高溫高應(yīng)變率下異種不銹鋼激光焊接件的力學(xué)性能＊

魏延鵬，虞 鋼，段祝平

（1.中國科學(xué)院力學(xué)研究所非線性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100080；2.中國科學(xué)院力學(xué)研究所激光與先進(jìn)制造工藝實(shí)驗(yàn)室，北京 100080）

隨著異種材料激光焊接技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)尤其是汽車工業(yè)中的廣泛應(yīng)用，焊接件常常被應(yīng)用在高溫、沖擊加載等環(huán)境中。該結(jié)構(gòu)件材料在各種載荷條件下的變形特征復(fù)雜。這里結(jié)構(gòu)件材料是指由2種異質(zhì)材料與焊縫材料共同組成的一種有結(jié)構(gòu)的材料。為此，焊接結(jié)構(gòu)件材料在高溫沖擊載荷條件下的力學(xué)性能和變形特征成了關(guān)注的焦點(diǎn)。如何通過調(diào)整焊接參數(shù)來獲得適用于不同服役環(huán)境下的優(yōu)異的焊接件材料，在工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中有重要意義。SHTB動(dòng)態(tài)拉伸試件一般有圓柱狀和扁平狀2種。對于圓柱狀試件大多采用螺紋的連接方式，F(xiàn)U Shun－qiang等［1］采用螺紋式連接研究了聚碳酸酯材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。這種方式對應(yīng)力波的傳遞產(chǎn)生一定的影響，但實(shí)踐證明，在入射波幅值較大的情況下，這種影響可以忽略。扁平狀的連接方式一般有2種，一種是利用高強(qiáng)膠將扁平狀試件粘貼到波導(dǎo)桿的卡槽中，ZHOU Yuan－xin等［2］利用膠連式的連接方式對碳纖維的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了測試，這種方式雖能獲得很好的應(yīng)力波形，但是粘貼工藝復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)周期長，一發(fā)實(shí)驗(yàn)需準(zhǔn)備2～3h；另一種連接方式是利用螺紋和銷栓的組合方式進(jìn)行連接，這種方式雖然實(shí)驗(yàn)效率較高，但由于波導(dǎo)桿頭部存在銷孔和卡槽等應(yīng)力集中區(qū)域，使反射和透射應(yīng)力波形受很大影響。目前，針對異種材料激光焊接結(jié)構(gòu)件材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)研究還處在初始階段。王成［3］利用艾式?jīng)_擊實(shí)驗(yàn)研究了激光焊接參數(shù)對焊縫抗沖擊性能的影響，得出：隨激光線能量的增加，焊縫沖擊韌性先增加后下降，激光焊接熱輸入為144J／mm時(shí)焊縫沖擊功最高為29J。E.Bayraktar等［4－6］利用沖擊拉伸實(shí)驗(yàn)和表面腐蝕網(wǎng)格法研究了焊接結(jié)構(gòu)件材料的抗沖擊性能、斷裂機(jī)制和不均勻變形場分布特征。但用上述2種方法都只能得到焊接結(jié)構(gòu)件材料的沖擊韌性而無法得到應(yīng)力應(yīng)變曲線，更不能得到在不同激光焊接參數(shù)下，溫度和應(yīng)變率對結(jié)構(gòu)件材料力學(xué)性能的影響規(guī)律。

本文中以304和316L不銹鋼為主要研究對象，利用高功率連續(xù)二氧化碳激光器獲得焊接結(jié)構(gòu)件，它是由2種異質(zhì)材料與焊縫組成的一種特殊構(gòu)件材料。針對焊接結(jié)構(gòu)特征設(shè)計(jì)適用于SHTB裝置的卡套式連接方式，創(chuàng)建一種研究焊接結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)方法。詳細(xì)研究應(yīng)變率和溫度對結(jié)構(gòu)件材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能和塑性流動(dòng)應(yīng)力的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)不同焊接參數(shù)下的結(jié)構(gòu)件材料對應(yīng)變率和溫度敏感性的差異，并初步研究焊接件變形過程中由塑性功引起的不均勻溫度分布。

