不锈钢与耐候钢MIG电弧钎焊工艺

戴忠晨，周成候，孟宪伟，彭元朝，刘 杰，周龙早

（1.中车南京浦镇车辆有限公司，江苏 南京 210031；2.华中科技大学 材料科学与工程学院，湖北 武汉 430074）

不锈钢与耐候钢MIG电弧钎焊工艺

戴忠晨1，周成候1，孟宪伟1，彭元朝1，刘 杰2，周龙早2

（1.中车南京浦镇车辆有限公司，江苏 南京 210031；2.华中科技大学 材料科学与工程学院，湖北 武汉 430074）

采用手工MIG电弧钎焊工艺对SUS304不锈钢与Q355GNHD耐候钢薄板对接接头进行工艺试验，按照相关技术标准进行焊接工艺评定。结果表明，MIG电弧钎焊工艺能够成功用于SUS304不锈钢和Q355GNHD耐候钢薄板对接接头的钎焊，焊缝成形质量良好，经X射线探伤无缺陷；接头的抗拉强度平均值为339.58 MPa，接头强度系数为78.97%。采用光学显微镜观察SUS304不锈钢与铜基钎料间产生的渗透裂纹，讨论渗透裂纹的产生机理。

不锈钢；耐候钢；MIG电弧钎焊；渗透裂纹

0 前言

高速化、轻量化、高强度是现代轨道车辆的发展趋势，在减轻车辆质量的同时，需保证其高强度、承载性和良好的耐腐蚀性；同时，车辆用钢应具备较好的焊接性和较高的性价比[1]。耐候钢是通过在钢中添加微量的合金元素（如 Cu、P、Cr、Ni）使其在大气腐蚀过程中改变生锈部位的物理化学特性来抑制腐蚀进程，耐腐蚀性能良好；奥氏体不锈钢具有优良的耐高温、耐氧化和抗腐蚀能力[2-4]。采用耐候钢和不锈钢异种钢焊接结构设计，可以充分发挥两种材料的特性，且焊接接头具有优良的综合力学性能和较好的耐腐蚀性能[3-4]；此外，因为不锈钢的价格是耐候钢的几倍，所以有些车体结构采用不锈钢和耐候钢搭配使用，这样可以大大降低成本。

由于不锈钢与耐候钢的熔点、导热系数、热膨胀系数等热物理性能方面存在较大的差异，因此在焊接热源作用下，两种母材产生的变形和熔化量不一致，从而导致焊接变形和焊缝成形变差[5-6]。为了控制焊接变形和改善焊缝成形质量，需要采用低热输入的焊接工艺，电弧钎焊工艺（例如MIG钎焊和MAG钎焊等）因采用低熔点的铜基焊接材料，与熔化焊接工艺（例如MIG焊和MAG焊等）相比，其热输入低，因此，电弧钎焊工艺非常适合于不锈钢与耐候钢异种钢的焊接[7-9]。

目前有关不锈钢和耐候钢薄板的电弧钎焊工艺的研究报道较少。因此，本研究采用手工MIG电弧钎焊工艺对SUS304不锈钢与Q355GNHD耐候钢薄板对接接头进行了工艺试验，并且按照相关技术标准进行焊接工艺评定。此外，采用光学显微镜观察SUS304不锈钢与铜基钎料间产生的渗透裂纹，并且讨论渗透裂纹的产生机理。试验结果为不锈钢与耐候钢MIG电弧钎焊工艺在车体焊接中的应用提供了参考依据。

1 试验材料、方法及设备

1.1 试验材料

试验材料为Q355GNHD耐候钢和SUS304不锈钢。Q355GNHD耐候钢的化学成分如表1所示，力学性能如表2所示，其含碳量低、合金元素含量较少，焊接性良好。虽然钢中含有Cu、P等元素，但由于铜的含量较少，焊接时一般不会产生热裂纹，同时，钢中碳和磷的含量都控制在较低水平，其冷裂倾向不大[10]。

表1 Q355GNHD耐候钢化学成分Table 1 Chemical composition of Q355GNHD weathering steel %

表2 Q355GNHD耐候钢力学性能Table 2 Mechanical properties of Q355GNHD weathering steel

SUS304不锈钢属于奥氏体不锈钢，其化学成分如表3所示，力学性能如表4所示，室温下其塑性、韧性很好，同时焊接性良好，焊接时产生冷裂纹的倾向小[11]。但奥氏体不锈钢焊接时，热裂纹敏感性较高，在焊缝及近缝区均有可能产生热裂纹，因此SUS304薄板宜采用较小的热输入焊接。

