304不銹鋼光纖激光對接焊縫焊接試驗研究

王偲，王克鴻，江俊龍

(南京理工大學 材料科學與工程學院，江蘇 南京 210094)

0 引言

光纖激光焊因其具有高效、優(yōu)質(zhì)、低污染及焊接變形小等優(yōu)點，在船舶、航空、汽車等工業(yè)及醫(yī)學上應用廣泛[1]。光纖激光焊的優(yōu)點[2]為焊后變形量小、能量轉(zhuǎn)換效率低，且通過調(diào)整參數(shù)限制線能量的輸入可有效減少或抑制焊接熱裂紋的產(chǎn)生[3]，因此激光焊接304不銹鋼的應用前景廣泛，存在一定的研究價值[4-5]。本文開展了304不銹鋼激光對接焊接工藝的研究，通過對不同焊接工藝的焊縫成形、組織與力學性能的分析，為進一步研究304不銹鋼的光纖激光焊接方法提供了理論參考和實踐經(jīng)驗。

1 試驗材料與設備

1.1 試驗材料

試驗所采用的焊材為304不銹鋼，牌號：0Cr19Ni9，尺寸：300 mm×150 mm×6 mm。試驗材料的質(zhì)量分數(shù)如表1所示。

表1 304不銹鋼的質(zhì)量分數(shù)表 %

1.2 焊接設備

實驗選擇10 kW光纖激光器，型號為YLS-10000。光纖激光器的加工柔性比CO2激光器高，功率和光束質(zhì)量比Nd:YAG激光器高，結構比Disc激光器緊湊，成本也低，光束質(zhì)量好，連續(xù)功率也大。

2 試驗結果與討論

2.1 接頭宏觀形貌分析

對304不銹鋼板進行激光對接焊接時，為了更好地探究不同的焊接工藝對焊接接頭性能的影響，本試驗共設計了12組不同的參數(shù)，得到12個試樣。具體的試驗參數(shù)如表2所示。

對比接頭試樣1、試樣2、試樣3，可得光纖激光焊接過程中，焊接速度、離焦量等參數(shù)不變時，激光功率過大，熔寬較大，焊縫輕微熔塌；激光功率過小，熔寬變窄，焊縫未焊透。

對比接頭試樣組A(試樣4、試樣5、試樣6、試樣9)和接頭試樣組B(試樣7、試樣8、試樣10、試樣12)，可得光纖激光功率、離焦量不變時，焊接速度過大，熔寬較窄，部分焊縫未焊透；焊接速度過小，熔寬過寬，焊縫熔塌嚴重。

對比接頭試樣組C(試樣1、試樣6、試樣7)和接頭試樣組D(試樣10、試樣12)，可得光纖激光功率、焊接速度不變時，離焦量為正，熔寬略寬；離焦量為負且離焦量過小，焊縫背面未熔透。

表2 不同焊接方案參數(shù)

通過對比上述試驗接頭，不難發(fā)現(xiàn)焊縫的熔深、熔寬跟光纖激光功率呈正相關性，跟焊接速度呈負相關性。當離焦量的絕對值較大時，其絕對值與焊縫熔、深熔寬呈負相關性，且正離焦對熔寬的影響相對較大，負離焦對熔深的影響相對較大。

2.2 接頭微觀形貌分析

通過對比所有焊接工藝效果，可以發(fā)現(xiàn)光纖激光對接焊接6 mm 304不銹鋼時，激光功率為4 kW，離焦量為0 mm，焊接速度為0.038 mm/s時的試樣10焊縫宏觀成形效果最好。

圖1為試樣10接頭截面金相圖，從中可以看到融化金屬的凝結順序為：靠近母材的部分先開始凝固，焊縫中心區(qū)最后凝固。觀察熱影響區(qū)格局，熔合線附近有一個上升的趨勢，其原因為由于焊逢中心區(qū)比較窄，接受焊接熱影響較久，激光移動時驅(qū)使金屬液流動到焊縫中心區(qū)集中，而焊速很快，金屬的液態(tài)時間短，表面張力在焊縫金屬凝固時帶動熱影響區(qū)在焊縫附近稍有膨脹。

圖1 放大倍數(shù)分別為50、100倍的焊縫橫截面金相圖

在高倍金相顯微鏡下對比觀察圖2-圖7所示母材和焊縫兩側熱影響區(qū)截面圖，觀察到焊接熱影響區(qū)非常窄，光纖激光焊接的光斑直徑小，焊接能量很集中，焊接速度又快，焊接時焊縫加熱區(qū)域小，熱作用在母材上較小，母材升溫也相對較小，所以熱影響區(qū)小。

圖2 200倍放大的母材

圖3 200倍放大的熱影響區(qū)(焊縫左側)

圖4 200倍放大的熔合線(左邊)

圖5 200倍放大的焊縫中心區(qū)

