激光焊工藝參數(shù)對(duì)馬氏體不銹鋼焊縫成形與組織的影響

雷柯， 曹振東， 蘇萬(wàn)君

(1.成都四威高科技產(chǎn)業(yè)園有限公司,四川 成都 610000；2.中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)航空彈藥研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱150000；3.盤(pán)錦北方瀝青股份有限公司，遼寧 盤(pán)錦124000)

0 前言

0Cr13Ni5Mo鋼作為含有一定Mo元素的馬氏體不銹鋼，具有耐高溫、耐腐蝕、優(yōu)異力學(xué)性能和焊接性能等特性，廣泛地應(yīng)用于核電、石油機(jī)械、閥門(mén)、精密器械、生物制藥、醫(yī)療器械等領(lǐng)域[1-5]。

激光焊是一種高效、自動(dòng)化及優(yōu)質(zhì)的熔化焊方法，適用于精密結(jié)構(gòu)的焊接領(lǐng)域[6-11]。焊接工藝參數(shù)影響焊縫成形與組織[7]，進(jìn)而影響焊接接頭工程結(jié)構(gòu)件的服役性能。然而，在工程應(yīng)用中，關(guān)于0Cr13Ni5Mo鋼激光焊工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形與微觀組織的影響方面的內(nèi)容缺少系統(tǒng)的研究。

以0Cr13Ni5Mo鋼作為焊接試驗(yàn)材料，采用激光焊方法，探討激光功率、焊接速度及離焦量等焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形與組織的影響規(guī)律，為0Cr13Ni5Mo鋼的高效化激光焊工程應(yīng)用提供一定的理論和試驗(yàn)指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)選用的母材為0Cr13Ni5Mo鋼，尺寸為 250 mm×80 mm×8 mm，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。焊接試驗(yàn)所用設(shè)備為 IPG Photonics 生產(chǎn)YLS-2000激光發(fā)生器。試驗(yàn)采用Ar保護(hù)氣體，氣體流量為14 L/min，設(shè)置不同的激光功率、焊接速度、離焦量完成焊接試驗(yàn)，具體焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 0Cr13Ni5Mo鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 焊接工藝參數(shù)

采用倒置式金相顯微鏡(Axio Observer 3m型)觀察焊縫及熱影響區(qū)的顯微組織。利用體式顯微鏡(OLYMPUS SZX16型)測(cè)量焊縫的熔深和熔寬，計(jì)算深寬比。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 激光功率對(duì)焊縫成形的影響

當(dāng)焊接工藝參數(shù)中的離焦量-2 mm、焊接速度10 m/min時(shí)，研究激光功率對(duì)焊接接頭焊縫成形的影響規(guī)律。圖1為不同激光功率下焊縫的表面形貌。由圖1可以看出，焊縫表面成形良好，并且焊縫的寬度隨著激光功率的增大而逐漸增大。圖2為不同激光功率下焊縫橫截面形貌。利用熔深與熔寬的比值，分析深寬比的變化規(guī)律。由圖2可以看出，當(dāng)離焦量和焊接速度一定時(shí)，焊縫的熔深、熔寬和深寬比隨著激光功率的增大而增加。分析焊縫成形尺寸變化的原因：激光功率的增加導(dǎo)致焊接熱輸入增大，因此焊縫的熔寬增大。

圖1 不同激光功率下焊縫的表面形貌

圖2 不同激光功率下焊縫的橫截面形貌

激光功率增加使得焊接熱輸入和激光對(duì)熔池金屬的作用力增大，導(dǎo)致焊縫熔深增加。當(dāng)其他工藝參數(shù)恒定時(shí)，隨著激光功率的增加，焊縫出現(xiàn)了匙孔特征的深熔化焊縫形貌，深寬比增大。

當(dāng)激光功率從0.5 kW增加至2.0 kW時(shí)，焊縫的熔深、熔寬和深寬比分別增加了約8倍、2倍、2倍，如圖3所示。當(dāng)激光功率低于0.5 kW時(shí)，焊縫表現(xiàn)為熱導(dǎo)焊；當(dāng)激光功率大于1.5 kW時(shí)，焊縫表現(xiàn)為深熔焊。

圖3 激光功率對(duì)焊縫幾何形狀的影響

2.2 焊接速度對(duì)焊縫成形的影響

當(dāng)激光功率2.0 kW、離焦量-2 mm為恒定值時(shí)，研究焊接速度變化對(duì)焊接接頭焊縫成形的影響規(guī)律。圖4為不同焊接速度下焊縫表面形貌。由圖4可以看出，焊縫熔寬隨著焊接速度的增大而逐漸減小。

