图1 不锈钢烧结网结构示意
Fig.1 Structure of stainless steel sintered mesh
不锈钢烧结网滤芯是液压、机械、船舶、冶金等行业自动反冲洗过滤器的关键部件，其纵向对接焊缝的焊接质量直接影响着滤芯的过滤精度和自动反清洗装置的平稳运行，是不锈钢烧结网滤芯生产过程的关键环节。采用钨极氩弧焊，使用专用焊接工装，对多层不锈钢烧结网滤芯纵向焊缝进行焊接，探寻合理的焊接工艺参数，利用光学显微镜、显微硬度仪、能谱仪分析了焊缝金属的组织性能、凝固模式和物相组成。结果表明，采用钨极氩弧焊，通过控制焊接热输入量，提高焊缝背面冷却速度等方法，可以得到成形良好、无断丝、无明显缺陷的不锈钢烧结网焊接接头，观察焊缝成形情况，确定较优的焊接电流为90~95 A，所得焊缝组织为柱状奥氏体及骨架状铁素体组织，该组织具有较优的抗裂纹扩展能力。
The stainless steel sintered mesh filter element is a key component of automatic backwash filters in hydraulic, mechanical, shipbuilding, mechanical and other industries. The welding quality of its longitudinal butt weld directly affects the filtering accuracy of the filter element and the smooth operation of the automatic backwash device. It is a key link in the production process of stainless steel sintered mesh filter elements. TIG welding and special welding tools are used to weld the longitudinal weld of multi-layer stainless steel sintered mesh filter element to find reasonable welding parameters. By optical microscope, microhardness tester and energy spectrometer, the microstructure properties, solidification mode and phase composition of the weld are analyzed as well. The results show that by controlling welding heat input and improving the cooling speed of the back of the weld, the welded joint with good shape, no broken wire and no obvious defects can be obtained by TIG welding. Observing the appearance of the weld, the optimal welding current is determined to be 90~95 A. The microstructure of the weld is columnar austenite and skeleton-like ferrite, which has excellent crack propagation resistance.
[color=rgb(0, 65, 152) !important]不锈钢烧结网滤芯;[color=rgb(0, 65, 152) !important]钨极氩弧焊;[color=rgb(0, 65, 152) !important]焊接工艺;
[color=rgb(0, 65, 152) !important]焊缝组织[color=rgb(0, 65, 152) !important]stainless steel sintered mesh filter element;[color=rgb(0, 65, 152) !important]TIG welding;[color=rgb(0, 65, 152) !important]welding process;[color=rgb(0, 65, 152) !important]weld microstructure
