不锈钢焊接工艺中保护气体与焊接程序对焊缝质量的影响研究

1 引言

不锈钢 MIG 焊在轨道交通制造中应用广泛，但常因保护气体选择和焊接程序不当导致焊缝发黑、飞溅大及耐腐蚀性下降等问题。纯 Ar 保护时，熔池流动性差，焊缝成形不良；添加活性气体（如 CO₂或 O₂）可改善润湿性，但易引入氧化风险。中车株洲电力机车有限公司在生产中采用 98%Ar+2%O₂保护气体和 PLUSE 脉冲程序，仍面临焊缝发黑问题。本研究基于福尼斯 500i 焊机，对比 LSC（低飞溅）与 PLUSE 程序，以及 98%Ar+2%CO₂与 98%Ar+2%O₂保护气体的效果，旨在优化焊接工艺，提升焊缝质量和防腐性能。试验依据 ISO4136-2022 和GB/T 10125-2021 标准，通过系统试验为现场生产提供可靠数据。

2 材料与方法

2.1 试验材料与设备

材料：采用 06Cr19Ni10 奥氏体不锈钢板材（尺寸 300× 150× 5 mm），坡口角度 60° 。

焊机：福尼斯 500i 焊机。

保护气体：98%Ar+2%CO₂ 和 98%Ar+2%O₂，流量恒定。

试验设备：

万能试验机（CMT4205）用于力学性能测试。

金相显微镜（GX71）和维氏硬度计（Q60A）用于组织观测。

盐雾试验箱（依据 GB/T 10125-2021）。

电子显微镜用于能谱分析。

试验环境 ∵ 温度 15-26^∘C ，湿度 35-75% ，地点为焊接实验室。

2.2 试验设计

试验设计 8 组焊接试件（编号 1#-8# ），涵盖角接（PA FW）和对接（PA BW）接头形式，变量为焊接程序和保护气体（表 1）。每组试件进行力学性能测试（横向拉伸试验）、金相组织观测、盐雾试验（500 小时），并对焊缝表面发黑物质进行能谱分析。

表 1 焊接试件参数设计

2.3 试验方法

焊接工艺：试件焊接参数严格记录（表 1），热输入计算为电流× 电压× 时间。力学性能测试：依据 ISO4136-2022 进行横向拉伸试验，测量抗拉强度和屈服强度。金相组织观测：截取焊缝截面，使用金相显微镜分析微观组织。能谱分析 ∵ 刮取焊缝表面黑灰物质，通过电子显微镜进行元素成分分析。盐雾试验：依据 GB/T 10125-2021，设置盐雾箱温度 35^∘C 、沉降量 1.0-2.0ml/80cm² ·h、 pH6.5-7.0 ，进行 500 小时加速腐蚀试验，记录锈蚀情况。

3 结果与讨论

3.1 焊接程序对焊缝飞溅和外观的影响

试验表明，LSC 程序在降低飞溅方面优于 PLUSE 程序。角接焊缝中，两种程序飞溅程度相似；但对接焊缝中，LSC 程序热输入略低（例如试件 6 vs. 5），飞溅显著减少，焊缝鱼鳞波纹更清晰（图 1）。这源于 LSC 模式的电弧稳定性，减少了熔滴过渡时的飞溅损失。保护气体方面，98%Ar+2%CO₂焊缝表面呈淡金色金属光泽，优于 98%Ar+2%O₂的暗色外观。角焊缝气体保护效果优于平对接，归因于角接头的气流覆盖更均匀。

3.2 金相组织与力学性能分析金相观测显示，所有试件微观组织均为奥氏体+铁素体（表 2），焊接程序和保护气体对组织成分无显著影响。

例如，试件 1 和试件 3 的金相组织相似，表明变量未改变相变行为。力学性能测试（表 3）显示，抗拉强度（603–629 MPa）和屈服强度（342–375 MPa）在不同工艺下差异小。 98%Ar+2%O ₂保护气时，LSC 程序的抗拉强度略优（试件 5 平均 629 MPa vs. 试件 6 平均 603MPa ），但样本量有限，需进一步验证。整体上，变量未显著弱化焊缝强度。

表 2 焊缝宏观金相与微观组织示例

表 3 力学性能测试结果

3.3 焊缝发黑物质的能谱分析

98%Ar+2%O₂保护气焊缝表面发黑严重，能谱分析（表 4）显示黑灰主要含 O（ 11.04wt% ）、 Mn(6.71wt% ）和 Cr（16.93 wt%），为氧化锰和氧化铬，源自 O₂氧化作用。相反， 98%Ar+2%CO ₂保护气引入少量 C（7.41 wt%），但无显著氧化物，焊缝更洁净。这表明含 O₂气体加剧了合金元素氧化，导致发黑现象。

表 4 能谱分析结果（wt%）

3.4 盐雾试验耐腐蚀性评估

盐雾试验（500 小时）表明， 98%Ar+2%CO ₂保护气体显著提升耐腐蚀性（表 5）。角接焊缝中， 98%Ar+2%CO ₂试件（如试件 1）仅局部锈蚀，而 98%Ar+2%O; 试件（如试件 3）整条焊趾出现黄色锈蚀。对接焊缝中，98%Ar+2%CO₂+PLUSE 程序（试件 8）无锈蚀，其他组则大面积锈蚀。这归因于 CO₂减少氧化，而 O₂ 促进腐蚀产物形成。

表 5 盐雾试验结果摘要