316L不銹鋼SLM件與鍛件的激光焊接頭微觀組織與性能

丁宏德， 朱春明， 唐斌， 顧小燕

(1.江蘇科技大學(xué),江蘇 鎮(zhèn)江 212003； 2.江蘇科技大學(xué)國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；3.重慶長安工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，重慶 401120)

0 前言

增材制造技術(shù)是一種特殊的加工技術(shù)，在三維結(jié)構(gòu)的快速、靈活制造方面具有極大的優(yōu)勢。選擇性激光熔化成形(Selective laser melting, SLM)是具有代表性的一種，它具有表面粗糙度好、幾何精度高的特點(diǎn)，特別適用于制造復(fù)雜程度高的小型零件[1-2]。研究人員對SLM材料的力學(xué)性能、疲勞性能、斷裂韌性、腐蝕性能等進(jìn)行了大量的研究。結(jié)果表明：SLM成形件表現(xiàn)出與鑄件類似甚至優(yōu)于鑄件的性能[3-6]。然而，大型SLM設(shè)備比較昂貴，對大尺寸SLM件的缺陷和尺寸精度難以控制以及SLM件的復(fù)雜熱加工過程導(dǎo)致較大的殘余應(yīng)力等因素限制了SLM在大型零部件上的應(yīng)用。因此，考慮將小的SLM成形件連接成大尺寸的零件使其不受尺寸的限制是一種有效的途徑。

國內(nèi)外學(xué)者們采用焊接技術(shù)對鋁合金、不銹鋼、鈦合金和高溫合金等材料的SLM成形件進(jìn)行了連接，并對其工藝適應(yīng)性、接頭微觀組織及性能進(jìn)行了研究[7-15]。試驗(yàn)結(jié)果表明：在焊接工藝合適的條件下，SLM成形件展現(xiàn)出良好的焊接性，焊接接頭抗拉強(qiáng)度接近軋制板，斷后伸長率低于軋制板，無焊接缺陷和氣孔，焊接效果可與普通軋制板焊件相媲美，完全滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

綜上所述，SLM成形件的連接技術(shù)在一定程度上擴(kuò)大了SLM技術(shù)的應(yīng)用范圍，但其低生產(chǎn)率和高成本仍制約著SLM技術(shù)的發(fā)展。有必要采取一些措施來解決這個(gè)問題。對于一些尺寸大、精度要求低的非關(guān)鍵零件，采用傳統(tǒng)的鍛造或鑄造工藝是可行的，尺寸小、精度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的關(guān)鍵零件采用SLM成形技術(shù)制造，最后，鍛制或鑄造的部件與SLM成形件連接在一起，形成一個(gè)整體。在保證結(jié)構(gòu)可靠性的前提下，降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。該技術(shù)將促進(jìn)SLM技術(shù)的發(fā)展。然而，在這一領(lǐng)域的相關(guān)研究還很有限。

將3 mm厚的316L不銹鋼軋制板與SLM成形板進(jìn)行激光焊接，探討激光焊接連接的可行性，并對焊接接頭的焊接工藝、組織和性能進(jìn)行了研究。為大型復(fù)雜零件的大規(guī)模、高質(zhì)量、復(fù)雜成形提供了一種簡單可行的方法。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 SLM過程

SLM試驗(yàn)在工業(yè)級3D打印機(jī)EOS M290上進(jìn)行，該試驗(yàn)系統(tǒng)包括一個(gè)連續(xù)波鐿摻雜光纖激光器(最大輸出功率400 W)、一個(gè)自動送粉裝置、一個(gè)3D搭建平臺和一套控制系統(tǒng)。試驗(yàn)的原始材料為氣霧化法制備的316L不銹鋼粉末，粉末粒度在20～50 μm范圍內(nèi)?；瘜W(xué)成分見表1，粉末形態(tài)如圖1所示。從圖中可以看出，粉末呈球形，呈衛(wèi)星狀分布，熔融金屬的快速流動和凝固使得粉末顆粒表面形成樹枝狀網(wǎng)絡(luò)。

表1 316L不銹鋼粉末化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖1 316L不銹鋼粉末顆粒微觀形貌

