304L不銹鋼管都具有非常好的塑性和韌性，這決定了它具有良好的彎折、卷曲和沖壓成形性，因而便于制成各種形狀的構件、容器或管道，其焊接工作量也因此比其他不銹鋼大的多。這類韌性塑性本來就好的鋼又不會發生任何淬火硬化，所以盡管其線膨脹系數比碳鋼大的多，焊接過程中的彈塑性應力應變量很大，卻極少出現冷裂紋。304L不銹鋼管焊接接頭不存在淬火硬化區，又由于它有很強的加工硬化能力，所以，即使受焊接熱影響而軟化的區域，其抗拉強度仍然不低。而304L不銹鋼管件在凝固過程中存在著L+σ三相區，凝固過程復雜，至今存在著各種爭議，因此對其進行系統焊接研究同樣具有一定的理論意義。


    一、鎢極氬弧焊（TIG）的特點及研究現狀


    鎢極氬弧焊是氣體保護焊的一種，通常又叫作“TIG”焊。它的電極是難熔金屬鎢或鎢的合金棒。電弧燃燒過程中，電極是不熔化的，故易維持恒定的電弧長度，焊接過程穩定。焊接時，電極和電弧區及熔化金屬都處于氬氣保護中，使之與空氣隔離。由于氬氣的保護，隔離了空氣對熔化金屬的有害作用，可焊接易氧化的有色金屬及其合金、不銹鋼、高溫合金、鈦及鈦合金以及難熔的活性金屬（如鉬、鈮、鋯）等。但是由于鎢極的載流能力有限，電弧功率受到限制，致使焊縫熔深淺，焊接速度低，所以，鎢極氬弧焊一般只適于焊接厚度小于6mm的工件。


    鎢極氬弧焊由于具有良好的電弧穩定性和良好的保護性能，在不銹鋼的焊接中得到廣泛應用，特別適用不開坡口、不加填充金屬的薄板和全位置焊接。


    不填絲高速鎢極氬弧焊接304L不銹鋼管的可焊性，焊接速度為3-10 mm/min。工藝試驗結果表明，提高薄板TIG焊的焊接速度是可行的，最高可以達到8 mm/min。對于3~8 mm/min的試板進行了金相組織觀察和力學性能測試。金相組織觀察顯示，焊縫組織致密，由奧氏體和少量的鐵素體組成，無裂紋和其他缺陷。拉伸試驗結果表明，與母材相比，高速焊接接頭具有優良的抗拉強度，而延伸率稍有下降。試驗表明，接頭具有良好的沖壓加工性能。


    雙鎢極氬弧焊工藝及焊縫成形機理，針對3 mm和4 mm厚度低碳鋼板，對雙鎢極氬弧焊的焊接工藝進行了研究。與常規鎢極氬弧焊的對比分析表明，由于雙鎢極氬弧焊降低了電弧壓力，提高了焊絲的熔敷率,因而在大電流高速度焊接時，極大地減少了凹坑、咬邊等缺陷，實現了良好的焊縫成形，從而改善了常規鎢極氬弧焊不適合大電流高速度焊接的不足，拓寬了鎢極氬弧焊的使用范圍，提高了焊接生產率。此外，在焊接試驗的基礎上，進一步對雙鎢極氬弧焊降低電弧壓力、減少焊接缺陷的機理進行了分析。


    珠光體鋼和奧氏體不銹鋼復合管鎢極氬弧焊接頭的性能，采用TIG焊和超低碳奧氏體不銹鋼焊絲TGS-309L焊接20/0Cr18Ni9復合管的過渡層焊縫。研究顯示焊縫與母材界面結合處合金元素相互擴散，實現焊縫和母材的高結合強度，接頭結合性能良好。采用超低碳的填充材料使焊縫與不銹鋼母材具有基本一致的抗腐蝕性能。


    眾所周知，鎢極氬弧焊(TIG)是一種傳統的高品質焊接方法，由于鎢極不熔化，不存在熔滴過渡，其焊接過程穩定，焊縫成形優良，適合于多種金屬的全位置焊接，在實際工程建設中獲得廣泛使用。但是，這種方法的一個顯著的缺點就是焊接效率低，通常只用于薄板焊接和厚板的打底焊。因此，如何在保持這種方法原有優點的基礎上，提高它的焊接效率成為亟待解決的問題。


