激光-TIG復(fù)合焊接工藝參數(shù)對430不銹鋼接頭性能的影響

侯忠霖，于欣岐，孫建華，李朝陽，鮑平成，單建國

（1.遼寧科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，遼寧 鞍山 114051；2.大連理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116024）

激光-TIG復(fù)合焊接工藝參數(shù)對430不銹鋼接頭性能的影響

侯忠霖1，2，于欣岐1，孫建華1，李朝陽1，鮑平成1，單建國1

（1.遼寧科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，遼寧 鞍山 114051；2.大連理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116024）

針對400系不銹鋼焊接過程中焊縫附近晶粒極易長大而產(chǎn)生脆化，使焊接接頭性能較差，很大程度上限制了其在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，采用激光-TIG復(fù)合熱源焊接冷軋430不銹鋼，對焊接接頭的力學(xué)性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，激光功率與焊接速度對焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和抗折能力影響最為明顯，優(yōu)化工藝的焊縫抗拉強(qiáng)度最高可達(dá)母材的89.65%、抗折強(qiáng)度達(dá)母材的83.53%。

激光-TIG復(fù)合焊；430不銹鋼；焊接接頭；力學(xué)性能

不銹鋼在工業(yè)領(lǐng)域有著舉足輕重的地位［1-3］，其中奧氏體不銹鋼作為主力鋼種，具備良好的耐腐蝕性，良好的力學(xué)性能，機(jī)械加工可塑造性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但造價(jià)偏高制約了其應(yīng)用［4-6］。相比于奧氏體不銹鋼，400系鐵素體不銹鋼造價(jià)優(yōu)廉、導(dǎo)熱性能較奧氏體高、屈服強(qiáng)度高、加工硬化較小以及抗腐蝕能力強(qiáng)，目前正逐步取代奧氏體不銹鋼的應(yīng)用地位。焊接性能差是400系不銹鋼最大的弊端，近年來科研工作者對鐵素體不銹鋼的焊接性能展開了研究。鄭淮北等對鐵路貨車用12CrNi鐵素體不銹鋼的焊接性能研究表明，12CrNi鐵素體不銹鋼的焊接低溫韌性較差，試制的不銹鋼運(yùn)煤敞車在運(yùn)營約1年就發(fā)現(xiàn)裂紋［7］。孟威等分別研究了430、410S和409L不銹鋼熱軋板材的力學(xué)性能和焊接性能，發(fā)現(xiàn)400系列鐵素體不銹鋼熱影響區(qū)的晶粒粗化嚴(yán)重，與母材熔合不好，析出物較多，導(dǎo)致熱影響區(qū)的性能較差［8］。趙雯雯等通過采用ER-308L焊絲焊接經(jīng)濟(jì)型鐵素體不銹鋼板材，也得出由于430鐵素體焊接接頭熱影響區(qū)和過熱區(qū)出現(xiàn)的粗大鐵素體晶粒，導(dǎo)致低溫沖擊韌性嚴(yán)重降低的焊接權(quán)限問題［9］。石青等研究443鐵素體不繡鋼與304奧氏體不銹鋼異種鋼焊接接頭的拉伸性能，發(fā)現(xiàn)試樣的斷裂位置均發(fā)生在抗拉強(qiáng)度相對較低的443母材上，表明焊縫金屬比443母材具有更高的抗拉強(qiáng)度［10］。

以上研究雖然對鐵素體不銹鋼的焊接質(zhì)量有所提高，但并沒有從根本上解決熔池較寬，且極容易產(chǎn)生缺陷的問題。本文擬采用一種以電弧為輔預(yù)熱處理及激光焊接的新工藝來改善其焊接質(zhì)量，通過優(yōu)化熱源的焊接速度、激光與電弧能量的匹配參數(shù)，提高430鐵素體不銹鋼的焊接接頭的力學(xué)性能。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料采用軋制態(tài)的430鐵素體不銹鋼板，板材尺寸為150 mm×130 mm，厚度為（2.8±0.1）mm。430鐵素體不銹鋼化學(xué)成分：w(C）≤0.12%，w(Si）≤0.75%，w(Mn）≤1.00%，w(P）≤0.0350%，w(S）≤0.030%，w(Ni）≤0.6%，w(Cr）≤16%～18%。表1為430鐵素體不銹鋼力學(xué)性能。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

實(shí)驗(yàn)用電弧焊機(jī)為惰性氣體鎢極保護(hù)焊（Tungsten inert gas welding，TIG），型號(hào)AVP-500 OTC，YAG激光器型號(hào)LWS-1000Nd。采用低功率激光+TIG復(fù)合焊接系統(tǒng)（含送絲機(jī)）。

表1 430鐵素體不銹鋼力學(xué)性能（GB3280-92）Tab.1 430 ferrite stainless steel mechanical properties（GB3280-92）