在進(jìn)行SLM試驗(yàn)前，將粉末放置在烘箱中加熱100 ℃以上干燥2～4 h，去除粉末中的水分以便保持良好的流動性，保證SLM過程的順利進(jìn)行。采用同成分的316L不銹鋼塊體作為SLM成形基底，以消除基底化學(xué)成分帶來的影響。此外，使用前對基底進(jìn)行噴砂處理以去除表面油漬和毛刺。在氧濃度控制在0.005%以下的氬氣環(huán)境下，通過3D打印機(jī)將氣霧化的球形316L粉末逐層沉積在基體上。為獲得高質(zhì)量SLM成形件，經(jīng)過多次工藝參數(shù)優(yōu)化得到無缺陷高密度SLM塊體，具體試驗(yàn)參數(shù)見表2。在水平方向和垂直方向分別打印尺寸為65 mm×30 mm×25 mm的長方體試樣，如圖2所示。在SLM完成之后，將長方體樣品從基底上切割下來，并在真空爐里加熱至650 ℃保溫2 h進(jìn)行退火處理以釋放殘余應(yīng)力。將應(yīng)力消除后的SLM成形件通過線切割切成尺寸為65 mm×30 mm×3 mm的薄板備用。

表2 SLM 試驗(yàn)參數(shù)

圖2 SLM成形塊體

1.2 激光焊接

為了便于表征，建立如圖3所示的坐標(biāo)系，其中xoy平面垂直于打印方向，z軸平行于打印方向。定義垂直于打印方向的板為水平平面，其與鍛件之間焊接形成的焊縫為W1；平行于打印方向的板為垂直平面，其與鍛件之間焊接形成的焊縫為W2。此外，為便于比較，還引入兩個(gè)鍛件之間的焊縫作為參考，定義為W3。

圖3 三種焊縫示意圖

試驗(yàn)采用最大功率6 kW的光纖激光器(IPG YLS.6000.S2T)，波長為1 070 nm。在焊接過程中，激光束通過直徑為200 mm的纖芯傳輸，經(jīng)過直徑為310 mm的透鏡進(jìn)行聚焦，聚焦半徑為0.35 mm。焊接配套設(shè)備為ABB六軸機(jī)器人，激光器為多模式連續(xù)輸出。焊接材料分別為3 mm厚的316L不銹鋼SLM成形件和316L不銹鋼軋制板。焊接前，對試樣表面打磨處理去除氧化膜。激光頭偏離垂直方向傾斜5°，避免激光束反射對鏡頭造成損傷。試驗(yàn)所使用的保護(hù)氣體為99.99%純度的氬氣。具體焊接工藝參數(shù)見表3。

表3 焊接工藝參數(shù)

1.3 組織和性能表征

試驗(yàn)用阿基米德法測得每個(gè)樣品的密度3次，取平均值作為樣品的密度值。金相試樣研磨拋光后，用王水蝕刻10 s觀察金相。用光學(xué)顯微鏡(HAL1000)和掃描電子顯微鏡(JSM-6480)對其宏觀形貌和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。利用Everonese MH5顯微硬度計(jì)測試接頭各部位的顯微硬度。焊接接頭的拉伸試驗(yàn)按照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 316L不銹鋼SLM成形件微觀組織和性能

通過試驗(yàn)測得，水平方向的SLM成形件密度為7.92 g/cm3，垂直方向的SLM成形件密度為7.93 g/cm3，與軋制板密度(7.96 g/cm3)基本相等。這表明，在適當(dāng)?shù)膮?shù)條件下，SLM成形件可以達(dá)到與鍛件相似的致密度，且不受打印方向的影響。