圖4 不同焊接速度下焊縫表面形貌

圖5為不同焊接速度下焊縫的橫截面形貌。由圖5可以看出，當(dāng)激光功率和離焦量一定時(shí)，焊縫的熔深和熔寬隨著焊接速度的增大而降低。分析焊縫成形尺寸變化的原因：焊接速度增加，焊接熱輸入降低，激光停留時(shí)間短，因此焊縫熔寬和熔深逐漸降低。

圖5 不同焊接速度下焊縫的橫截面形貌

當(dāng)焊接速度從5 m/min增加至30 m/min時(shí)，焊縫的熔寬和熔深分別降低了89%和72%，深寬比表現(xiàn)為先降低后增加的變化規(guī)律，如圖6所示。雖然焊縫的熔寬和深熔隨著焊接速度的增加而降低，但是深寬比隨著焊接速度的增加而呈現(xiàn)出先降低后增加的變化規(guī)律。深寬比是焊縫的熔深與熔寬的綜合作用的結(jié)果，熔寬增加的幅度低于熔深增加的幅度，因此深寬比增大。分析原因是：當(dāng)激光功率恒定時(shí)，激光對(duì)熔池金屬的作用力一定，焊接速度的變化影響焊接熱輸入而不影響熔池金屬的作用力，因此深寬比隨著焊接速度的增加而增加。

圖6 焊接速度對(duì)焊縫幾何形狀的影響

2.3 離焦量對(duì)焊縫成形的影響

當(dāng)激光功率2 kW、焊接速度5 m/min為恒定值時(shí)，分析激光的離焦量變化對(duì)焊縫成形的影響規(guī)律。圖7和圖8為離焦量分別為0 mm，-2 mm時(shí)焊縫的表面形貌和橫截面形貌。由圖7和圖8可以看出，適當(dāng)?shù)亟档图す獾碾x焦量，有利于激光的高能量密度作用于金屬表面以下一定深度，因此焊縫的熔寬降低、熔深增大。

圖7 不同離焦量下焊縫表面形貌

圖8 不同離焦量下焊縫的橫截面形貌

2.4 激光功率對(duì)顯微組織的影響

焊接工藝參數(shù)影響焊縫顯微組織[12]。文中研究激光功率和焊接速度對(duì)焊縫區(qū)微觀組織的影響規(guī)律。圖9為離焦量和焊接速度恒定時(shí)，不同激光功率下焊縫的顯微組織形貌。當(dāng)激光功率0.5 kW時(shí)，焊縫顯微組織由黑色粗大板條低碳馬氏體和白色片狀鐵素體組成，如圖9a所示。隨著激光功率的增大，焊縫組織的焊接熱輸入增加，板條馬氏體變得粗大，同時(shí)焊縫晶粒密度降低，如圖9d所示。

圖9 不同激光功率下焊縫的組織形貌

圖10為離焦量和激光功率恒定時(shí)，不同焊接速度下焊縫的顯微組織形貌。當(dāng)焊接速度為5 m/min時(shí)，焊縫顯微組織是由粗大馬氏體和鐵素體組成，如圖10a所示。當(dāng)焊接速度為30 m/min時(shí)，馬氏體組織變得小而密集，鐵素體間隙變小，使得組織更穩(wěn)定，如圖10d所示。

圖10 不同焊接速度下焊縫的組織形貌

3 結(jié)論

(1)當(dāng)焊接速度和離焦量恒定時(shí)，焊縫的熔深、熔寬和深寬比隨著激光功率的增大而增加。焊縫的熔深、熔寬和深寬比分別最高增加了約8倍、2倍、2倍。

(2)當(dāng)激光功率和離焦量恒定時(shí)，焊縫的熔深和熔寬隨著焊接速度的增大而降低，熔寬和熔深分別降低了89%和72%。

(3)當(dāng)激光功率和焊接速度恒定時(shí)，降低激光的離焦量，焊縫的熔寬降低、熔深增大。

(4)當(dāng)焊接速度和離焦量恒定時(shí)，隨著激光功率的增大，焊縫中板條馬氏體變得粗大，晶粒密度降低。

(5)采用大激光功率、負(fù)離焦量等焊接工藝參數(shù)焊接時(shí)，具有深熔焊的特征。