保護(hù)氣流量對不銹鋼激光-MAG復(fù)合焊接頭組織和性能的影響

韓曉輝，趙延強(qiáng)，劉永剛，沈 林，楊曉益

（1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610031）

保護(hù)氣流量對不銹鋼激光-MAG復(fù)合焊接頭組織和性能的影響

韓曉輝1，趙延強(qiáng)1，劉永剛1，沈 林2，楊曉益2

（1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610031）

對8 mm厚SUS301L-MT不銹鋼進(jìn)行激光-MAG復(fù)合焊接，研究不同保護(hù)氣流量對焊縫成形、顯微組織和力學(xué)性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)其他焊接參數(shù)一定時(shí)，在該試驗(yàn)條件下保護(hù)氣流量對焊縫成形影響較小，焊縫區(qū)域組織相似，主要為柱狀奧氏體樹枝晶+少量的δ鐵素體。接頭顯微硬度和沖擊韌性隨保護(hù)氣流量的變化不明顯。接頭的抗拉強(qiáng)度隨保護(hù)氣流量的增加而提高，當(dāng)保護(hù)氣流量為40 L/min時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度最高為765 MPa，達(dá)到母材抗拉強(qiáng)度的86.5%。分析拉伸斷口發(fā)現(xiàn)，不同保護(hù)氣流量斷口微觀形貌相似，斷口中分布著大量韌窩，表現(xiàn)為韌性斷裂。

不銹鋼；激光-MAG復(fù)合焊；保護(hù)氣流量；力學(xué)性能

0 前言

在軌道交通快速發(fā)展的今天，高品質(zhì)、輕量化、高速度的城市軌道客車已成為主流趨勢。車身的制造材料也由過去的普通碳鋼材料替換為鋁合金、不銹鋼等多種高品質(zhì)新材料[1]。不銹鋼具有強(qiáng)度高、可焊性好、耐蝕性強(qiáng)、免涂裝、全壽命周期成本低等優(yōu)點(diǎn)，在我國軌道交通領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[2-3]。

目前，SUS301L奧氏體不銹鋼已成為國內(nèi)外城軌客車不銹鋼車體制造的主要材料[4]，奧氏體不銹鋼焊接性能非常好，但由于奧氏體不銹鋼熱導(dǎo)率低、線膨脹系數(shù)大，焊接過程中存在焊接變形大、晶粒粗大、熱裂紋等問題[5]。激光復(fù)合焊接技術(shù)具有焊接速度快、熔深大、焊接變形小、適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)[6]，可用于奧氏體不銹鋼焊接。目前國內(nèi)外關(guān)于激光復(fù)合焊接工藝已有大量研究[7]，在激光復(fù)合焊接過程中保護(hù)氣有著重要作用，保護(hù)氣流量的改變會影響焊接質(zhì)量。但有關(guān)保護(hù)氣流量對SUS301L不銹鋼接頭性能的影響還鮮有報(bào)道。試驗(yàn)采用激光-MAG復(fù)合焊接方式對8 mm厚SUS301L奧氏體不銹鋼進(jìn)行焊接，研究保護(hù)氣流量對其焊接接頭組織和力學(xué)性能的影響，為激光復(fù)合焊接技術(shù)在不銹鋼車體上的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選取SUS301L-MT奧氏體不銹鋼為研究對象，焊接試樣為板材，試板尺寸300 mm×150 mm× 8 mm；焊接填充材料采用ER308L焊絲，焊絲直徑φ1.2 mm。母材及填充焊絲的合金成分如表1所示。焊接方式為沿試板長度300 mm方向?qū)印?/p>

表1 SUS301L-MT不銹鋼及ER308L焊絲合金成分 %

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用激光器為YLS-4000光纖激光器，額定功率4 kW，透鏡焦距310 mm，光纖芯徑200 μm，輸出波長1.06 μm的連續(xù)激光。試驗(yàn)采用KempArc-450脈沖焊機(jī)配合ABB IRB2600型機(jī)器人。

試驗(yàn)試板開單邊25°坡口，留3 mm鈍邊，坡口形狀及尺寸如圖1所示。試驗(yàn)采用激光在前、電弧在后的旁軸復(fù)合焊接方式，如圖2所示。焊接時(shí)熱源間距DLA=3 mm，激光入射角度80°，離焦量0 mm。焊前打磨清洗，裝配時(shí)留約0.5 mm間隙，單面焊雙面成型。焊接時(shí)采用Photron Fastcam SA4高速攝像機(jī)獲取電弧信息，采樣頻率1 000幀/s。試驗(yàn)用保護(hù)氣體為φ（CO2）5%+φ（Ar）95%的混合氣體，相關(guān)焊接工藝參數(shù)如表2所示。

圖1 不銹鋼激光復(fù)合焊坡口形式

圖2 激光復(fù)合焊示意

表2 保護(hù)氣流量試驗(yàn)焊接工藝參數(shù)