316L不銹鋼橫向、縱向SLM成形件與鍛件的微觀結(jié)構(gòu)如圖4所示。316L不銹鋼鍛件在垂直方向和橫向方向具有相同的組織，如圖4a所示，即較為均勻的等軸奧氏體組織。圖4b，圖4c分別為 316L 不銹鋼SLM縱向打印平面和橫向打印平面的顯微結(jié)構(gòu)，可以看出，316L 不銹鋼SLM成形件的微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出明顯的各向異性特征。SLM成形件的微觀形貌顯示，粉末完全熔化，沒有大的孔隙或裂紋存在，在層與層之間形成了較強(qiáng)冶金結(jié)合。從熔合線的邊界可以清楚地觀察到相鄰熔池和層間的重疊。SLM垂直平面上分布著寬度和深度約為110 μm和60 μm的周期性魚鱗狀熔池，各熔池大小和形態(tài)基本相同。SLM橫向平面上晶粒呈條狀分布，生長方向垂直于熔池底部。相鄰熔池在垂直和水平方向上均有一定比例的重疊，保證了層間的致密度和冶金結(jié)合。圖4d為垂直平面上重疊區(qū)域及非重疊區(qū)域的放大顯微結(jié)構(gòu)。在這些區(qū)域可以觀察到內(nèi)部的在多個(gè)熔池邊界的交互影響下組織易呈現(xiàn)出等軸胞狀組織即垂直堆疊平面生長組織(A)及界面兩側(cè)的樹枝狀晶體(B)。在凝固過程中，最大溫度梯度和最佳晶體取向的綜合作用導(dǎo)致枝狀晶粒沿著垂直于固液界面的方向向熔池中心生長，取向明顯。顯微組織以定向凝固和外延生長為特征，主要由柱狀和胞狀晶體組成，無氣孔、裂紋、偏析等缺陷。SLM是在前一凝固層的基礎(chǔ)上形成后一凝固層的快速凝固過程。越接近凝固層的底部，溫度梯度越大，熱量就會沿著這個(gè)方向散失。因此，SLM過程中形成的柱狀晶體呈現(xiàn)出典型的沿散熱方向外延生長的特征。

圖4 316L不銹鋼微觀組織

2.2 接頭宏觀形貌及微觀組織

表4列出了激光焊焊縫W1，W2，W3的正面、背面表面形貌及橫截面?？梢钥吹?，焊縫表面和背面均光滑均勻，無宏觀焊接缺陷。焊接接頭的橫截面形貌表現(xiàn)為上寬—中窄—下寬的激光深熔焊接的典型特征。由于無填充材料，焊縫根部的熔化金屬在重力作用下向下流動，導(dǎo)致焊縫表面出現(xiàn)輕微的咬邊和凹陷。母材、焊縫區(qū)、熔合區(qū)可以明顯區(qū)分，但沒有明顯的熱影響區(qū)(HAZ)。SLM一側(cè)的熔合線相比鍛件一側(cè)更為清晰。接頭內(nèi)未觀察到明顯的裂紋、氣孔、未熔透等缺陷，說明SLM成形件與鍛件的連接是可行的，可獲得可靠的焊縫。

表4 激光焊焊縫正反面表面形貌及接頭橫截面

W1的宏觀截面形貌及各區(qū)域的微觀組織如圖5所示。接頭成形良好，熔合線清晰，焊縫基本無氣孔、裂紋等缺陷(圖5a)。圖5b為接頭SLM與焊縫過渡一側(cè)上緣區(qū)域(A區(qū))的微觀結(jié)構(gòu)，可以觀察到接頭基本無熱影響區(qū)，焊縫邊緣密集排列著一層柱狀樹突，垂直于熔合線生長。遠(yuǎn)離焊縫邊緣處，焊縫晶粒形貌由柱狀枝晶逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶。軋制板一側(cè)的特征是垂直于熔合線的細(xì)柱狀晶體的生長，不過不如SLM一側(cè)明顯(圖5c)。圖5d為焊縫頂部中心區(qū)域(C區(qū))的微觀組織。在焊縫中心附近，SLM側(cè)與鍛件側(cè)之間存在明顯的邊界。SLM側(cè)的顯微結(jié)構(gòu)中有柱狀枝晶和不同形態(tài)的等軸晶，均向中心線方向分布。鍛件側(cè)焊縫整體呈柱狀樹枝狀，晶粒較SLM側(cè)細(xì)小。影響焊縫金屬凝固組織的主要因素是溫度梯度，溫度梯度會導(dǎo)致材料過冷區(qū)較大，容易形成胞狀晶體。相反，較低的溫度梯度導(dǎo)致柱狀樹枝狀晶體。由此可以推斷，SLM成形件一側(cè)的溫度梯度較大，散熱較快。但隨著離焊縫中心距離的增加，溫度發(fā)生了變化。焊接接頭底部區(qū)域的組織如圖5e(D區(qū))所示，可以看到底部出現(xiàn)了較細(xì)的晶粒。由于焊縫底部熱導(dǎo)率快，高溫停留時(shí)間短，晶粒沒有足夠的時(shí)間長大，使得細(xì)小的等軸晶粒呈區(qū)域分布。

