噴丸和等離子噴涂對不銹鋼激光焊接組織和性能的影響

田志平，高海生

（沈陽煤業(yè)（集團）機械制造有限公司，遼寧 沈陽 110123）

引言

傳統(tǒng)的焊接工藝在焊接效率、高熱量輸入和焊接熔深方面存在局限性[1]。激光束焊接由于焊接熔深低，熱輸入低，焊接效率高[2]，因此被用作促進焊接工藝。全奧氏體不銹鋼焊接的主要問題是熱裂紋和影響產(chǎn)品性能、幾何形狀的殘余應力。

本文采用激光束焊接2 mm厚超奧氏體不銹鋼板材噴丸處理的等離子噴涂方法對不銹鋼激光焊接組織和性能的影響進行研究。采用激光束焊接超奧氏體不銹鋼薄板，獲得了較低的熱輸入、焊接速度和焦距。采用了等離子噴涂方法提高了冶金和機械性能。在熔合區(qū)進行拉伸試驗，在As焊件、噴丸焊件和等離子噴涂焊件中計算了連接強度。

1 超級奧氏體不銹鋼板的實驗研究

采用激光束焊接方法對150 mm×150 mm×2 mm厚的超級奧氏體不銹鋼（SASS）板材進行了研究。通過激光束焊接在基材的兩側施加低熱輸入。全穿透深度采用束流功率900 W、焊接速度250 mm/min、焊接焦距8 mm的工藝參數(shù)實現(xiàn)。利用光學顯微鏡（OM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、能量色散X射線（EDAX）和X射線衍射技術（XRD），在熔合區(qū)、熱影響區(qū)和基底金屬進行了冶金研究。

2 結果和分析

2.1 基材

對于母材奧氏體不銹鋼，觀察到60%的奧氏體和40%的鐵素體。微觀結構研究取決于奧氏體和鐵素體邊界結構。母材C、Cr、Mn、Ni和氧氣的化學成分較高，這增加了環(huán)境條件下的腐蝕速率。熱輸入應用于母材，奧氏體α相轉化為孿晶界。與鐵素體（α）邊界相比，奧氏體（γ）邊界產(chǎn)生了主要的分裂，而母材上沒有形成其他裂紋。

2.2 焊件和噴丸焊件激光焊接的冶金研究

熔合區(qū)未形成裂紋。熔合區(qū)采用了低熱輸入，但奧氏體晶界轉變?yōu)閷\晶界和相結構。鐵、碳、鉻、錳元素是α相的決定因素，因為α+β相轉化為α'馬氏體結構。在激光焊接過程中，奧氏體生長加快，熔合區(qū)和熱影響區(qū)的鐵素體晶界速率逐漸降低。鐵素體含量比的相位通過使用母材的低熱輸入而降低，而基本元素特性沒有產(chǎn)生重大變化.在熔合區(qū)和熱影響區(qū)實施的快速冷卻方法是形成優(yōu)質焊接件的氧還原的主要原因。熔合區(qū)未形成CrN和Cr2N，晶界增大，材料含氧量降低。噴丸處理后，晶界生長增加，而且粗晶界恢復為孿晶界和α'馬氏體。

2.3 等離子涂層焊接件的冶金研究

與噴丸焊接件相比，等離子涂層樣品中觀察到更多的晶界生長。8 mm噴丸焊件的體積逐漸增加，盡管12 mm PS涂層焊件的尺寸增加了晶粒生長厚度，高熱量輸入應用于熔合區(qū)，而通過α'奧氏體恢復為α'馬氏體和B相。PS涂層材料減少了熔合區(qū)的氧元素，這是熔合區(qū)、熱影響區(qū)和母材處孔洞和內(nèi)部裂紋矯正的原因，因為形成了α'馬氏體和β'第二相。

2.4 焊件的力學性能

2.4.1 硬度測量

如下頁圖1所示，作為焊接件，觀察到熔合區(qū)的硬度值（HV）為235，這是由于奧氏體重新形成孿晶界和粗晶界[3]。熱輸入使粗晶界坍塌，轉變?yōu)棣?奧氏體顯微組織，從而使熱影響區(qū)的硬度值（HV）降低到210。熔合區(qū)的噴丸工藝改善了晶粒生長，并形成了孿晶界，在該孿晶界處，噴丸焊接件的平均熔合區(qū)硬度值（HV）在284下獲得。熱影響區(qū)的硬度值（HV）為268，由于熱影響區(qū)的硬度值降低，奧氏體和孿晶界轉變?yōu)榇渭墛W氏體。噴丸焊件的硬度值與焊接狀態(tài)焊件相比提高了11%。

