Automobile Technology & Material
304不锈钢板弧焊焊接工艺的研究……………………………………………………………………………张瑾 王龙 王勇 张诚 叶垒
Study on Arc Welding Technologies of 304 Stainless Steel Plate
TIG 1.5 mm 304 Minitab
摘要：对直流 焊焊接 厚的 不锈钢工艺进行了研究，利用 软件对影响焊接工艺的参数进行筛选，通过均匀设计和黄金分割试验对焊接工艺参数进行优化，对焊缝进行力学性能及金相显微组织
ANSYS 2分析，并采用 对不锈钢板焊接进行温度场的数值模拟。结果表明，通过 种试验优化设计方法得到的84A 7 L/min，焊接速度2.9～3.1 MM/S，ANSYS最佳焊接工艺参数是焊接电流 ，氩气流量 模拟的温度场验证了焊接参数的最佳性。关键词：304不锈钢 TIG焊 均匀设计 力学性能 金相组织中图分类号：TG406 文献标识码：B 10.19710/J.cnki.1003-8817.20210286 DOI:
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
[1]。钨极氩弧焊由于发展最快的不锈钢应用领域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 304
的 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
70 mm×50 mm×1.5 mm。材料的化学成分
的尺寸为
1
和力学性能如表 所示。
作者简介：张瑾（1988—）男，助理工程师，学士学位，研究方向为焊接工艺。
参考文献引用格式：
张瑾，王龙，王勇，等. 304不锈钢板弧焊焊接工艺的研究[J].汽车工艺与材料, 2021（9）：33-41.
ZHANG J, WANG L, WANG Y, et al. Study on Arc Welding Technologies of 304 Stainless Steel Plate [J]. Automobile Technology & Material, 2021 (9): 33-41.
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
2
试样即将焊穿的 个临界值所包括的区域为可焊
2
范围，通过大量试验获得范围如表 所示。5因
在得到可焊范围以后，采用的筛选方案是
2
素 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
3
围。具体方案如表 所示。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
55～ 95A 4～
设计参数是焊接电流 和氩气流量
22 L/min，其它的参数是焊接速度2.9～3.1 mm/s， 1.6 mm，钨棒尖端距工件的距离是3mm，
钨棒直径5s。
滞后关气时间是
b.具体方案设计：根据筛选试验的结果，焊接
55～ 95A 4～
电流的范围是 ，氩气流量的范围是
22 L/min，每 10 U10(10)2 2
个因素确定 个水平，采用
10
因素 水平均匀设计表安排试验。均匀设计方案
4
如表 所示。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
50 90A
法 [2] ，因此选定焊接电流的范围是 ～ ，其
2.9～3.1 mm/s，氩气流
它的参数分别是焊接速度
10 L/min，钨棒直径1.6 mm，钨棒尖端距工件
量是
3mm 5s。
的距离是 ，滞后关气时间是
50～ 90A，
b.具体方案设计：焊接电流的范围是
X1＝a 0.618（b
按照黄金分割的原理，即 ＋ － a）， X2＝a X1
＋ b － ，按照上述的计算方法，首先在50～ 90A I=75 A
中进行筛选，将 对应的拉伸强度
I=65 A 75A
值与 的强度值进行比较，若得出 的强
50～ 65A 1
度值大一些，即淘汰掉 这个范围，如图所示。65～ 90A
重新选取 ，再重复以上的步骤，若I=65 A 75～
的拉伸强度值要大一些，这要淘汰掉90A 50～ 75A
这个范围的数值，选取 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
GB/T 2651—2008《焊
计方案，进行焊接，然后按照
接接头拉伸试验方法》要求[3]，采用等离子切割的方
2
法制备拉伸试样，记录数据，如图 所示。
Minitab将均匀设计方案和拉伸结果输入到软件中，进行线性回归，分析抗拉强度与焊接电
5流、氩气流量是否有线性的关系。从图 可以得出。
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
对采用不同焊接参数的试样进行了切割，制
20%HCL 80%
成镶嵌试样，经过磨平、抛光，采用 和
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
5 所示。Minitab
拉伸试验结果，如表 会话框
3）包括5 Alpha=0.05，焊接电
中（图 个主效应，使用
p＜0.05。也就
流和氩气流量的主效应显著，即其
5
是说在这 个参数中，只有焊接电流和氩气流量是
3
显著的，其它 个参数是不显著的。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
1 2 2个
图的最右端有 个条形，并且有 个长尾，即有条形离其它较远，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。
6
从图 可以得出。a.方差分析表中的p值显示此回归过程估计的
0.05
模型在a水平为 时不具有显著性。
X1表示的是焊接电流，X2
b. 表示的是氩气流
X1 0.969，X2 0.724，远量，其中的 的p值为 的p值为
0.05，所以初步得出的结果很不理想。
远的大于了
R-SQ R-SQ
c.虽然 值与 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
3
从均匀设计第 步回归的结果可以看出（图7），R-SQ R-SQ（调整）分别为93.16 91.61，已经
和 和
5%水平下各系数
取得了比较理性的效果，故取在
1）作为最佳的回归方程。
都显著的回归方程（公式= 25.19X1 - 18.7X - 0.144X1 + 0.18X1 +
Y 2 X
1
3 2 2
（ ）
0.21X - 523.25
2
2
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Excel
用 中的规划求解工具，便可以得到最优解，
I=84 A，氩气流量为7 L/min，焊接速度
即焊接电流
2.9～3.1 mm/s，钨棒直径为1.6 mm，钨棒尖端距
为
3mm 5s
工件的距离是 ，滞后关气时间为 ，最终的
625.08 MPA。
抗拉强度是