试验采用CuAl8实心焊丝作为钎料，其化学成分如表5所示。

表3 SUS304不锈钢化学成分%Table 3 Chemical composition of SUS304 stainless steel

表4 SUS304不锈钢力学性能Table 4 Mechanical properties of SUS304 stainless steel

表5 CuAl8焊丝化学成分Table 5 Chemical composition of CuAl8 wire %

1.2 试验方法及设备

1.2.1 接头形式

SUS304不锈钢和Q355GNHD耐候钢试板的规格均为350 mm×150 mm×2 mm，接头形式为对接接头，沿试板长度方向进行平焊，如图1所示。

图1 对接接头示意Fig.1 Schematic diagram of butt joint

1.2.2 焊接方法及设备

采用手工MIG电弧钎焊工艺进行SUS304不锈钢和Q355GNHD耐候钢薄板对接钎焊试验，焊接电流40～90 A，焊前对试板进行点固，然后采用专用夹具进行装夹、固定，防止焊后试板发生变形。焊前采用砂轮打磨试板距焊缝中心20 mm区域，并用丙酮擦拭；装配时试板之间的间隙应尽可能小。

焊接设备是德国EWM公司生产的Alpha Q351 MIG/MAG多功能焊机。该焊机具有独特的Cold Arc技术，是一种新型的熔化极气体保护电弧焊方法，通过精确控制和调节电弧电压和焊接电流，使电弧稳定的同时显著降低热输入。

1.2.3 X射线探伤

采用XXG2005型X射线无损检测设备检测焊缝，主要目的是检测焊缝是否出现气孔和裂纹等缺陷。

1.2.4 显微组织观察

采用GB/T13298-1991规定的试验方法，在试板的相应位置截取金相试样。采用砂纸打磨金相试样，抛光机抛光。因为是异种钢焊接，所以采用分区域腐蚀的方法进行腐蚀：SUS304不锈钢与钎料连接一侧采用体积比为3∶1∶4的HCl/HNO3/H2O混合酸溶液进行腐蚀，腐蚀时间40 s；Q355GNHD耐候钢与钎料连接一侧采用体积比为4%的硝酸酒精进行腐蚀，腐蚀时间15 s。腐蚀完成后使用无水乙醇清洗，然后使用LWD300LMDT型金相显微镜观察微观组织。

1.2.5 拉伸试验

接头的室温拉伸性能试验按照《DIN-1900》标准进行，采用WD-200B型微机控制电子万能试验机进行拉伸试验。

1.2.6 弯曲试验

接头的室温弯曲性能试验按照《DIN-1900》标准进行，采用WB-1000KN型三点弯曲试验机进行横向正弯试验。

2 试验结果和分析

2.1 焊接工艺参数优化

由于手工MIG电弧钎焊的主要工艺参数为焊接电流，因此通过工艺参数优化试验获得的焊接电流为 80～90 A。

2.2 X射线探伤

按照射线探伤NB/T47013.2-2015标准，要求焊缝的合格级别为Ⅰ级。采用XXG2005型X射线无损检测设备对SUS304不锈钢和Q355GNHD耐候钢异种钢对接焊缝进行X射线探伤试验，透照方式为单臂单影，曝光时间1.5 min，检测结果如图2所示，所测焊缝无未熔合和裂纹等缺陷。

图2 X射线检验结果Fig.2 Results of X-ray test

2.3 焊缝成形

焊缝的正、反面成形如图3所示。由图3a可知，焊缝正面成形质量良好，焊缝饱满，无咬边、未熔合和表面气孔等缺陷；由图3b可知，焊缝背面未焊透。

图3 焊缝外观成形Fig.3 Appearance of weld

2.4 力学性能检测

2.4.1 拉伸试验

拉伸试样的断裂情况如图4所示。由图4可知，拉伸试样断裂在钎缝上，为典型的脆性断裂模式，说明钎缝的抗拉强度低于母材的抗拉强度。

图4 拉伸试样断裂情况Fig.4 Fracture situation of tensile specimen

接头的抗拉强度试验结果如表6所示。两种母材中耐候钢的抗拉强度实验值最低，为430.12 MPa；接头的抗拉强度分别为326.30 MPa和352.87 MPa，平均抗拉强度339.58MPa，接头强度系数78.97%。

表6 拉伸试验结果Table 6 Results of tensile test

2.4.2 弯曲试验

MIG电弧钎焊接头弯曲试验结果如图5所示，两次试验的弯曲角分别为97°和96°，平均弯曲角为96.5°。检视弯曲后的试样，在其反面发现裂纹。

2.5 接头宏观形貌和界面微观组织

接头宏观形貌如图6所示。钎料在母材上润湿铺展较好，焊缝无宏观裂纹缺陷，焊缝未焊透，母材熔化部分较少。

图5 弯曲试验结果Fig.5 Results of bending test

如图6所示，可将接头划分成几个区域。其中，CuAl8钎料与Q355GNHD耐候钢连接一侧，A区母材基本没有熔化；由A区到B区，母材发生少量熔化；而B区到C区之间，母材熔化量变大。CuAl8钎料与SUS304不锈钢连接一侧，H区母材基本没有熔化；由H区到G区，母材发生少量熔化；由G区到F区，母材熔化量增大。

