xiàn)熔化，釬料與熔化的母材相互混合，形成一定厚度的界面反應(yīng)層。

對(duì)耐候鋼與CuSi3釬料連接一側(cè)的各個(gè)部位進(jìn)行組織分析，如圖10所示。E區(qū)、F區(qū)和G區(qū)的Q355GNHD耐候鋼母材發(fā)生明顯熔化，釬料和熔化的母材相互混合形成一定厚度的界面反應(yīng)層；同時(shí)靠近界面反應(yīng)層的耐候鋼母材部分出現(xiàn)較大的塊狀鐵素體，在Q355GNHD耐候鋼母材上未發(fā)現(xiàn)滲透裂紋。

圖9 不銹鋼與CuSi3釬料連接一側(cè)的各區(qū)金相組織

對(duì)耐候鋼與CuAl8釬料連接一側(cè)的各個(gè)部位進(jìn)行組織分析，如圖11所示。B區(qū)、C區(qū)和D區(qū)的Q355GNHD耐候鋼母材發(fā)生明顯熔化，釬料和熔化的母材相互混合形成一定厚度的界面反應(yīng)層；同時(shí)靠近界面反應(yīng)層的耐候鋼母材部分出現(xiàn)較大的塊狀鐵素體，在Q355GNHD耐候鋼母材上未發(fā)現(xiàn)滲透裂紋。

對(duì)SUS304不銹鋼與CuAl8釬料連接一側(cè)的各個(gè)部位進(jìn)行組織分析，如圖12所示。E區(qū)的SUS304不銹鋼母材也出現(xiàn)熔化，釬料與熔化的母材相互混合，形成一定厚度的界面反應(yīng)層。F區(qū)的SUS304不銹鋼母材發(fā)生較為明顯的熔化，CuAl8釬料與熔化的不銹鋼母材相互混合，形成一定厚度的界面反應(yīng)層；此外，SUS304不銹鋼母材上靠近反應(yīng)層處的晶粒發(fā)生明顯長大。H區(qū)的SUS304不銹鋼母材發(fā)生輕微熔化，此處的焊縫接近釬焊焊縫，釬料與熔化的微量母材發(fā)生混合，并且在元素的相互擴(kuò)散作用下，形成較薄的釬焊過渡層；同時(shí)，在SUS304不銹鋼一側(cè)出現(xiàn)滲透裂紋，沿奧氏體晶界向母材深處擴(kuò)展。

SUS304奧氏體不銹鋼上出現(xiàn)滲透裂紋，是液態(tài)銅或銅合金對(duì)鋼的滲透作用以及焊接應(yīng)力共同作用的結(jié)果。不銹鋼的組織狀態(tài)對(duì)滲透裂紋影響很大。液態(tài)銅及銅合金浸潤奧氏體，但不浸潤鐵素體，所以鐵素體會(huì)降低銅及銅合金的滲透力。而SUS304不銹鋼的基體組織大部分為奧氏體，所以在SUS304不銹鋼上容易產(chǎn)生滲透裂紋。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，釬料中加入Al、Si、Ni等元素均能夠抑制滲透裂紋的產(chǎn)生。采用CuAl8釬料時(shí)，由于釬料中含有較多的Al元素，Al和Cu形成銅鋁間的化合物可阻止銅滲透，使得不銹鋼母材上產(chǎn)生的滲透裂紋較少。

圖10 耐候鋼與CuSi3釬料連接一側(cè)的各區(qū)金相組織

圖11 耐候鋼與CuAl8釬料連接一側(cè)的各區(qū)金相組織

3 結(jié)論

（1）CuSi3釬料在SUS304不銹鋼和Q355GNHD耐候鋼上的潤濕性最好，CuSn6釬料在SUS304不銹鋼和Q355GNHD耐候鋼上的潤濕性最差，CuAl8在SUS304不銹鋼和Q355GNHD耐候鋼上的潤濕性良好。

圖12 不銹鋼與CuAl8釬料連接一側(cè)的各區(qū)金相組織

（2）CuAl8釬料接頭的外觀成形好，焊道表面波紋均勻，焊道飽滿，極少飛濺，無咬邊、夾雜、氣孔等缺陷。CuSi3釬料接頭外觀成形較差，焊縫表面波紋不均勻，飛濺較大。CuSn6釬料接頭外觀成形最差，焊道表面高低不平且波紋不均勻。

（3）當(dāng)釬料為CuSi3時(shí)，釬料的表面存在明顯孔洞，會(huì)影響釬焊接頭的力學(xué)性能。同時(shí)由于銅元素的滲透作用，SUS304不銹鋼母材上會(huì)出現(xiàn)滲透裂紋，既降低不銹鋼母材的耐蝕性，又會(huì)影響釬焊接頭的力學(xué)性能。采用CuAl8釬料時(shí)，SUS304不銹鋼母材上產(chǎn)生的滲透裂紋數(shù)量較少，其對(duì)母材的力學(xué)性能和耐蝕性能影響也相應(yīng)減小。

（4）CuSi3、CuAl8釬料接頭的抗拉強(qiáng)度均超過Q355GNHD耐候鋼，斷裂于Q355GNHD耐候鋼一側(cè)；而CuSn6釬料接頭的強(qiáng)度最低，斷裂位置位于焊縫處。

綜上所述，選用CuAl8焊接Q355GNHD耐候鋼和SUS304不銹鋼薄板異種鋼接頭最為適宜。

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