不銹鋼激光-MAG復(fù)合焊接頭微區(qū)性能研究

沈 林，陳 輝，徐力棟，車小莉

(西南交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610031)

20世紀(jì)70年代末英國學(xué)者Steen首次提出激光復(fù)合焊接技術(shù)[1]，該技術(shù)與傳統(tǒng)熔焊相比具有焊接速度快，焊接變形小，焊縫深寬比大，自動化程度高，可有效提高生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量等優(yōu)點[2-3]，成為近年來國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點.

SUS301L奧氏體不銹鋼具有強度高、可焊性好、耐腐蝕性強、全壽命周期成本低等優(yōu)點已成為國內(nèi)外城軌客車不銹鋼車體制造的首選材料[4-5].目前不銹鋼車體構(gòu)件的連接方式以焊接為主，但奧氏體不銹鋼的熱導(dǎo)率低、線膨脹系數(shù)大，采用傳統(tǒng)熔化焊時存在焊接變形大、接頭組織晶粒粗大、熱裂紋等問題[6].采用激光-MAG復(fù)合焊接方式焊接不銹鋼可有效避免上述問題.但由于焊接熱循環(huán)的作用，使得焊接接頭各區(qū)域組織性能變化大，尤其是激光-MAG復(fù)合焊接接頭熔合線和熱影響區(qū)寬度狹窄且組織性能急劇變化，影響焊接接頭的總體強度.同時焊接接頭在成分、組織和性能上的不均勻性對其斷裂行為有重要影響[7]，因此，研究焊接接頭各微區(qū)材料力學(xué)性能尤為必要.而運用常規(guī)的拉伸試驗、彎曲試驗和缺口沖擊試驗等力學(xué)性能測試方法只能得到接頭的整體強度，難以準(zhǔn)確測出焊接接頭各區(qū)域的強度和塑性，無法為焊接結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供詳細(xì)的力學(xué)性能參數(shù)[8-9].

微型剪切試驗和微拉伸試驗方法特別適合測試焊接接頭各區(qū)域的力學(xué)性能，試驗結(jié)果能夠準(zhǔn)確地反映接頭各區(qū)域的機械性能及其變化規(guī)律，同時這些方法具有成本低、操作簡單、數(shù)據(jù)分散性小等優(yōu)點，這為新型焊材的研制、優(yōu)化焊接工藝參數(shù)提供了一種簡單、高效的試驗方法[10].但目前國內(nèi)外關(guān)于激光復(fù)合焊接接頭各微區(qū)性能的研究還鮮有報道，為此，本文將采用硬度試驗、微型剪切試驗和微拉伸試驗等方法，測試不銹鋼激光-MAG復(fù)合焊接接頭各微區(qū)力學(xué)性能并分析接頭不同區(qū)域的斷裂機制，為下一代城軌列車的研發(fā)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù).

1 試 驗

試驗材料為4 mm厚SUS301L-HT奧氏體不銹鋼板材，焊接試板規(guī)格為150 mm×100 mm；選用直徑為Ф1 mm的ER308L的焊絲作填充材料.母材及焊絲的化學(xué)成分見表1，SUS301L-HT不銹鋼的力學(xué)性能見表2.焊接方式為沿試板長度150 mm方向?qū)?

試驗使用的設(shè)備為RUMPF TruDisk10002型光纖激光器，最大激光功率10 kW，采用焦距為350 mm的透鏡，光纖芯徑為400 μm.試驗采用福尼斯TransPuls Synergic 4000型焊機配ABB IRB6640型機器人.焊接時采用激光在前電弧在后的旁軸復(fù)合焊接方式，激光復(fù)合焊示意圖如圖1所示 .光絲間距DLA=3 mm，焊槍與工件表面夾角為68°，激光入射角度為80°，離焦量Δf=0 mm.焊接前打磨并用酒精清洗試件表面，焊接試板不開坡口，在裝配時留0.5 mm間隙，單面焊雙面成型.試驗所用保護氣體為5%CO2+95%Ar的混合氣體，保護氣流量為30 L/min.相關(guān)焊接工藝參數(shù)如表3所示.