對比觀察圖4-圖6所示焊縫邊緣及中心區(qū)，觀察到焊縫組織邊緣是細小的柱狀晶，中心部位是等軸晶。母材的冷卻作用增大焊縫邊緣的溫度梯度，較容易產(chǎn)生柱狀晶；而焊縫中心的金屬持續(xù)液態(tài)時間較長，熱量較邊緣均勻分布，所以小的溫度梯度更易產(chǎn)生等軸晶。

圖6 200倍放大的熔合線(右邊)

圖7 200倍放大的熱影響區(qū)(焊縫右側)

2.3 接頭顯微硬度分析

試樣10的激光焊接接頭各個區(qū)域的顯微硬度值如表3所示。

表3 激光焊焊接接頭顯微硬度測量值

由試驗測得的顯微硬度值，不難看出：1) 母材區(qū)顯微硬度值最低，平均為179.5HV，其主要原因是因為母材是由粗大的鐵素體晶粒上分布了粒狀的珠光體組織形成，而珠光體組織又是由片層狀的鐵素體和滲碳體組成，大量的鐵素體的存在降低了母材的硬度；2) 焊縫區(qū)平均硬度為188.7HV，高于母材，但低于熱影響區(qū)。由于激光焊的加熱區(qū)域很小，輸入的熱量多，由于對接縫隙大或不均勻，使得該區(qū)域溫度梯度變小，溫度降低得十分緩慢，最后形成了大量的先共析鐵素體，從而降低了焊縫區(qū)的顯微硬度值。鐵素體上彌散著部分珠光體也會導致組織變軟；3) 熱影響區(qū)硬度值平均為211.8HV，高于焊縫區(qū)。其原因是由于熱影響區(qū)的加熱溫度并沒有使母材完全奧氏體化，同時由于熱影響區(qū)很小，冷卻速度相對快，形成了少量的貝氏體，細小的碳化物和塊狀鐵素體分散分布，組織顯微硬度增加。

2.4 接頭抗拉強度及斷口形貌分析

拉伸試驗所得數(shù)據(jù)結果如表4所示。

表4 不同實驗參數(shù)下焊接接頭及母材的抗拉強度

對試樣10接頭斷口做電鏡掃描，所得相圖如圖8所示。

圖8 試樣10接頭斷口形貌

由圖8可知，試樣10接頭斷面較平整，韌窩形貌明顯且數(shù)量較多，在斷口處存在一定的剪切唇，明顯屬于韌性斷裂。由此說明試樣10所得焊接接頭外觀相對較好的同時，焊縫內(nèi)部質(zhì)量也較高。焊縫試樣拉伸強度雖然低于母材，但已達到母材拉伸強度的83.0%，接頭性能良好。

3 結語

本文利用光纖激光器對304不銹鋼進行激光對接焊接工藝的研究，得出以下主要結論：

1) 分析焊縫宏觀形貌，可得焊縫熔深、熔寬跟光纖激光功率呈正相關性，跟焊接速度呈負相關性。當離焦量的絕對值較大時，其絕對值與焊縫熔深、熔寬呈負相關性，且正離焦對熔寬的影響相對較大，負離焦對熔深的影響相對較大。為獲得表面成形良好和力學性能較好的焊接接頭，改變激光試驗工藝得到較好參數(shù)：激光功率4kW，焊接速度0.038m/s，離焦量為0mm。

2) 分析304不銹鋼激光對接焊接微觀金相，觀察到光纖激光焊接時，光斑直徑較小，焊縫及熱影響區(qū)也很窄，所以焊接能量十分集中，而焊速很快，焊縫受熱區(qū)也窄，母材升溫不大是因為熱作用在母材處很小，所以熱影響區(qū)會很窄；觀察到焊縫邊緣組織細小，為柱狀晶，焊逢中心區(qū)為等軸晶。母材的冷卻作用使焊縫的邊緣溫度梯度增大，容易得到柱狀晶；而在焊縫中心區(qū)液態(tài)金屬持續(xù)時間長，溫度梯度小，熱量分布較均勻，容易得到等軸晶。

3) 實驗中硬度試驗表明熱影響區(qū)的硬度最高，焊縫區(qū)的硬度較高，母材區(qū)的硬度最低；本試驗中拉伸試驗表明接頭試樣抗拉強度是母材的83.0%，斷裂處均在焊縫區(qū)，可以在斷口處發(fā)現(xiàn)存在一定的剪切唇，而且斷口呈撕裂狀，韌窩形貌明顯，屬于韌性斷裂。

4) 試驗中出現(xiàn)的焊接缺陷主要為未焊透、形狀缺陷和氣孔等其他缺陷，其中形狀缺陷主要為焊縫正面下凹和背面塌落，其他缺陷主要是飛濺，同時未發(fā)現(xiàn)熱裂紋。氣孔包括表面氣孔和焊縫內(nèi)部氣孔，均降低了焊縫的強度。未焊透是由于工藝參數(shù)不合理造成的。

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