滤芯是过滤器的核心部件，在实际生产和使用过程中，其通常采用冲孔板骨架和不锈钢编织网叠加烧结加工而成，这种结构可有效保证滤芯丝网的耐腐蚀性能，提高滤芯的结构强度并且降低成本。滤芯纵向对接焊缝是滤芯制造的重点和难点之一，该部位是滤芯最易发生破坏失效和腐蚀的部位之一，其焊接质量的好坏直接影响整个滤芯的质量。对不锈钢烧结网滤芯纵向焊缝焊接工艺和焊缝组织的研究，可以有效提高焊缝质量，降低成本，提高整个滤芯的使用寿命，具有重要的工程应用需求。
在自动反冲洗过滤器中，为了不影响滤芯的过滤精度和自动反清洗装置的平稳运行，对滤芯纵向对接焊缝的质量要求较高。烧结网滤芯纵向对接焊缝的焊接难点在于，焊缝采用单面焊双面成形，在正面成形良好，无咬边和焊缝凹陷的前提下，还要求背面焊缝平整、过渡圆滑、无缺陷毛刺，背面细密的丝网能完全熔透且不出现过烧丝网熔断的现象；骨架层与丝网的材质可能也不相同，焊接过程熔池组分复杂，在保证焊缝外观良好的同时，还需通过焊接工艺参数的合理选择保证焊缝金属的物相组成和各项理化性能满足使用要求。
国内外的一些研究者采用电子束焊、激光焊、电阻焊等焊接方法对丝网进行焊接，但这些焊接设备较为昂贵，且对焊缝的装夹和焊枪的对中性要求严格，不利于滤芯的批量化生产［3-5］。钨极氩弧焊（TIG焊）具有保护效果好，电弧稳定，热输入易调整、无飞溅，焊缝成形美观等特点，适合薄而多孔不锈钢滤芯的焊接［6-8］。本文采用TIG焊对过滤器滤芯纵焊缝进行焊接［9］，探寻合理的焊接工艺参数，并对焊缝金属的成分和物相、宏观金相、显微组织、显微硬度进行了观察和分析，为多层烧结滤芯的焊接提供参考。
试验用4层不锈钢烧结滤网总厚度约3.3 mm，其结构如图1所示，由1层冲孔板骨架层和3层不锈钢编织网叠加烧结加工而成，骨架层材质为316L不锈钢，主滤网与保护网材质为2507双相不锈钢，焊材选用直径1.6 mm的ER2594焊丝，滤网和焊材的化学成分如表1所示。
图1 不锈钢烧结网结构示意
Fig.1 Structure of stainless steel sintered mesh
焊接工装示意如图2所示，主要包括焊缝压紧装置和焊接小车，焊缝压紧装置采用液压系统对滤网工件焊缝进行压紧固定，与焊接小车和氩弧焊机配合可实现滤网纵向焊缝的自动焊接。焊缝压紧装置工作面采用弧形设计，保证对滤网的加压均匀，下部夹板在焊缝处采用铜垫板，保证焊缝散热条件良好，焊接小车通过丝杠滑块系统带动向前运行，速度可调。
图2 焊接工装示意
Fig.2 Schematic diagram of welding tools
不锈钢烧结网板材下料后，使用卷板机卷成圆筒，装夹到焊接工装上进行焊接。滤网焊接采用TIG焊，直流正接，正面（带拖罩）和背面气体保护，喷嘴直径为10 mm，保护气为纯度99.99%的氩气，主要焊接工艺参数如表2所示，焊机为Miller公司的Syncrowave 351。钨极采用直径2.0 mm的铈钨极；送丝速度为200 mm/min，与焊缝呈30°夹角。保证其他焊接参数不变，选择不同的焊接电流对滤网纵向对接焊缝进行焊接，观察焊缝正面和背面的成形情况，确定较优的焊接电流范围。使用较优的焊接电流试焊滤网试样，对滤网试样接头部位取样，分别采用Agilent 5110SVDV电感耦合等离子体发射光谱仪、CS800碳硫分析仪、OLYMPUS GX71金相显微镜和显微硬度仪研究其焊缝的物相组成、宏观金相、微观组织。
钨极伸出长度
/mm
焊接电流
/A
电弧电压
/V
焊接速度
/（mm·min-1）
保护气流量
/（L·min-1）
研究不锈钢烧结网TIG焊焊缝成形发现，焊缝成形与焊接热输入量和焊缝冷却状态有关。焊接热输入量不足，焊缝正面成形良好，但焊缝熔深不够，造成背面未熔透；焊接热输入量过大，焊接电弧热量熔化冲孔板后，剩余热量直接作用到烧结网下侧的细密丝网上，可能会导致靠近焊缝区域的细密丝网被熔断。试验确定在保证焊接速度200 mm/min的情况下，焊接电流必须控制在一个合理的范围（85~100 A）内，才能保证焊缝背面成形良好。