表1SUS301L-HT不銹鋼及ER308L焊絲合金成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

Table 1 Alloy components of SUS301L-HT stainless steel and ER308L welding wire(wt.%)

材料CSiMnCrNiCuNPSUS301L-HT0.020.391.1217.247.100.0460.100.034ER308L0.020.421.6520.1010.30———

表2 SUS301L-HT不銹鋼的力學(xué)性能

圖1 激光復(fù)合焊示意圖

激光功率/kW焊接速度/(m·min-1)送絲速度/(m·min-1)電流/A電壓/V31.56914624.2

焊接完成后，用線切割沿焊縫橫截面方向切取規(guī)格為60 mm×10 mm×4 mm的金相試樣，經(jīng)研磨、拋光制備出無劃痕的金相觀察面，使用苦味酸酒精溶液(鹽酸5 mL+酒精100 mL+苦味酸1 g)對試樣進行腐蝕，在Zeiss-A1M金相顯微鏡下觀察接頭金相組織.接頭硬度測試所用設(shè)備為HVS-30型硬度計，所加載荷為10 kg，加載時間15 s.圖2為微型剪切試驗試件取樣示意圖，在圖2所示位置切取包括焊縫、熱影響區(qū)和母材的規(guī)格為1.5 mm×1.5 mm×50 mm的試樣，然后對試樣焊縫端進行拋光、腐蝕，顯示出焊縫的不同區(qū)域.由于激光-MAG復(fù)合焊接頭熱影響區(qū)窄，剪切采用多試樣變起點方式，準(zhǔn)確測試焊接接頭各區(qū)域性能.在微型剪切試驗機上進行剪切，設(shè)定剪切速度1 mm/min，選擇剪切間距0.6 mm.記錄相關(guān)試驗數(shù)據(jù)，繪制剪切曲線，剪切示意圖見圖3.

圖2 微型剪切試件取樣示意圖[11]

圖3 微型剪切示意圖

微拉伸試樣采用非標(biāo)準(zhǔn)試樣，試樣尺寸見圖4，試樣制備時按圖5所示位置分別切取焊接接頭各區(qū)域試樣，然后將試樣雙面打磨至1.5 mm厚，以避免線切割加工而影響材料的力學(xué)性能.微拉伸試驗在CMT4304型電子萬能試驗機上進行，測試時設(shè)定拉伸速度為2 mm/min.試驗完成后用JSM-6490LV型掃描電子顯微鏡觀察復(fù)合焊接頭各區(qū)域的剪切斷口和拉伸斷口.

圖4 微拉伸試樣尺寸

圖5 微拉伸試樣取樣位置

2 結(jié)果與分析

2.1 接頭顯微組織

不銹鋼激光-MAG復(fù)合焊接頭組織如圖6所示，可見SUS301L-HT不銹鋼母材組織主要由呈纖維狀的形變奧氏體、粗大的等軸狀奧氏體和分布在奧氏體晶界上形變馬氏體組成.由于焊接熱循環(huán)作用，熱影響區(qū)組織發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶，晶粒與母材相比有一定程度長大.焊縫組織為柱狀奧氏體樹枝晶和少量δ鐵素體組成的混合組織，該組織主要沿焊縫熔合線的法線方向生長，兩側(cè)柱狀晶在焊縫中心相遇，δ鐵素體存在于枝晶間.這是因為在激光電弧復(fù)合焊接過程中，焊接速度快，熔化金屬高溫停留時間短，凝固冷卻速度快，促進了柱狀晶和樹枝晶的形成.

