441鐵素體不銹鋼激光電弧復(fù)合焊工藝研究

黃種生，時海芳，饒盼龍，張榮遼寧工程技術(shù)大學；寶鋼德盛不銹鋼有限公司；寶鋼不銹鋼有限公司

441鐵素體不銹鋼激光電弧復(fù)合焊工藝研究

黃種生1，時海芳1，饒盼龍2，張榮3
1遼寧工程技術(shù)大學；2寶鋼德盛不銹鋼有限公司；3寶鋼不銹鋼有限公司

鐵素體不銹鋼軋制生產(chǎn)中要求焊縫高效可靠。傳統(tǒng)的焊接方式多采用氬弧焊，焊后焊接接頭晶粒易粗大，韌性低、有晶間腐蝕傾向，并不能很好的滿足大壓下率的焊縫軋制生產(chǎn)需求。故本文以441鐵素體不銹鋼為研究對象，采用激光電弧復(fù)合焊接工藝，通過觀察焊縫的宏觀形貌、微觀組織結(jié)構(gòu)、拉伸試驗、彎曲試驗、晶間腐蝕試驗以及軋制模擬試驗。結(jié)果表明441鐵素體不銹鋼對焊接線能量敏感，采用合理焊接工藝規(guī)范，能獲得質(zhì)量良好焊接接頭，其性能可以滿足大壓下率的焊縫軋制生產(chǎn)。

441鐵素體不銹鋼；激光電弧復(fù)合焊；力學性能；軋制

前言

441鐵素體不銹鋼是一種中鉻高純鐵素體不銹鋼，具有優(yōu)良的耐蝕性，尤其是耐氯化物腐蝕的性能，與奧氏體不銹鋼相比，其導(dǎo)熱性好，線膨脹系數(shù)小，可在多種腐蝕介質(zhì)環(huán)境下替代SUS304不銹鋼。但是，受焊接熱循環(huán)影響，鐵素體不銹鋼焊接區(qū)在室溫下韌性較低，易產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致焊接區(qū)域產(chǎn)生裂紋及脆斷時有發(fā)生[1,2]。而在軋制過程中，焊縫主要受到張力、壓下量及軋制速率的影響，只有當焊縫性能接近或超過母材時，才能保證其在軋制過程中不開裂。另一方面，焊縫通過軋機時會因受到擠壓產(chǎn)生較大的皺褶，嚴重時會造成焊縫斷裂，因此對于焊縫的質(zhì)量要求很高。軋制線上傳統(tǒng)的焊接工藝多采用MIG焊，但MIG焊存在焊縫性能低、余高大，焊縫軋制過程不穩(wěn)定。近些年來，激光焊因其高速、余高低、材料變形小、強度高等優(yōu)點得到了廣泛應(yīng)用，但在實際應(yīng)用中亦存在焊接接頭間隙的適應(yīng)性差，裝夾精度要求高，易出現(xiàn)氣孔、咬邊等焊接缺陷，焊接厚度受到限制等問題。

而激光電弧復(fù)合焊通過激光與電弧的交互作用，產(chǎn)生了1+1＞2的效果，兼具激光焊接的高速度、高效率、低熱輸入和電弧焊接良好的橋聯(lián)性、高填充金屬熔敷效率等特性，在高質(zhì)量焊接領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。辜磊等人[3]研究了激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)在船舶制造中的應(yīng)用；王治宇等人[4]激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)在汽車工業(yè)中的應(yīng)用論證了復(fù)合焊縫的高效可靠及可行性。但在不銹鋼軋制線上并無使用實例，具體的使用效果如何，仍是個未知量。本文通過觀察焊縫的宏觀形貌、微觀組織結(jié)構(gòu)、拉伸試驗、彎曲試驗、晶間腐蝕試驗以及軋制模擬試驗，為激光電弧復(fù)合焊在441鐵素體不銹鋼焊接軋制中起指導(dǎo)性作用。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料為1250mm×1200mm×3mm厚的441鐵素體不銹鋼板材，根據(jù)母材本身C、N含量較低的特性，選取直徑φ1.0的ER316L焊絲作為填充材料，母材和焊材的主要化學成分如表1所示。

表1 B441不銹鋼化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）Tab.1 Chemical composition of B441 stainless steel（mass fraction,%）

表2 ER316焊絲的化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）Tab.2 Chemical composition of ER316 filler（mass fraction,%）

1.2 試驗設(shè)備和方法

焊接設(shè)備采用德國IPG-YLS-6000型光纖激光器和奧地利Fronius焊機。復(fù)合焊接頭由激光焊接頭和MIG電弧焊槍旁軸組合，采用激光后置方式。激光器最大輸出功率6KW，連續(xù)輸出模式，波長1070nm，激光焦距為400mm，最小焦斑直徑0.25mm，以N2作側(cè)吹氣簾保護。MIG電弧采用97.5%Ar+2.5%CO2的混合保護氣、焊絲伸出長度11mm，兩熱源在工件表面上作用的間距3mm。MIG焊機為Fronius的TransPuls Synergic 3200 CMT焊接電源和Fronius VR 7000 CMT送絲機。

焊接試驗在冷軋1250mmDRAP機組上自動焊接進行，采用不開坡口的平板對接，焊接規(guī)范如表3所示。

表3 焊接試驗規(guī)范Tab.3 Specification for welding test

焊接接頭經(jīng)研磨拋光后，再用15%HF試劑腐蝕，采用長方型光學顯微鏡觀察焊接接頭不同區(qū)域的顯微組織結(jié)構(gòu)特征；按GB/ T2651-2008焊接接頭拉伸試驗方法及B/T2653-2008焊接接頭彎曲試驗方法的要求，進行焊接接頭的拉伸彎曲等力學性能；按GB/ T4334-2008進行441不銹鋼焊接接頭晶間腐蝕敏感性試驗；之后對焊縫進行軋機模擬實驗。