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 材料選擇及激光焊接

圖1 304和316L焊接板Fig.1 Welded sheet of 304and 316L

采用2種組分和力學(xué)性能都有差異且焊接性能較好的不銹鋼薄板進(jìn)行激光焊接，牌號(hào)分別為304（0Cr18Ni9）和316L（00Cr17Ni14Mo2），厚度為2mm，304不銹鋼的彈性模量為205GPa，屈服極限為246MPa，抗拉強(qiáng)度為630MPa，延伸率為0.67；316L不銹鋼的彈性模量為205GPa，屈服極限為234MPa，抗拉強(qiáng)度為551MPa，延伸率為0.58。

焊接實(shí)驗(yàn)在3.5kW擴(kuò)散型二氧化碳激光器上進(jìn)行。通過改變激光功率P、焊接速度vw、離焦量fd和側(cè)吹氦氣速度vs等焊接參數(shù)獲得了6組焊接板，焊接參數(shù)如表1所示，表中f為焦距，ds為焦斑直徑。焊接后的實(shí)驗(yàn)樣品見圖1。

表1 激光焊接參數(shù)Table1 Laser welding parameters

1.2 試樣準(zhǔn)備

圖2 扁平狀試件卡套式連接方式示意圖Fig.2 Lock type of connection of flat specimens

圖3 SHTB實(shí)驗(yàn)采集到的典型應(yīng)變波形Fig.3 Typical strain wave derived from SHTB test

受焊接件形狀的限制，試件只能加工成扁平狀。為了獲得更好的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用自行設(shè)計(jì)的卡套連接方式，樣品厚2mm，如圖2所示。加溫裝置采用自行設(shè)計(jì)的柔性控溫箱，溫度在25～1000℃可調(diào)。

圖3顯示了利用卡套式夾持方式獲得的SHTB波形，從圖中可以看出，此種連接方式對應(yīng)力波形影響較小，但是也存在一定的缺點(diǎn)。由于波導(dǎo)桿上的卡套相當(dāng)于減少了橫截面積，使桿件前端強(qiáng)度降低，雖然對應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行了倒角處理，在長時(shí)間多次加載的情況下桿件仍會(huì)變形，這要視加載幅值而定。這種現(xiàn)象只出現(xiàn)在大應(yīng)力幅值多次疲勞加載的情況，不會(huì)影響本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

圖4 No.1參數(shù)對應(yīng)的焊接結(jié)構(gòu)件材料的工程應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.4 Engineering stress－strain curves of weided structure materials with welding parameters 1

2.1 不同參數(shù)結(jié)構(gòu)件材料動(dòng)態(tài)強(qiáng)度比較

圖4為典型的焊接結(jié)構(gòu)件材料動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線，由于SHTB測試中，試件兩端的應(yīng)力經(jīng)過幾次反射后才達(dá)到平衡，使得結(jié)構(gòu)件材料的應(yīng)力－應(yīng)變曲線中彈性段測試不準(zhǔn)確。從圖中可以看出，結(jié)構(gòu)件材料在動(dòng)態(tài)拉伸過程中存在明顯的模量突變點(diǎn)，工程上將此點(diǎn)處應(yīng)力值定義為結(jié)構(gòu)件材料的屈服強(qiáng)度，這類屈服強(qiáng)度與真實(shí)值有一定差距，但可以通過對突變點(diǎn)應(yīng)力值的比較來尋找結(jié)構(gòu)件材料剛進(jìn)入塑性段時(shí)的一些變化規(guī)律。對于抗拉強(qiáng)度，其值代表結(jié)構(gòu)件材料拉伸過程中所承受的最大工程應(yīng)力，是準(zhǔn)確可靠的。