本試驗(yàn)板材采用剪板機(jī)裁剪，采取板材對接焊方式，包括添加焊絲。為了使用單面焊接達(dá)到雙面成型的效果，利用自行設(shè)計(jì)的夾具來固定板材，保證最有效的對接，防止焊接過程中板材移動(dòng)而影響最后的焊接性能。采取了氣體保護(hù)措施，防止焊縫氧化。

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

焊接過程示意圖如圖1所示。激光始終垂直作用于板材的焊縫處，TIG焊槍與激光旁軸復(fù)合，形成夾角α。二者能量輸出位置始終位于一條直線上，保證了焊接過程中能量始終作用于焊縫處。焊接過程激光在前，電弧在后。不同焊接參數(shù)對應(yīng)的分組如表2所示，復(fù)合焊過程中變量為激光功率、電弧電流和焊接速度。

圖1 激光電弧復(fù)合熱源焊接模型Fig.1 Laser arc hybrid heat source welding model

表2 激光電弧復(fù)合焊接參數(shù)Tab.2 Laser arc hybrid welding parameter

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 工藝參數(shù)對焊接頭拉伸性能的影響

不同實(shí)驗(yàn)條件下，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度結(jié)果如表3所示。

2.1.1 激光功率對焊接接頭抗拉強(qiáng)度的影響表3為通過以上幾組實(shí)驗(yàn)得到的個(gè)測試參數(shù)，拉伸試樣斷裂位置幾乎全部位于熱影響區(qū)，試件的抗拉強(qiáng)度最高的是激光功率為480 W的5#試件。圖2為本文選取的激光功率為430、450和480 W時(shí)的拉伸強(qiáng)度變化曲線。當(dāng)激光功率增加的同時(shí)，會(huì)增加整個(gè)復(fù)合熱源的熱輸入，但會(huì)導(dǎo)致合金元素的損耗造成固溶強(qiáng)度有所下降，反而降低強(qiáng)度。因此，控制整體熱輸入和焊縫成形效果的前提下，適當(dāng)降低激光功率有助于提升試件的抗拉強(qiáng)度。

表3 拉伸試驗(yàn)檢測結(jié)果Tab.3 Results of tensile testes

2.1.2 電弧電流對焊接接頭拉伸強(qiáng)度的影響由表3得不同電弧電流作用下，接頭的拉伸強(qiáng)度變化曲線如圖3所示。電弧電流為180 A時(shí)，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值，說明并非電弧電流大，焊件的抗拉強(qiáng)度越高，這是因?yàn)樵谔嵘娏鲝?qiáng)度的前提下，焊接的熱輸入比較大，這會(huì)導(dǎo)致高溫停留的時(shí)間變長，晶粒生長時(shí)間較長，相對粗大，導(dǎo)致焊接接頭抗拉性能有所下降。因此，在熱輸入穩(wěn)定的前提下適當(dāng)降低電流強(qiáng)度，有助于提高接頭的抗拉強(qiáng)度。

圖2 激光功率與焊接接頭拉伸強(qiáng)度的關(guān)系Fig.2 Effect of laser power on tensile strength of joint

圖3 電弧電流與焊件拉伸強(qiáng)度的關(guān)系Fig.3 Effect of welding current on tensile strength of joint

2.1.3 焊接速度對焊接接頭拉伸強(qiáng)度的影響不同焊接速度作用下，焊件的拉伸強(qiáng)度變化曲線如圖4所示。當(dāng)焊接速度由300 cm/min提升到450 cm/min時(shí)，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)遞增狀態(tài)，這是由于焊接速度提升的過程中，焊縫區(qū)域冷卻速度相對較快，晶粒相對長大的幅度比較小，晶粒相對細(xì)化，而500 cm/min時(shí)，接頭的抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)了一個(gè)急速的下降狀態(tài)，這是由于當(dāng)焊接速度過快時(shí)，總體的熱輸入達(dá)不到焊接的基本要求，因此焊縫沒有完全熔透，導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度急速下降。因此，在保證焊接的基本要求前提下，適當(dāng)?shù)奶嵘附铀俣扔欣讷@得更好的力學(xué)性能。

圖4 焊接速度與焊件拉伸強(qiáng)度的關(guān)系Fig.4 Effect of welding speed on tensile strength of welding joint

通過上述一系列實(shí)驗(yàn)對照來看，接頭的拉伸性能優(yōu)劣是由多參數(shù)共同決定的，在保證整體熱輸入的前提下，適當(dāng)降低激光功率和電弧電流，并提高焊接速度都有利于拉伸性能的提高。

2.2 激光-TIG復(fù)合焊接頭彎曲性能

表4為各組試驗(yàn)板材在三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中最大受力和能達(dá)到母材的性能比。

