化學(xué)鍍鎳316不銹鋼激光焊接裂紋研究

徐洪濤，齊冠然，張楠楠

（1.河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450064；2.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110870）

316不銹鋼具有耐性強(qiáng)、耐磨性好、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電子制造、石油、五金、化工、制藥等領(lǐng)域[1-2]。由于316不銹鋼表面局部鈍化膜薄弱，且表面易產(chǎn)生劃痕，導(dǎo)致其耐蝕性變差，影響其使用[3-5]。為了克服這些問題，擴(kuò)大316不銹鋼的使用范圍，通常對(duì)其表面進(jìn)行化學(xué)鍍鎳處理。低磷化學(xué)鍍鎳(P質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于4%)具有較好的可焊性，可在實(shí)際生產(chǎn)中大量使用，但在化學(xué)鍍鎳過程中引入P等元素容易產(chǎn)生低熔點(diǎn)的共晶物，導(dǎo)致焊縫中容易產(chǎn)生熱裂紋，這些裂紋將大幅降低焊接接頭的剪切強(qiáng)度。

激光焊接具有熱影響范圍小、焊縫深寬比大、焊縫強(qiáng)度高、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)以及生產(chǎn)加工效率高等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于304、316不銹鋼以及鋁合金等材料的焊接[6-14]。目前有關(guān)鍍鎳不銹鋼激光焊接的報(bào)道較少，表面鍍層改變了材料的表面特性，同時(shí)也會(huì)改變激光焊接時(shí)的冶金特征。

本文對(duì)鍍鎳316不銹鋼進(jìn)行激光焊接實(shí)驗(yàn)，研究了其表面化學(xué)鍍鎳層的P質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)焊縫剪切強(qiáng)度和微觀結(jié)構(gòu)的影響，為實(shí)際生產(chǎn)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

316不銹鋼試樣厚度0.2 mm，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：C 0.08%，Cr 16.0% ～ 18.0%，Ni 10.0% ～14.0%，Mo 2% ～ 3%，Mn≤2.0%，Si≤1.0%，F(xiàn)e余量。硫酸鎳、磷酸鈉、檸檬酸鈉、乙酸鈉以及硫脲均為化學(xué)純，未經(jīng)特殊處理。

1.2 化學(xué)鍍鎳

先用100目的砂紙打磨316不銹鋼，然后浸泡于堿洗液中15 min，再放入超聲清洗器中清洗，最后干燥備用。316不銹鋼化學(xué)鍍鎳基礎(chǔ)液的組成為：硫酸鎳(NiSO4)20 g/L，檸檬酸鈉10 g/L，乙酸鈉15 g/L，硫脲3 mg/L?；瘜W(xué)鍍鎳的溫度控制在70 ～ 75 °C，pH為4.5 ～ 5.0。在基礎(chǔ)鍍液中分別加入10 g/L、15 g/L以及20 g/L的磷酸鈉，得到P質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.2%、2.3%和3.4%的鎳?磷合金鍍層。

1.3 激光焊接

采用銳科RLF-P100M激光器對(duì)316鍍鎳不銹鋼進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)，焊接方式為搭接，以自制工裝夾具將待焊工件夾緊。通過大量的預(yù)實(shí)驗(yàn)可知：當(dāng)平均功率低于40 W時(shí)，無法焊接上，而當(dāng)平均功率大于60 W時(shí)，焊縫表面有過燒的情況；當(dāng)脈沖寬度低于30 ns時(shí)，由于熱量累積不夠，焊縫熔化不充分，剪切強(qiáng)度較低，而當(dāng)脈沖寬度高于90 ns時(shí)，熱量累積太多，焊縫表面氣化嚴(yán)重，剪切強(qiáng)度較低；當(dāng)焊接速率小于100 mm/s時(shí)，熱量累積太大，焊縫表面氣化嚴(yán)重，剪切強(qiáng)度較低，而當(dāng)焊接速率小于100 mm/s時(shí)，熱量累積較小，焊縫熔化不夠充分，剪切強(qiáng)度較低。為了達(dá)到最大焊縫剪切強(qiáng)度，以焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)平均功率、脈沖寬度、焊接速率這3個(gè)因素進(jìn)行正交優(yōu)化，得到最佳焊接工藝。

1.4 表征與測(cè)試

采用日立S-4800掃描電鏡(SEM)觀察鍍層的表面形貌；采用島津EPMA-8050G電子探針顯微分析儀分析鍍層中磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；采用北京北極星辰 XJB200金相顯微鏡觀察焊縫的微觀結(jié)構(gòu)。采用華拓WDW-20KN電子拉力試驗(yàn)機(jī)對(duì)焊縫進(jìn)行剪切力測(cè)試，試片尺寸為12.5 cm × 2.5 cm × 1.6 mm，單面搭接,搭接面長(zhǎng)度(12.5 ± 0.25) mm。以10 mm/min的恒定拉伸速率施加負(fù)荷，剪切強(qiáng)度W=F/A(其中F為破壞負(fù)荷，即焊縫拉破時(shí)的剪切力；A為焊縫搭接面積)。