由表2可以看出，各種參數(shù)的焊接結(jié)構(gòu)件材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度σy和抗拉強(qiáng)度σt都隨應(yīng)變率的增大而增大，隨溫度的升高而降低；但各種參數(shù)結(jié)構(gòu)件材料對于應(yīng)變率和溫度的敏感程度不同。No.1參數(shù)對應(yīng)的結(jié)構(gòu)件材料雖然具有較低的靜態(tài)強(qiáng)度，但抗拉強(qiáng)度對應(yīng)變率和溫度的敏感性最強(qiáng)，隨應(yīng)變率的增大，抗拉強(qiáng)度急劇增大，并很快達(dá)到所有參數(shù)結(jié)構(gòu)件材料的最大值962MPa；隨著溫度的提高，抗拉強(qiáng)度急劇下降，并達(dá)到所有參數(shù)結(jié)構(gòu)件材料的最小值342MPa。No.2、No.3和No.5參數(shù)對應(yīng)的結(jié)構(gòu)件材料對應(yīng)變率和溫度的敏感性較弱，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都隨應(yīng)變率的提高平緩上升并隨溫度的提高平緩下降。No.4參數(shù)對應(yīng)的結(jié)構(gòu)件材料具有最差的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，在應(yīng)變率為1500s－1時(shí)，其抗拉強(qiáng)度低于準(zhǔn)靜態(tài)下的抗拉強(qiáng)度，表明此種參數(shù)的焊接件不能被使用于高應(yīng)變率的環(huán)境。

綜上所述，除No.4參數(shù)對應(yīng)的結(jié)構(gòu)件材料外，所有參數(shù)對應(yīng)的結(jié)構(gòu)件材料均具有較好的高溫動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。No.1參數(shù)對應(yīng)的結(jié)構(gòu)件材料對溫度和應(yīng)變率的敏感性最強(qiáng)，這種材料較適于高應(yīng)變率加載的環(huán)境；由于其溫度敏感性也較強(qiáng)，隨溫度的升高強(qiáng)度降低較快，限制了該材料在高溫環(huán)境下的應(yīng)用。

表2 不同焊接參數(shù)參數(shù)對應(yīng)的結(jié)構(gòu)件材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度Table2 Dynamic yield strength and tensile strength of welded structure materials with different weld parameters

2.2 溫度效應(yīng)

溫度對結(jié)構(gòu)件材料塑性流動(dòng)應(yīng)力的影響如圖5所示。動(dòng)態(tài)變形過程中，結(jié)構(gòu)件材料中的溫升的產(chǎn)生一般來源于2部分，一部分為初始環(huán)境溫度，也就是實(shí)驗(yàn)溫度；另一部分來源于結(jié)構(gòu)件材料發(fā)生塑性變形的塑性功轉(zhuǎn)化導(dǎo)致的溫升，按Taylor的假定，這一部分溫升可表示為

圖5 采用不同的激光參數(shù)獲得的焊接結(jié)構(gòu)材料的真實(shí)應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.5 True stress－strain curves of welded structure materials with different welding parameters

式中：ρ為材料密度，cV為材料定容熱容，κ為塑性功與熱量的轉(zhuǎn)化系數(shù)，一般為0.97，在大變形的情況下可以近似取1。估算表明，在材料非失穩(wěn)區(qū)，塑性變形引起的溫升和高溫環(huán)境下溫度相比可以忽略。