表4 試樣彎曲試驗(yàn)檢測結(jié)果Tab.4 Results of bending testes

抽取比較典型的2#、3#、7#、5#以及9#樣板進(jìn)行了反復(fù)彎曲試驗(yàn)，2#、3#和7#分別反復(fù)彎曲了2次、4次、3次出現(xiàn)了明顯的裂紋；9#是添加焊絲的試驗(yàn)組，在反復(fù)彎折了5次才發(fā)生斷裂，而5#也是添加焊絲的焊件，性能略優(yōu)于9#，反復(fù)彎折了6次斷裂。因此可以說明焊件的實(shí)際應(yīng)用性能已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)際生產(chǎn)的要求。

反復(fù)彎曲試驗(yàn)結(jié)果表明，1#樣板反復(fù)彎折效果也最差，但其彎曲受力性能仍然可以達(dá)到母材的70.20%。5#樣板彎曲性能最高達(dá)到母材的83.53%，反復(fù)抗彎能力表現(xiàn)最優(yōu)，這是因?yàn)槠鋬?nèi)部組織結(jié)構(gòu)在成型過程中，總體熱輸入一定的前提下，控制了激光功率以及電弧電流不至于過大，并且焊接速度相對較高，熱作用時(shí)間相對較短，晶粒長大時(shí)間相對較短，比較細(xì)小，韌性比較好。

比較來看，抗彎強(qiáng)度變化規(guī)律與抗拉強(qiáng)度基本一致。因此，激光功率、電弧電流、焊接速度參數(shù)可以參照拉伸性能試驗(yàn)設(shè)置。激光電弧復(fù)合焊的焊接效果基本能達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)的應(yīng)用效果。

3 結(jié)論

針對冷軋430不銹鋼板焊接性能較差的問題，本文提出利用激光電弧復(fù)合的新型熱源對430不銹鋼進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

（1）隨著激光功率和焊接速度的增加，焊件的抗拉強(qiáng)度和抗折能力都得到不斷提升，而且影響較為明顯；隨著電弧電流的增加，焊件的抗拉強(qiáng)度和抗折能力提升效果不明顯。

（2）三種參數(shù)對焊接的力學(xué)性能的影響都存在閥值，三者之間的匹配優(yōu)化最為重要。本文實(shí)驗(yàn)條件下優(yōu)化后的參數(shù)為激光功率480 W，電弧電流180 A，焊接速度400 cm/min，抗拉強(qiáng)度最高可達(dá)母材的89.65%，抗折強(qiáng)度達(dá)母材的83.53%。

［1］李龍，張心金.不銹鋼復(fù)合板的生產(chǎn)技術(shù)及工業(yè)應(yīng)用［J］.軋鋼，2013，30（3）：43-47.

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［3］郭建亭.高溫合金在能源工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.金屬學(xué)報(bào)，2010，46（5）：513-527.

［4］沈烈.奧氏體不銹鋼形變/滲氮復(fù)合處理工藝及滲氮層結(jié)構(gòu)與性能研究［D］.大連：大連海事大學(xué)輪機(jī)學(xué)院，2013.

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［6］胡夢，沈朝.304NG奧氏體不銹鋼在超臨界水環(huán)境中的腐蝕行為［J］.腐蝕與防護(hù)，2016，37（7）：565-571.

［7］鄭淮北.12CrNi鐵素體不銹鋼焊接性研究［D］.沈陽：東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，2011.

［8］孟威.400系鐵素體不銹鋼熱軋板材力學(xué)性能及焊接性能的研究［D］.蘭州：蘭州理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，2009.

［9］趙雯雯.經(jīng)濟(jì)型鐵素體不銹鋼焊接接頭組織和性能的研究［D］.大連：大連交通大學(xué)材料學(xué)院，2008.

［10］石青.鐵素體/奧氏體不銹鋼異種鋼焊接接頭的組織及性能研究［D］.太原：太原理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，2014.

Effect of parameters of Laser-TIG hybrid welding on 430 stainless steel

HOU Zhonglin1，2，YU Xinqi1，SUN Jianhua1，LI Chaoyang1，BAO Pingcheng1，SHAN Jianguo

（1.School of Materials and Metallurgy，University of Science and Technology Liaoning，Anshan 114051，China；2.School of Materials Science and Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China）

400 stainless steel is excellent in oxidation resistance，corrosion resistance，and low prices compare to the series 300 stainless steel.Due to the grain is easy to grow and brittle by using single arc and laser welding，the welding performance is poor，which limits its wide application in the field of industry.The weld ability of 400 stainless steel using laser-TIG hybrid welding heat source was studied in this paper.Results show that high-quality welded joint of the 430 stainless steel can be achieved by adjusting the parameters.The effect of the laser power and welding speed on the tensile and ending strengthes of welded joint are the most obvious.The tensile strength of the joint reached up to 89.65%，and the bending strength to 83.53%.

laser-TIG hybrid welding；430 stainless steel；weld ability；mechanical property

September23，2016）

TG456

A

1674-1048（2017）01-0043-05

10.13988/j.ustl.2017.01.09

2016-09-23。

遼寧省自然基金項(xiàng)目（201602391）；遼寧科技大學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目。

侯忠霖（1981—），男，遼寧鞍山人，副教授。