    二、電弧焊的特點及研究現狀


    電弧焊是焊接技術中常用的焊接方法，它適用的范圍比較廣，操作起來比較靈活簡便，具有諸多適合各種應用條件的特點。近些年來手工電弧焊已被廣泛地應用在壓力容器、管道設備的制造與安裝以及檢維修作業中，對于建筑施工作業中的很多方面也應用得很廣。手工電弧的特點是，在燒焊過程中，其使用到的一些設備如電焊鉗、電焊機、導線以及工件，這些都是帶電體，而且電焊機的空載電壓一般都處在60～90V間，相比安全電壓高一些。所以在手工電弧焊中要注意很多問題。它是以外部涂有涂料的焊條作電極和填充金屬，電弧是在焊條的端部和被焊工件表面之間燃燒。涂料在電弧熱作用下一方面可以產生氣體以保護電弧，另一方面可以產生熔渣覆蓋在熔池表面，防止熔化金屬與周圍氣體的相互作用。熔渣的更重要作用是與熔化金屬產生物理化學反應或添加合金元素，改善焊縫金屬性能。手工電弧焊設備簡單、輕便，操作靈活，可以應用于維修及裝配中的短縫的焊接，特別是可以用于難以達到的部位的焊接。手工電弧焊配用相應的焊條可適用于大多數工業用碳鋼、不銹鋼、鑄鐵、銅、鋁、及其合金。采用交流電進行焊接時，焊條與母材一般會輪流成為陰極和陽極。在陽極區和陰極區會產生大量的熱量，而且這兩個區的溫度也會各不一樣，這樣就會使焊條與母材一起熔融。在具體的燒焊的過程中，有時焊條的藥皮在熔融時，將會產生一定量的氣體，這些氣體具有保護作用，因為它們會布滿電弧與熔池周圍，從而起到隔絕大氣的作用，這樣就能保護焊件。同時，燒焊時在熔池還會產生液態的熔渣，這些熔渣與液態金屬以及保護氣體之間都會有龐大的物理反應與化學反應發生，從而起到了精煉焊縫金屬、提高焊縫的質量的附加作用，可以很好地進行焊接。而且處在熔池后方液體金屬的溫度會隨著電弧向前移動而逐漸降落并最終冷凝，形成焊縫。


    304L/SA516Gr70不銹鋼復合板、405/Q245R鐵素體不銹鋼復合板這兩種不銹鋼/碳鋼復合板的焊接工藝及焊接性進行研究。針對不銹鋼復合板的焊接特點，分別采用鎢極氬弧焊（GTAW）和焊條電弧焊（SMAW）兩種焊接方法，并分別采用鉻、鎳元素含量較高的ER309L焊絲、ER316焊絲、A302焊條作為填充金屬，選用X型和X型開槽兩種坡口型式對不銹鋼/碳鋼復合板進行對接焊。通過對在不同工藝條件下所獲得的接頭進行力學性能測試、微觀組織分析及耐蝕性能評價等，確定試驗條件下的最佳焊接工藝及參數。


    力學性能測試結果表明，兩種不銹鋼/碳鋼復合板接頭的抗拉強度與其母材本身的抗拉強度相當，且均斷在遠離熔合線的母材處，完全能夠滿足實際工程結構對接頭的強度要求。在304L/SA516Gr70接頭中，采用X型開槽坡口、SMAW焊獲得接頭A2的抗拉強度最高；而在405/Q245R接頭中，采用SMAW焊獲得接頭B2的抗拉強度比GTAW焊獲得接頭B1的高。利用光學顯微鏡（OM）、掃描電鏡（SEM）、透射電鏡（TEM）及X射線衍射儀（XRD）對不銹鋼/碳鋼復合板接頭的過渡層焊縫（WM）、覆層不銹鋼與過渡層焊縫熔合區（WM-SS）及基層碳鋼與過渡層焊縫熔合區（WM-CS）進行組織觀察、成分分析及相結構分析。結果表明，接頭過渡層焊縫的微觀組織均為鐵素體分布在奧氏體基體上。在WM-CS界面處，兩種不銹鋼復合板接頭均存在不同程度的碳遷移現象，其中304L/SA516Gr70接頭在WM-CS界面處還存在一個寬度為30~50μm凝固過渡層。對該界面進行元素線掃描及能譜分析，發現鉻、鎳等合金元素濃度在該區域呈梯度分布，但是并未發現合金元素偏聚現象及有害相析出。采用化學浸泡法及電化學測試方法評價接頭過渡層焊縫的耐點蝕性能，結果表明，對于304L/SA516Gr70接頭，采用ER316L焊絲的鎢極氬弧焊接頭A4的耐腐蝕性能最好；對于405/Q245R接頭，采用焊條電弧焊獲得接頭B2的耐腐蝕性能要優于鎢極氬弧焊接頭B1。


    304L不銹鋼管雙面電弧焊技術進行研究，采用了一種特殊的雙面電弧焊(DSAW)技術來改進304不銹鋼管電弧焊的焊接質量。用兩個順次連接的焊機，從雙面同時電弧焊接工件，從以往的研究中揭示出，使用兩個電力順次連接的焊機能集中電弧，從而提高了其穿透力。當用此技術焊接鋁合金時，發現鋁合金焊縫的顯微組織及其性質都有所改善。即在焊接的晶粒組織中柱狀晶向等軸晶的轉變區域增加了，凝固裂紋的敏感性下降了，氣孔的數量減少了，大小也縮小了。這些改善大都是由于DSAW技術的獨特性能，即加熱的對稱性，高穿透力，特殊的電磁效力及在焊接熔池中形成的強交錯液體流所造成的。由于304L不銹鋼管與鋁合金在化學、物理和機械性能上都有很大的不同，研究304L不銹鋼管的DSAW技術很有實用價值。因此,本文研究了304L不銹鋼管在DSAW技術中的焊接條件，顯微組織及其機械性能，并與通用的電弧焊技術中這些性質進行了比較。