在整個(gè)結(jié)構(gòu)件材料的變形過程中，溫度對塑性流動(dòng)應(yīng)力的影響具有如下特點(diǎn)：（1）相同應(yīng)變率下，結(jié)構(gòu)件材料變形全過程中的平均塑性流動(dòng)應(yīng)力隨環(huán)境溫度的提高而明顯下降。（2）環(huán)境溫度對結(jié)構(gòu)件材料流動(dòng)應(yīng)力的影響呈非線性變化趨勢，環(huán)境溫度越高，相同的溫度增量對塑性流動(dòng)應(yīng)力的影響越小，以No.4參數(shù)對應(yīng)的結(jié)構(gòu)件材料的應(yīng)變率為1 600s－1、變形為12%時(shí)刻為例，溫度從25～200、200～400、400～500℃，產(chǎn)生的塑性流動(dòng)應(yīng)力降幅分別為199、132、26MPa。（3）結(jié)構(gòu)件材料塑性變形產(chǎn)生的溫升隨應(yīng)變率的提高而提高。這主要是因?yàn)椋瑧?yīng)變率越高，塑性功產(chǎn)生的熱量越大，溫升越明顯。（4）相同應(yīng)變率和溫度下，變形量越大，塑性變形溫升引起的軟化現(xiàn)象越明顯，這主要是因?yàn)樽冃瘟吭酱蟮那闆r下，塑性功增加，并且轉(zhuǎn)化系數(shù)η也變大，導(dǎo)致溫升增加，流動(dòng)應(yīng)力下降。（5）結(jié)構(gòu)件材料中的絕對溫度場不均勻。雖然具有相同的初始溫度，但是由于材料不同，結(jié)構(gòu)件材料中由于塑性變形產(chǎn)生的溫升不同。如果只考慮單軸拉伸過程，結(jié)構(gòu)件材料處在一維應(yīng)力狀態(tài)，并且結(jié)構(gòu)件材料各部分所受應(yīng)力相等，那么如式（1），材料由塑性變形引起的溫升只與變形量ε有關(guān)。變形量越大，ΔT越大。由于焊縫材料的密度和定容熱容相差無幾，只是晶粒尺寸有所不同，焊縫材料具有硬脆化趨勢，在相同的應(yīng)力下產(chǎn)生的變形量小，所以焊縫處的塑性溫升也較小，結(jié)構(gòu)件材料的絕對溫度場呈中間低兩邊高的趨勢。

2.3 應(yīng)變率效應(yīng)

圖6顯示了不同焊接參數(shù)、不同應(yīng)變率下結(jié)構(gòu)件材料的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線。從圖中可以看出，塑性流動(dòng)應(yīng)力隨應(yīng)變率的增加而增大，但采用不同的焊接參數(shù)獲得的結(jié)構(gòu)件材料對應(yīng)變率的敏感程度不同，為了比較應(yīng)變率對流動(dòng)應(yīng)力的影響，定義應(yīng)變率敏感系數(shù)

式中：σ1和σ2為應(yīng)變率和下的流動(dòng)應(yīng)力。由圖6可以看出，采用不同的焊接參數(shù)得到的結(jié)構(gòu)件材料對應(yīng)變率的敏感性差別很大，No.1和No.3參數(shù)對應(yīng)的結(jié)構(gòu)件材料的應(yīng)變率敏感系數(shù)較大，隨應(yīng)變率的增加，流動(dòng)應(yīng)力幅值有較大提升。No.2和No.5參數(shù)對應(yīng)的結(jié)構(gòu)件材料敏感系數(shù)較小，隨應(yīng)變率的增加，流動(dòng)應(yīng)力幅值變化很小。

另外，從整體效果看，在整個(gè)變形過程中溫度軟化效應(yīng)對流動(dòng)應(yīng)力的貢獻(xiàn)大于應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)，尤其在結(jié)構(gòu)件材料進(jìn)入大變形階段。

圖6 采用不同的焊接參數(shù)獲得的結(jié)構(gòu)件材料的真實(shí)應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.6 True stress－strain curves of welded structure materials with different welding parameters

3 結(jié) 論

利用SHTB裝置，對304和316L異種不銹鋼激光焊接結(jié)構(gòu)在不同溫度下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)研究表明：焊接結(jié)構(gòu)件材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能主要受應(yīng)變、應(yīng)變率和溫度的影響：動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨應(yīng)變率的提高而增大，隨溫度的提高而降低；溫度對結(jié)構(gòu)件材料流動(dòng)應(yīng)力的影響呈非線性變化趨勢；隨應(yīng)變的增加，流動(dòng)應(yīng)力增加，呈硬化趨勢；在整個(gè)變形過程中，溫度軟化效應(yīng)對流動(dòng)應(yīng)力的貢獻(xiàn)大于應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)，尤其在結(jié)構(gòu)件材料進(jìn)入大變形階段。

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