焊接完成后，沿焊縫橫截面方向切取60 mm× 10 mm×8 mm金相試樣，經(jīng)砂紙研磨、拋光后采用苦味酸酒精溶液（鹽酸5 mL+酒精100 mL+苦味酸1 g）進(jìn)行腐蝕，用Zeiss-A1M光學(xué)顯微鏡觀察金相組織。使用HVS-30型顯微型硬度計(jì)進(jìn)行硬度試驗(yàn)，所加載荷10 kg，加載時(shí)間10 s，沿焊縫中心向母材每隔0.5 mm測試一個點(diǎn)。焊縫的拉伸試驗(yàn)參照GB/T 2651-2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行，拉伸試樣取樣位置和尺寸如圖3所示，采用WDW3100微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)拉伸機(jī)，拉伸速度5 mm/min，測試接頭抗拉強(qiáng)度，每種參數(shù)取3個試樣，試驗(yàn)數(shù)據(jù)為平均值。使用JSM-6490LV型掃描電鏡觀測拉伸斷口。按照GB/T2650-2008《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》在焊縫和熱影響區(qū)各取3個試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)選用夏比V型缺口，8 mm厚SUS301L-MT不銹鋼沖擊試樣的厚度為7.5 mm。

圖3 拉伸試樣取樣位置及尺寸

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 焊縫成形

上述焊接參數(shù)條件下獲得的8 mm SUS301LMT不銹鋼激光復(fù)合焊接頭宏觀成形及接頭截面如圖4所示。由圖4可知，不同保護(hù)氣流量條件下整條焊縫表面連續(xù)平整，焊縫寬度均勻，未見飛濺、咬邊等焊接缺陷，焊縫成形良好。接頭截面形貌呈高腳杯形狀，組織致密，無氣孔、裂紋等缺陷，具有典型的激光復(fù)合焊接頭特征。焊縫余高較低，背部熔透略微過渡。在焊縫區(qū)域可見明顯柱狀晶，以彎曲形狀由兩側(cè)向焊縫中心生長，這是由于焊接速度快，焊接時(shí)熔池的散熱方向與結(jié)晶等溫面垂直，使得晶粒主軸生長方向也垂直于等溫面[8]。上述現(xiàn)象說明三種接頭的焊縫成形受氣體流量的影響不大。采用高速攝像拍攝不同保護(hù)氣流量條件下所對應(yīng)的激光-MAG電弧復(fù)合焊電弧形態(tài)，如圖5所示。由圖5可知，當(dāng)保護(hù)氣流量增加到40 L/min時(shí)，電弧發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這是由于在試驗(yàn)條件下隨著保護(hù)氣流量的增加，保護(hù)氣抑制了等離子體膨脹上升，增強(qiáng)了激光和電弧的相互作用，使電弧偏轉(zhuǎn)，電弧長度增大[9]。

圖4 不銹鋼激光復(fù)合焊焊縫宏觀成型及接頭截面

圖5 不銹鋼激光-MAG電弧復(fù)合焊電弧形態(tài)

2.2 焊接接頭顯微組織

不同保護(hù)氣流量條件下的不銹鋼激光-MAG復(fù)合焊接頭組織如圖6所示，母材組織除呈纖維狀的形變奧氏體外，還有粗大的等軸狀奧氏體和奧氏體晶界上的α＇馬氏體（形變馬氏體）。不同氣流量下焊縫區(qū)域組織相似，主要為柱狀奧氏體樹枝晶+少量的δ鐵素體。

2.3 焊縫顯微硬度

測量不同保護(hù)氣流量下焊縫區(qū)域的顯微硬度，結(jié)果如圖7所示。不同保護(hù)氣流量焊接接頭的硬度分布規(guī)律相似，焊縫區(qū)域硬度最低約195HV，熱影響區(qū)硬度分布呈上升趨勢但低于母材硬度，其寬度3mm。這是因?yàn)樵诤附訜嵩醋饔孟?，熱影響區(qū)晶粒發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，使纖維狀形變奧氏體占比例減少，導(dǎo)致熱影響區(qū)硬度低于母材[10]。當(dāng)保護(hù)氣流量為35 L/min時(shí)，熱影響區(qū)硬度值相比保護(hù)氣流量為30 L/min和40 L/min時(shí)略高。在不同保護(hù)氣流量條件下，母材硬度值均為最高，穩(wěn)定在240 HV。因?yàn)槟覆腟US301LMT不銹鋼經(jīng)過了形變強(qiáng)化處理，在形變過程中產(chǎn)生一定量的形變馬氏體，提高了硬度值。

圖6 不同氣流量條件下焊接接頭金相組織

圖7 焊接接頭硬度分布

2.4 焊接接頭沖擊性能

不同保護(hù)氣流量條件下，焊縫和熱影響區(qū)沖擊功數(shù)據(jù)分別取平均值，結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，焊縫區(qū)域平均沖擊功隨著保護(hù)氣流量增加略有下降，當(dāng)氣流量為40 L/min時(shí)沖擊功為95.7 J，約為母材（211 J）的45.4%。而當(dāng)氣流量不同時(shí)熱影響區(qū)沖擊功相近，約為210 J，接近于母材。說明在該實(shí)驗(yàn)條件下，焊接接頭沖擊功隨氣流量的變化不明顯。