2 結(jié)果與討論

2.1 最佳焊接工藝的確定

由表1的均值分析可知，激光平均功率50 W、脈沖寬度60 ns、焊接速率300 mm/s為最佳工藝參數(shù)，正好是表1中試驗(yàn)5的條件，對(duì)應(yīng)焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度最高。從極差分析可知，對(duì)焊縫剪切強(qiáng)度的影響因素由主到次依次為激光平均功率、焊接速率、脈沖寬度。

表1 正交試驗(yàn)結(jié)果和極差分析Table 1 Results of orthogonal test and range analysis

采用最佳工藝參數(shù)對(duì)鍍鎳層P的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%、2.3%，和3.4%的316不銹鋼進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)，它們的焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度分別為242、187和145 MPa。磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%時(shí)的焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度與未鍍鎳不銹鋼的焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度基本一致。

對(duì)未鍍鎳及鍍鎳的不銹鋼焊接接頭進(jìn)行焊縫切片分析，結(jié)果見圖 1。當(dāng)未鍍鎳以及鍍鎳不銹鋼的鍍層磷元素含量為1.2%時(shí)，焊縫中未見有裂紋產(chǎn)生，如圖1a所示，當(dāng)鍍鎳不銹鋼的鍍層磷元素含量為2.3%時(shí)，焊縫中有輕微裂紋產(chǎn)生，如圖1b所示，當(dāng)鍍鎳不銹鋼的鍍層磷元素含量為3.4%時(shí)，焊縫中裂紋較明顯。隨著磷在質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，焊縫中的裂紋增大，焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度逐漸降低。

圖1 鍍層中磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%或1.2%(a)、2.3%(b)和3.4%(c)時(shí)焊縫截面的典型金相照片F(xiàn)igure 1 Typical cross-sectional metallographs of welding seams when there were 0% or 1.2wt.% (a), 2.3wt.% (b), and 3.4wt.%(c) of phosphorus in coating, respectively

2.2 激光焊接微觀結(jié)構(gòu)分析

從圖2可知，鍍層磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.2%時(shí)，焊縫中未見熱影響區(qū)與熔合區(qū)之間的熔合線，相對(duì)于母材，熱影響區(qū)及熔合區(qū)的晶粒均顯著細(xì)化，由于再結(jié)晶后快速冷卻，在熔合區(qū)生長(zhǎng)的晶粒極細(xì)小，并且向熱影響區(qū)外延生長(zhǎng)，主要由馬氏體、細(xì)小鐵素體等組成。鍍層磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.3%時(shí)，焊縫處熱影響區(qū)的晶粒明顯大于熔合區(qū)的晶粒，由殘余奧氏體及鐵素體晶粒組成。鍍層磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.4%時(shí)，焊縫的組織形貌與鍍層磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.3%時(shí)較接近。隨著鍍層磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，熔合區(qū)晶粒間的結(jié)合力降低，且冷卻速率急劇變化，導(dǎo)致焊縫在冷卻凝固過程中易出現(xiàn)裂紋。

圖2 鍍層中磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%或1.2%(a)、2.3%(b)和3.4%(c)時(shí)焊縫的典型SEM照片F(xiàn)igure 2 Typical SEM images of weld seams when there were 0% or 1.2wt.% (a), 2.3wt.% (b), and 3.4wt.% (c) of phosphorus in coating, respectively

從圖3可知，鍍層的磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%時(shí)，焊縫中心的EDS譜圖上有磷峰存在，但不突出，引入到焊縫中的磷較少，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.7%。鍍層的磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.3%時(shí)，焊縫中心EDS譜圖上的磷峰較明顯，較多的磷被引入到焊縫中，此時(shí)磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為 1.5%。鍍層中磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 3.4%時(shí)，焊縫中心 EDS譜圖上的磷峰非常明顯，大量磷被引入到焊縫中，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為 3.5%。在激光加熱焊接過程中，不銹鋼表面鍍層中的磷元素會(huì)熔合到焊縫中，與鐵、鎳生成低熔點(diǎn)的共晶物，易使焊縫產(chǎn)生裂紋，進(jìn)而降低焊縫的剪切強(qiáng)度。

圖3 鍍層中磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%或1.2%(a)、2.3%(b)和3.4%(c)時(shí)焊縫中心的典型EDS譜圖Figure 3 Typical EDS spectra for the centers of weld seams when there were 0% or 1.2wt.% (a), 2.3wt.% (b),and 3.4wt.% (c) of phosphorus in coating, respectively

3 結(jié)論

(1) 通過調(diào)節(jié)鍍液中磷酸鈉的質(zhì)量濃度，在不銹鋼表面化學(xué)鍍得到磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.2%、2.3%和3.4%的鍍層，再對(duì)不銹鋼進(jìn)行激光焊接。激光焊接的較佳工藝參數(shù)為：激光功率50 W，脈沖寬度60 ns，焊接速率200 mm/s。該條件下焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度最高，為243 MPa。

(2) 隨著鍍層磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，熔合區(qū)晶粒間的結(jié)合力降低，且冷卻速率急劇變化，導(dǎo)致焊縫在冷卻凝固過程中易產(chǎn)生焊接裂紋。鍍層磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.2%時(shí)，焊縫中無裂紋，組織結(jié)構(gòu)和焊縫剪切強(qiáng)度與未鍍鎳不銹鋼基本一致。