圖6 激光復(fù)合焊接頭顯微組織

Fig.6 Microstructure of laser-hybrid welded joint:(a)welded metal；(b)heat-affected zone；(c)base metal

焊接熱輸入對焊接接頭顯微組織和力學(xué)性能有顯著影響.在激光電弧復(fù)合焊接過程中，激光和電弧相互作用的熱輸入大部分釋放在焊接熔池，焊接時在接頭下部區(qū)域由于激光匙孔形成限制了熱量輸入，使得更多熱量積累在電弧作用區(qū)域[12]，從而使得電弧作用區(qū)熔合區(qū)寬度比激光作用區(qū)域?qū)?，如圖7所示.

圖7 激光復(fù)合焊接頭熔合區(qū)

Fig.7 Fusion zone of laser-hybrid welded joint: (a) partial melted zone in laser zone；(b) partial melted zone in arc zone

2.2 接頭硬度分析

圖8為復(fù)合焊接頭維氏硬度測試結(jié)果.由圖8可見，焊縫區(qū)域電弧作用區(qū)比激光作用區(qū)寬，焊縫區(qū)平均硬度最低為175HV10，從焊縫中心到母材區(qū)域的硬度值逐漸上升，熱影響區(qū)寬度約為3 mm.在焊接熱源作用下接頭熔合線附近的晶粒粗化，晶粒發(fā)生了回復(fù)和再結(jié)晶，纖維狀形變奧氏體減少，導(dǎo)致熱影響區(qū)硬度值低于母材[13].母材的硬度值最高，穩(wěn)定在320HV10左右.這是因為SUS301L-HT不銹鋼通過形變強化處理后產(chǎn)生了一定量的形變馬氏體[14]，提高了硬度值.

圖8 激光復(fù)合焊接頭硬度

2.3 接頭微型剪切性能

復(fù)合焊接頭不同區(qū)域剪切性能梯度曲線如圖9所示，由強度曲線可以看出，焊縫區(qū)域的剪切強度最低為410 MPa，熱影響區(qū)的剪切強度逐漸上升，母材區(qū)域的剪切強度最高為560 MPa.這是由于焊縫區(qū)域為典型的鑄態(tài)組織，晶粒生長方向性明顯，熱影響區(qū)晶粒粗大，剪切強度較低，而母材經(jīng)過軋制強化處理，存在加工硬化，所以剪切強度最高.剪切強度變化趨勢和硬度試驗結(jié)果基本一致.從剪切壓入率曲線可知，焊縫區(qū)域壓入率最高，其次是熱影響區(qū)，母材壓入率最低，其分布規(guī)律與剪切強度相反.由于焊接時采用低強匹配，焊縫區(qū)域剪切時形變阻力小，剪切刀頭切入容易，因此，焊縫區(qū)域的塑性較大.

圖9 激光復(fù)合焊接頭各微區(qū)剪切性能曲線

Cr、Ni元素是不銹鋼的主要合金元素，對不銹鋼復(fù)合焊接頭進行EDS成分線掃描，結(jié)果如圖10所示.從焊縫中心到熔合區(qū)Ni元素分布均勻，Cr元素含量呈波動上升趨勢，且焊縫區(qū)域Cr、Ni含量均比母材區(qū)域略高，這是由于焊絲中添加了Cr、Ni元素.Cr是鐵素體形成元素，其含量的增加會導(dǎo)致焊縫組織中δ鐵素體增加，使焊縫區(qū)域強度逐步升高.

2.4 接頭拉伸性能

復(fù)合焊接頭不同區(qū)域材料的微拉伸試驗結(jié)果如表4所示.由表4可以看出，從焊縫中心到熱影響區(qū)，抗拉強度不斷上升，母材區(qū)域抗拉強度最高為1 066 MPa.焊縫區(qū)域強度最低，分析原因為復(fù)合焊過程能量密度集中，焊接速度快，導(dǎo)致焊縫區(qū)域組織冷卻結(jié)晶方向性強，有害元素在焊縫中不均勻分布出現(xiàn)偏析現(xiàn)象，降低了焊縫力學(xué)性能[15].同時，焊縫中難以規(guī)避氣孔等缺陷的存在，使得焊縫區(qū)域成為焊接接頭的薄弱地帶.