2.5 焊接接頭拉伸性能

不同保護(hù)氣流量激光復(fù)合焊接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。接頭抗拉強(qiáng)度與保護(hù)氣流量關(guān)系見圖9。分析可見，隨著保護(hù)氣流量增加焊接接頭抗拉強(qiáng)度不斷增加，當(dāng)保護(hù)氣流量為40L/min時(shí)的抗拉強(qiáng)度最高，達(dá)765 MPa，約為母材抗拉強(qiáng)度（884 MPa）的86.5%。

圖8 焊接接頭沖擊功

表3 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖9 焊接接頭拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.6 斷口分析

焊接接頭拉伸斷口宏觀形貌如圖10所示，由圖10a、10b可知，當(dāng)保護(hù)氣流量為30 L/min、35 L/min時(shí)，斷口斷面尺寸變化較小，且斷口上分布有少量氣孔。圖10c為保護(hù)氣流量為40 L/min時(shí)的拉伸斷口宏觀形貌，斷口出現(xiàn)明顯緊縮，未見明顯氣孔，因此接頭韌性好、強(qiáng)度高。不同保護(hù)氣流量條件下的拉伸斷口微觀形貌如圖11所示。在不同保護(hù)氣流量條件下，斷口微觀形貌基本相同，斷口中分布著大量韌窩，大韌窩里還均勻分布著許多小韌窩，呈現(xiàn)出典型的韌性斷裂的特征。同時(shí)，在焊接過程中保護(hù)氣對電弧有壓縮作用，適當(dāng)增加保護(hù)氣流量后對流換熱導(dǎo)致的散熱作用增強(qiáng)[11]，等離子體的電子溫度和電子密度波動幅度較小，電弧品質(zhì)提高，焊接過程穩(wěn)定[12]，焊接接頭質(zhì)量好，這也是保護(hù)氣流量為40 L/min時(shí)抗拉強(qiáng)度最高的原因。

圖10 拉伸斷口宏觀形貌

3 結(jié)論

（1）采用激光-MAG復(fù)合焊焊接SUS301L-MT奧氏體不銹鋼，當(dāng)其他焊接參數(shù)一定時(shí)，30 L/min、35 L/min和40 L/min保護(hù)氣流量對焊縫成形影響不明顯。不同保護(hù)氣流量下所得焊縫區(qū)域組織相近，主要為柱狀奧氏體樹枝晶+少量的δ鐵素體。

（2）不同保護(hù)氣流量所獲焊接接頭的硬度分布規(guī)律相似，焊縫區(qū)域硬度最低約為195 HV，熱影響區(qū)硬度分布呈上升趨勢但均低于母材硬度值，其寬度約為3 mm。焊接接頭沖擊功隨氣流量的變化不明顯。

圖11 拉伸斷口微觀形貌

（3）在試驗(yàn)條件下隨著保護(hù)氣流量增加，激光和電弧的相互作用增強(qiáng)，焊接接頭抗拉強(qiáng)度不斷增加，當(dāng)保護(hù)氣流量為40 L/min時(shí)的抗拉強(qiáng)度最高，達(dá)到765 MPa，約為母材抗拉強(qiáng)度的86.5%，且為韌性斷裂。

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Effects of flowrate of shielding gas flow on microstructure and properties of laser-MAG welding-welded joints of stainless steel

HAN Xiaohui1，ZHAO Yanqiang1，LIU Yonggang1，SHEN Lin2，YANG Xiaoyi2
（1.CSR Qingdao Sifang Co.，Ltd，Qingdao 266031，China；2.College of Materials Science and Technology，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

The laser-MAG hybrid welding was applied to weld the stainless steel with 8 mm thickness.The influence of shielding gas flow(SGF)on weld formation,microstructure and mechanical properties.The results showed that SGF under the test conditions had less effect on the bead shape，the weld microstructure were similar，mainly for branches of columnar austenite grain and small amount of δferrite when other parameters were unaltered.The micro-hardness and impact toughness of joint didn't change obviously with the change of SGF.The tensile strength of the weld would increased with the increase of SGF，and the tensile strength of the welding joint would reach its maximum 765 MPa when the SGF rate was 40 L/min，reaching 86.5%of the base material.It was found by analyzing tensile fracture of weld，the fracture morphology was similar with the different SGF，fracture morphology of the joint was a dimple pattern with feature of ductile fracture.

stainless steel；laser-MAG hybrid welding；shielding gas flow rate；mechanical properties

TG457.11

A

1001－2303（2017）03－0043-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.03.08

獻(xiàn)

韓曉輝，趙延強(qiáng)，劉永剛，等.保護(hù)氣流量對不銹鋼激光-MAG復(fù)合焊接頭組織和性能的影響[J].電焊機(jī)，2017，47（03）：43-48.

2016-06-20；

2016-10-11

韓曉輝（1977—），男，山東萊陽人，教授級高工，主要從事軌道車輛車體制造及焊接技術(shù)的應(yīng)用與開發(fā)。