圖5 316L不銹鋼SLM成形件與鍛件激光焊接接頭各區(qū)域微觀組織

2.3 力學(xué)性能

焊接接頭的性能是判斷材料可焊性的重要依據(jù)。這部分測試了焊接接頭的顯微硬度和拉伸性能，并結(jié)合組織特征分析進(jìn)一步說明了SLM成形件與鍛件的可焊性以及各向異性對焊接接頭性能的影響。圖6為316L 不銹鋼 SLM成形件與鍛件激光焊接接頭的顯微 硬度分布?？梢钥闯觯附咏宇^的顯微硬度由SLM側(cè)向鍛件側(cè)呈逐漸降低的趨勢。SLM側(cè)的顯微硬度在230 HV左右，焊縫中心處顯微硬度下降到190 HV左右，至鍛件側(cè)顯微硬度下降到150 HV左右。從整個(gè)焊縫的顯微硬度分布可以看出，SLM側(cè)的顯微硬度約為鍛件的1.5倍，這是因?yàn)镾LM側(cè)的溫度梯度較大，冷卻速率較高，獲得的組織較細(xì)。

圖6 接頭顯微硬度分布

圖7為不同316L不銹鋼試樣的抗拉強(qiáng)度和截面收縮率。顯然，316L不銹鋼SLM成形件的微觀結(jié)構(gòu)各向異性使得其在水平方向和垂直方向的拉伸性能有所不同。水平方向SLM成形件的抗拉強(qiáng)度略高于垂直方向的SLM成形件，兩者的抗拉強(qiáng)度均優(yōu)于鍛件。垂直方向的斷面收縮率略高于水平方向的斷面收縮率，但均低于鍛件的斷面收縮率，約為鍛件的70%～75%。對于激光焊接接頭來說，W1和W2的抗拉強(qiáng)度均接近于鍛件，但優(yōu)于W3，說明激光焊接變形件的激光焊接接頭可以滿足較高的強(qiáng)度要求。焊接接頭拉伸件斷后伸長率低于SLM成形件和鍛件，約為SLM成形件的62%，鍛件的45%左右。

圖7 不同316L不銹鋼試樣的抗拉強(qiáng)度和斷面收縮率

拉伸試樣的斷裂均發(fā)生在焊縫處，斷裂處有明顯的頸縮現(xiàn)象。3種接頭斷裂具有典型的韌性破壞特征，由大量的小韌窩組成，如圖8～圖10所示。W1和W2接頭的韌窩尺寸與W3的韌窩尺寸相近，這也說明3種接頭的韌度相近。

圖8 W1拉伸斷面的微觀形貌

圖9 W2拉伸斷面的微觀形貌

圖10 W3拉伸斷面的微觀形貌

3 結(jié)論

(1)316L 不銹鋼SLM成形件與鍛件可焊性好，無明顯缺陷。激光焊接接頭和316L 不銹鋼SLM成形件的顯微組織為柱狀晶粒內(nèi)的奧氏體基體中的胞狀枝晶。

(2)與316L 不銹鋼SLM成形件相比，激光焊接接頭表現(xiàn)出較粗的枝晶組織、較低的顯微硬度以及拉伸性能。該接頭的抗拉強(qiáng)度接近于鍛件，伸長率約為鍛件的一半。316L 不銹鋼SLM成形件與鍛件激光焊接接頭在力學(xué)性能上滿足實(shí)際應(yīng)用要求。

(3)SLM成形件各向異性對激光焊接接頭組織和力學(xué)性能的影響不大。沿打印方向進(jìn)行激光焊接，可以得到較細(xì)的樹枝狀結(jié)構(gòu)和稍高的拉伸性能。