為驗證微拉伸試驗數(shù)據(jù)可靠性，參照GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗方法》，采用WDW3100微機控制電子萬能試驗機，設(shè)定拉伸速度為5 mm/min，對焊接件進行標(biāo)準(zhǔn)拉伸試驗，結(jié)果見表5.表5結(jié)果表明微拉伸得到的抗拉強度與標(biāo)準(zhǔn)拉伸試驗得到的結(jié)果數(shù)值相近.

圖10 激光復(fù)合焊接頭元素分布曲線

試樣距焊縫中心距離/mm編號抗拉強度Rm/ MPa平均抗拉強度R—m/ MPa W-17280W-2725728W-3732H-18192H-2882851H-3852H-19624H-2981970H-3968B-11 0556B-21 0671 063B-31 069B-11 0698B-21 0741 066B-31 058

表5 復(fù)合焊接頭標(biāo)準(zhǔn)拉伸試驗結(jié)果

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)作出焊接接頭微拉伸強度Rm與微型剪切強度τb和硬度HV10的相互關(guān)系如圖11所示，一次回歸處理后得到相關(guān)表達(dá)式如下.

1)微型剪切強度τb與微拉伸強度Rm關(guān)系為

τb=90.28+0.443Rm,

相關(guān)系數(shù)R=0.98.

2)硬度HV10與微拉伸強度Rm關(guān)系為

HV10= -159.56+0.454Rm,

相關(guān)系數(shù)R=0.94.

可見接頭微拉伸強度Rm與微型剪切強度τb及硬度HV10線性相關(guān)性良好.

Fig.11 The relationship between the properties of stainless steel welded joints

2.5 斷口分析

不銹鋼激光-MAG復(fù)合焊接頭各區(qū)域微型剪切和微拉伸斷口形貌見圖12所示，圖12(a)、(b)分別為焊縫和熱影響區(qū)微型剪切斷口形貌，可見斷口上細(xì)密分布著大量沿剪切方向而伸長呈拋物線狀的韌窩.韌窩大小形態(tài)各異，證明了焊縫和熱影響區(qū)組織的不均勻性[16].母材微型剪切斷口(圖12(c))被大量細(xì)小拉長的韌窩覆蓋，屬于微孔聚合型斷裂.復(fù)合焊接頭各區(qū)域微拉伸斷口(圖12(d)、(e)、(f))微觀形貌相似，斷口中分布著大量韌窩，大韌窩中還有許多小韌窩，說明微拉伸斷裂方式為韌性斷裂.

圖12 激光復(fù)合焊接頭各微區(qū)斷口形貌

Fig.12 Fracture morphology of hybrid welded joint ：(a)the micro-shear of WM；(b)the micro-shear of HAZ；(c)the micro-shear of BM；(d)the micro-tensile of WM；(e)the micro-tensile of HAZ；(f)the micro-tensile of BM

3 結(jié) 論

1)采用激光-MAG復(fù)合焊方式焊接SUS301L-HT奧氏體不銹鋼，得到的焊縫區(qū)域組織主要為柱狀奧氏體樹枝晶+少量的δ鐵素體.焊縫區(qū)平均硬度最低為175HV10，熱影響區(qū)的硬度分布呈上升趨勢且低于母材硬度值320HV10，其寬度約為3 mm.

2)采用維氏硬度、微型剪切和微拉伸試驗?zāi)軠?zhǔn)確得到焊接接頭各區(qū)域材料的力學(xué)性能參數(shù)，SUS301L-HT不銹鋼激光-MAG復(fù)合焊接頭各微區(qū)的剪切強度和抗拉強度由大到小分別為：母材>熱影響區(qū)>焊縫，接頭各微區(qū)硬度分布規(guī)律與強度變化趨勢一致.

3)SUS301L-HT不銹鋼激光-MAG復(fù)合焊接頭各區(qū)域剪切斷口和微拉伸斷口上均分布大量韌窩，表現(xiàn)為韌性斷裂.