圖1 激光束焊接超奧氏體不銹鋼焊件、噴丸焊件和等離子涂層焊件的維氏顯微硬度

在PS涂層焊件的熔合區(qū)，硬度值（HV）達到321。由于在PS焊接件的熔合區(qū)和熱影響區(qū)施加高熱量輸入，奧氏體轉變?yōu)轳R氏體和B相。PS涂層焊接件的硬度值比焊接態(tài)焊件的硬度值提高了23%。硬度值測量表明，大部分失效形成于熱影響區(qū)。

2.4.2 拉伸分析

如圖2所示，所有拉伸失效均發(fā)生在熱影響區(qū)，熔合區(qū)顯示出比熱影響區(qū)更好的接頭強度，因為大部分晶界生長恢復為粗晶界和α'奧氏體結構[4]。焊態(tài)焊件的抗拉強度達到856 MPa，表明其延伸強度高于同質結構材料。噴丸焊接件的抗拉強度為955 MPa，熔合區(qū)和熱影響區(qū)未形成其他裂紋和孔洞。如圖3所示，在熔合區(qū)、熱影響區(qū)和母材上實施了雙面噴丸方法，以減輕材料的內(nèi)應力，并改善熔合區(qū)的機械性能和微觀結構。噴丸處理后，熔合區(qū)硬度值緩慢增加，奧氏體晶界組織轉變?yōu)棣?馬氏體和O相，噴丸焊件的延伸強度比焊接態(tài)焊件提高了13%。

圖2 激光焊接超奧氏體不銹鋼板的殘余應力圖像

圖3 超奧氏體不銹鋼薄板的熔合區(qū)出現(xiàn)了所有斷裂的拉伸

PS涂層焊接件的抗拉強度達到1 012 MPa。與焊態(tài)焊接件相比，PS涂層焊接件的延伸強度提高了26%。由于在熔合區(qū)、熱影響區(qū)和母材中應用PS涂層，孔洞和裂紋被清除。噴丸和PS涂層有助于降低內(nèi)應力，從而增加焊接件的伸長率。

2.4.3 彎曲分析

由于奧氏體晶界轉變?yōu)棣?馬氏體和S形，在熔合區(qū)和熱影響區(qū)未觀察到裂紋和孔洞的形成。激光焊接的低熱輸入不影響晶界和相結構，而α'奧氏體強度在熔合區(qū)被放大。熔合區(qū)的殘余壓應力增加了熔合區(qū)和熱處理區(qū)的硬度值，影響區(qū)和α'奧氏體轉變?yōu)閷\晶界和B相。熔合區(qū)、熱影響區(qū)和母材的嚴重噴丸處理過程糾正了裂紋、孔洞和韌窩。熔合區(qū)的硬度值高于母材的硬度值。等離子涂層焊件在熔合區(qū)和熱影響區(qū)的高熱輸入使奧氏體晶界完全恢復為α'馬氏體和β/β'相,未在熔合區(qū)產(chǎn)生CrN和Cr2N。彎曲試驗分析觀察表明，焊件、噴丸焊件和等離子涂層焊件中未形成其他裂紋。

3 結論

1）激光束焊接的顯微組織研究表明，由于在熔合區(qū)應用低熱量輸入，α奧氏體晶界轉變?yōu)閷\晶界和α'馬氏體組織。

2）在等離子涂層焊接件中，高熱量輸入降低了材料的含氧量，粗晶界和α/β奧氏體界轉變?yōu)锽相和O相。

3）等離子涂層焊接件的硬度值在焊接件中顯示出23%的提高值，這是由于熔合區(qū)鐵素體相的變化以及大量熱輸入將奧氏體結構轉化為α'-Cr，α'-Mo層。

4）拉伸失效表明，等離子涂層焊件和噴丸焊件的延伸率分別比焊態(tài)焊件提高26%和13%，斷口形貌顯示微空洞、韌窩和主要空洞。

5）彎曲研究表明，所有焊接件中均未產(chǎn)生其他裂紋和孔洞，因此，噴丸焊接件、PS涂層焊接件和母材中未形成CrN和Cr2N。