3.3 黄金分割试验结果分析
I=75 A
通过利用黄金分割的方法，首先比较 和
I=65 A
的拉伸强度大小，前者要大一些，故舍去
50～ 65A
这一范围，最终确定了最佳的焊接工艺参
85A 2.9～3.1 mm/s，
数是焊接电流为 ，焊接速度为
10 L/min，钨棒直径为1.6 mm，钨棒尖
氩体流量为
3mm 5s
端距工件的距离是 ，滞后关气时间为 ，最
621.35 MPA，如表7
终的抗拉强度是 所示。
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
3
接工艺参数分别焊接 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。
8 I=84 A，
由表 可知，最佳焊接参数是焊接电流
7 L/min 2.9～3.1 mm/s，
氩气流量为 ，焊接速度为
1.6 mm
钨棒直径为 ，钨棒尖端距工件的距离是
3mm 5s
，滞后关气时间为 ，最终的抗拉强度是
624.20 MPA。
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。
8～图13
如图 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I=74 A I=84 A
宽和熔深在 到 的时候增大的很明
I=74 A
显，从对应的图片中可以清楚的观察到，在的时候，明显的输入电流过小，热影响区很窄，使I=84 A I=94 A
母材未焊透。在 到 的范围内，熔宽
I=94 A
和熔深变化不是很大，但是当 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。
3.6 不同焊接电流下的金相分析
14
焊缝的宏观形貌示意如图 所示。3.6.1
热影响区金相分析
15
图 是不同焊接电流下的熔合区形貌，它们
14 a 15
的宏观形貌如图 中 区域所示。从图 可以看出，随着焊接电流的增大，热影响区也慢慢的扩
B1、B2、B3
大，图中的 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，
I=94 A
形成了等轴晶，并且当焊接电流 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
A1、A2、A3
小，图中的 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。（c）i=94 A
熔合区形貌图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
16
图 是不同焊接电流下的焊缝中心的形貌，
14 b
它们的宏观形貌如图 中 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
16
会向着焊缝中心生长，形成柱状晶。从图 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
I=74 A
向焊缝中心。当焊接电流为 的时候，由于热输入小，焊后冷却速度快，高温停留时间短，所
I=84 A
以柱状晶在焊缝中心处相遇；当焊接电流的时候，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
I=94 A
[4]；当焊接电流为
到的组织 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。
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
TIG
焊接电流的最佳性与可靠性。由于采用手工
2.9～3.1 mm/s
焊接，速度固定在 之间，为了验证在
I=84 A
焊接电流 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
SOL⁃
热分析单元选择三维八节点六面体单元
ID70
来进行热计算。为了保证计算的精度，故在
10 mm
靠近焊缝 处采用加密网格，网格大小控制
0.1 mm，在远离焊缝处采用较疏的网格。图17
在为模拟的不锈钢板，可以清楚的看到它的网格划
18
分是焊缝处较密，然后依次变得稀疏，图 是要考
察的温度点[5]
。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I=84 A U=
热源，焊接参数为焊接电流 ，电弧电压20V v=0.003 m/s，焊接热效率η=0.7，电
，焊接速度
R=0.004 5 m，如表9
弧有效加热半径 所示。
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。19 4
从图 的 个焊缝节点的温度分布可知，温
19s
度在熔点以上的时间是 左右，而它的焊接时
17s
间是 ，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
1 398～ 1420℃
点是 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。
4.2.2 v=0.002 5 m/s
时的温度云图
20 4
从图 的 个焊缝节点的温度分布可知，温
33s
度在熔点以上的时间是 左右，而它的焊接时
23s 2600℃
间是 ，并且温度大部分在 以上，最高达3000℃
，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。4.2.3 v=0.003 5 m/s
时的温度云图
21 4
从图 的 个节点的温度分布可知，温度在
10s
熔点以上的时间是 左右，而它的焊接时间是
12s 1700℃
，大部分温度在 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
1/6
透，并且在此焊接速度下有 的时间焊缝没有熔
1/6
化，那么至少有 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。
WSME-315
采用 型逆变式交直流脉冲氩弧焊
1.5 mm 304
机，对厚度为 的 不锈钢进行对接焊，得出以下结论。
WSME-315
a.通过筛选试验可知：用 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
84A
了最佳的焊接工艺参数：焊接电流 ，氩气流量
7 L/min,焊接速度是2.9～3.1 mm/s,其它的焊接
是
1.6 mm，钨棒尖端距工件的距
参数是钨棒直径是
3mm 5s。
离是 和滞后关气时间是
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。
ANSYS d.利用 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。
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