但在后续试验中发现，即使焊接电流保持在85~100 A，在焊接过程中，由于焊接接头的组对存在错边、间隙量不均匀偏差，焊接电弧会不稳定，焊接热输入量也会跟着变化，严重时会在焊缝背面局部区域造成丝网熔断，并且丝网熔断后无法修补，造成产品报废。为减小丝网熔断风险，降低产品报废率，在焊缝背面设置浅槽水冷铜垫板，并在铜垫板上开细密的气孔，焊接时在铜垫板中通入冷却水和氩气，通过水冷和气冷对焊缝背面丝网部位强制冷却。焊接过程中，焊接热量将焊接接头冲孔板完全熔透并将一部分丝网熔化，焊缝熔融金属在重力的作用向下流至焊缝背面，接触到背面铜板后，强制冷却成形，形成表面成形良好、无断丝、无毛刺的背面焊缝。
分别采用85 A、90 A、95 A、100 A的焊接电流，对滤网进行焊接，所得焊缝成形情况如图3所示。
图3 不同电流下所得焊缝形态
Fig.3 Appearance of welds with different currents
（a）焊缝正面成形 （b）焊缝背面成形
对比不同电流下所得焊缝的正面成形情况发现，随着焊接电流的增大，焊缝正面宽度和下凹量均有增大的趋势。这是由于随着焊接电流的增大，电弧电压和焊接热输入量增加，导致焊缝宽度和焊缝熔深增加，在填充量不变的情况下，焊缝正面下凹量增大。
对比不同电流下所得焊缝的背面成形情况发现，随着焊接电流的增大，焊缝背面宽度有明显的增大趋势，且焊接电流为85 A时，焊缝背面由于宽度过窄且不均匀，焊缝成形不佳；焊接电流为90 A和95 A时，焊缝背面宽度均匀，高度几乎与两侧滤网平齐，成形良好；焊接电流为100 A时，焊缝背面高度高于两侧滤网，背面宽度较宽且不均匀，不利于吸污装置在滤网内部的正常运行。
结果表明，焊接电流为90~95 A时，可得到焊缝正面宽度适中、焊缝背面宽度均匀、过度圆滑、成形良好的焊缝。
焊接接头能谱分析结果如表3所示。
运用德龙图［10］的铬镍当量计算公式：Creq=%Cr+%Mo+1.5×%Si+0.5×%Cb，镍当量计算公式：Nieq=%Ni+30×%C+30×%N+0.5×%Mn，计算得到焊缝金属的铬当量和镍当量分别为22.415%和13.07%，从DeLong组织图中得到焊缝金属中铁素体的含量约为17%，焊缝金属的Creq/Nieq=1.68。参照凝固模式和Cr-Ni伪二元相图［10］，可知该焊缝金属的凝固模式为FA（铁素体-奥氏体）模式，即首先从熔化金属中结晶形成铁素体，随后在凝固过程中呈现铁素体向奥氏体转变的过程，奥氏体通过包晶-共晶反应生成，并在固溶终了时存在于铁素体凝固的边界内部，最终形成奥氏体+针状铁素体组成的焊缝组织，该组织有利于阻碍焊缝裂纹的扩展［10］。
不锈钢烧结网滤芯纵焊缝的宏观金相和金相组织形貌分别如图4、图5所示。由图5可知，焊缝金属具有典型的快速凝固组织的特征，由快速冷却形成的柱状晶奥氏体及骨架状铁素体组成，并且各个区域柱状组织的生长方向不同，朝向散热最好的方向生长。
图4 焊缝截面宏观照片
Fig.4 Macro morphology of weld section
图5 焊缝金相组织形貌
Fig.5 Microstructure of weld
根据GB/T 4340.1—2009《金属材料维氏硬度试验第1部分：试验方法》，对母材和焊缝金属进行显微维氏硬度测定，试验力为100 g，试验结果：2507丝网的显微硬度为289 HV0.1，316L冲孔板显微硬度为174 HV0.1，焊缝金属显微硬度为187 HV0.1。2507金属丝网母材为典型的双相组织，加上丝网加工过程中的加工硬化，使得其硬度较高；由于焊缝金属中骨架状铁素体的产生，使得焊缝金属的显微硬度较316L冲孔板母材略高。
（1）采用TIG焊对过滤器滤芯纵焊缝进行焊接，通过控制焊接热输入量，提高焊缝背面冷却速度等方法，可以得到成形良好、过渡圆滑、无断丝、强度高的焊接接头，且较优焊接电流范围为90~95 A。
（2）当焊接电流为85~100 A时，随着焊接电流的增大，焊缝正面宽度有增大的趋势，但不明显；焊缝正面下凹量和焊缝背面宽度也有增大的趋势。
（3）焊接接头显微组织和物相分析表明，焊缝金属的凝固是按照铁素体-奥氏体模式进行的，焊缝金属的显微硬度较316L冲孔板母材略有上升，焊缝区由快速冷却形成的柱状晶奥氏体及骨架状铁素体组成，该组织具有较优的抗裂纹扩展能力。
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