耐候钢与CuAl8钎料连接一侧的各个部位的界面组织如图7所示。A区的Q355GNHD耐候钢母材几乎没有熔化，钎料与母材未发生混合，仅通过元素的相互扩散在钎料与母材界面处形成较薄的过渡层，如图7a所示。B区和C区的Q355GNHD耐候钢母材发生较为明显的熔化，钎料和熔化的母材相互混合形成一定厚度的界面反应层，如图7b和7c所示。D区的耐候钢母材发生明显熔化，钎料与熔化的母材发生混合，形成厚度较大的反应层，如图7d所示。

图6 接头宏观形貌Fig.6 Macroscopic morphology of joint

SUS304不锈钢与CuAl8钎料连接一侧的各个部位的界面组织如图8所示。E区域的不锈钢母材发生明显熔化，钎料与熔化的母材发生混合，形成厚度较大的反应层，如图8a所示。F区和G区的SUS304不锈钢母材发生较为明显的熔化，CuAl8钎料与熔化的不锈钢母材相互混合，形成一定厚度的界面反应层，如图8b和8c所示；同时，F、G区中出现渗透裂纹。SUS304母材几乎没有熔化，钎料与母材未发生混合，仅通过元素的相互扩散在钎料与母材界面处形成较薄的过渡层，如图8d所示。

2.6 渗透裂纹

试验过程中发现，在SUS304不锈钢母材一侧焊道下出现裂纹，如图9所示，而在Q355GNHD耐候钢母材上没有发现类似裂纹。原因为：SUS304不锈钢属于奥氏体钢，因含有较多容易形成低熔点共晶物质的元素（如Ni等），并且在晶界处形成低熔点共晶物质使晶界弱化，在焊接热应力的作用下容易出现热裂纹。在采用铜基钎料进行焊接时，液态铜或铜合金在对奥氏体不锈钢晶界进一步润湿、渗透与弱化，在焊接热应力作用下，沿晶界渗透扩展开裂；而Q355GNHD耐候钢属于铁素体钢，不易形成弱化晶界的低熔共晶，因此，液态铜及铜合金对其晶界的渗透力降低，不易形成渗透裂纹[12]。试验发现，随着焊接电流的增大，SUS304奥氏体不锈钢与CuAl8钎料连接一侧渗透裂纹的数量增多，同时裂纹扩展的深度变大。

图7 CuAl8钎料与Q355GNHD耐候钢连接一侧的接头界面情况Fig.7 Interface between CuAl8 solder and Q355GNHD weathering steel

图8 不锈钢与钎料连接一侧的接头界面情况Fig.8 Interface between stainless steel and solder

图9 钎焊接头不锈钢一侧的渗透裂纹Fig.9 Penetration of cracks in the stainless steel of brazing joint

3 结论

（1）成功实现了SUS304不锈钢和Q355GNHD耐候钢异质钢的MIG电弧钎焊，推荐工艺参数为：焊接电流80～90 A。

（2）焊缝成形质量良好，X射线检测结果表明焊缝无未熔合和表面裂纹等缺陷。

（3）接头金相试验结果显示，MIG电弧钎焊接头具有熔焊和钎焊的双重性质，SUS304不锈钢和Q355GNHD耐候钢两种母材均发生了部分熔化。

（4）接头的平均抗拉强度为339.58MPa，接头强度系数为78.97%。

（5）因为Cu原子的渗透作用，在铜基钎料与SUS304不锈钢的界面上会产生渗透裂纹，并且沿着不锈钢奥氏体晶界向母材厚度方向扩展；而在铜基钎料与Q355GNHD耐候钢一侧没有发现渗透裂纹。

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MIG arc brazing technology of stainless steel and weathering steel

DAI Zhongchen1，ZHOU Chenghou1，MENG Xianwei1，PENG Yuanchao1，LIU Jie2，ZHOU Longzao2
（1.CRRC Nanjing Puzhen Co.，Ltd.，Nanjing 210031，China；2.School of Materials Science and Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China）

The butt joints of SUS304 stainless sheet steel and weathering sheet steel are carried out technological test with manual MIG arc brazing.Meanwhile，welding procedure qualification is executed according to the relevant technical codes.The results show that the MIG arc brazing is successfully used for butt joint brazing of SUS304 stainless sheet steel and Q355GNHD weathering sheet steel.The appearance of weld is good，and the weld is defect-free by using X-ray detection.The average tensile strength of joint is 339.58 MPa，and the strength coefficient of joint is 78.97%.The penetrant cracks between SUS304 austenitic stainless steel and copper base brazing filler metal are observed by optical microscope，and the production mechanism of penetrant crack is discussed.

stainless steel；weathering steel；MIG arc brazing；penetrant crack

TG457.11

A

1001-2303（2017）10-0029-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.10.06

本文参考文献引用格式：戴忠晨，周成候，孟宪伟，等.不锈钢与耐候钢MIG电弧钎焊工艺[J].电焊机，2017，47（10）：29-34.

2017-03-17；

2017-05-14

戴忠晨（1979—），男，高级工程师，学士，主要从事轨道车辆车体焊接工艺方面的工作。E-mail：961552952@qq.com。