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 焊縫的宏觀形貌

觀察焊縫形貌，焊縫飽滿，在距焊縫邊緣500mm處測量余高，試樣1正面及根部的余高和為0.355mm，試樣2正面及根部余高0.43mm且根部余高較大；質(zhì)量良好，沒有咬邊、氣孔、未填滿缺陷，焊前不預(yù)熱，焊后未發(fā)現(xiàn)焊接裂紋，表明焊接接頭質(zhì)量合格。

2.2 焊縫的微觀組織

高純度鐵素體不銹鋼焊接時，焊縫熱影響區(qū)晶粒容易長成較粗大的鐵素體組織，難以用熱處理方法細化晶粒，焊縫、熱影響區(qū)金屬韌性低于母材。為此，控制焊縫輸入的線能量，能夠降低焊縫金屬和熱影響區(qū)晶粒長大的傾向，改善焊縫韌性[5]。

試樣1焊縫的顯微組織如圖1所示，焊縫熔敷金屬由較為粗大的柱狀晶組成，焊縫中心有大量等軸晶。等軸晶的形成是由于激光功率相對較小，熔池中的溫度梯度較小，冷卻時間較長，有充足的時間形核長大，形成細小的等軸晶。隨著激光功率的增加，溫度梯度變大促進了柱狀晶的形核與長大（如圖2），故試樣2焊縫熔合區(qū)的晶粒較大，表明441鐵素體不銹鋼應(yīng)采用小的的焊接熱輸入。

焊縫組織為鐵素體以及一些分布在晶界間的析出物，析出物的主要成分是碳化物，這是因為鐵素體不銹鋼焊縫在室溫度下對碳的溶解度很低。由于主要的合金元素對碳有很強的親和力，焊縫凝固過程中，多于的碳就會以碳-鉻化合物的形式析出，也有少量的會以M7C3和M6C的形式析出。圖2的析出物比圖1少，這主要與試樣1焊接時線能量較小，焊縫區(qū)域冷卻速度快，低溫下碳的擴散幾率增加，進而形成較多的析出碳化物，而這些碳化物增加又會導(dǎo)致晶間腐蝕傾向的增加。

圖1 試樣1的焊接接頭的金相組織（50×）Fig.1 Microstructure of sample 1 joint（a.50×）

圖2 試樣2的焊接接頭的金相組織（a.50×）Fig.2 Microstructure of sample 2 joint（a.50×）

2.3 力學性能試驗結(jié)果及分析

分別將試樣1和試樣2的焊接接頭按GB/T2651-2008焊接接頭拉伸試驗方法及B/T2653-2008焊接接頭彎曲試驗方法加工成標準的拉伸試樣和彎曲試樣進行測試，其中拉伸和彎曲試驗每組分別制備三個試樣進行，表4為拉伸試驗得到的平均值，表5為彎曲試驗結(jié)果。

表4 拉伸試驗結(jié)果Table 4 Results of tensile tests

表5 彎曲試驗結(jié)果Table 5 Results of bending tests

從表3試驗結(jié)果可知焊接接頭的抗拉強度達到母材的94%以上，兩個焊接試件拉斷時均斷在母材部位，可見焊接接頭強度較高，但是焊接接頭伸長率較母材相比均有所下降，伸長率最大達到母材的64.6%。其中試驗結(jié)果中焊接接頭塑性的主要原因在于441鐵素體不銹鋼在焊接過程中HAZ部位形成粗大的鐵素體晶粒從而導(dǎo)致了高溫脆化。

表4顯示出在不同工藝條件下的焊接接頭彎曲角度均能達到180度，且彎曲試驗后焊縫表面光滑完好沒有產(chǎn)生裂紋，由此可見441鐵素體不銹鋼的焊接接頭有很好的延性。

2.4 晶間腐蝕試驗結(jié)果及分析

根據(jù)GB/T4334-2008《金屬和合金的腐蝕不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》將兩組試樣進行焊接接頭晶間腐蝕敏感性試驗。試驗結(jié)果顯示焊接接頭經(jīng)過晶間腐蝕試驗后進行彎曲試驗沒有發(fā)現(xiàn)微裂紋，可見其耐晶間腐蝕性能較好。其焊接接頭均具有較好的耐晶間腐蝕性能與母材密切相關(guān)，這是由于441鐵素體不銹鋼及提充金屬材料的碳氮含量均較低，且母材中加入了0.15%Ti、0.4%的Nb等穩(wěn)定化元素，使得在晶界形成富鉻的M23C6型碳化物的可能性降到最低，從而提高了焊縫的耐晶間腐蝕能力。由此可以判斷441鐵素體不銹鋼的復(fù)合焊接頭有較強的抗晶間腐蝕能力。

2.5 軋制模擬實驗

將試樣1、2分別剪切為200mm×600mm大小，在小型高速軋機上分別進行軋制模擬實驗，設(shè)計軋制壓下率為70%。焊縫軋制過程中各項參數(shù)穩(wěn)定，軋后焊縫未見異常。使用體式顯微鏡對軋制后焊縫的邊部表面進行觀察，除了邊部有少量的微裂紋，焊縫表面沒有明顯裂紋，表明復(fù)合焊縫可以滿足鐵素體不銹鋼大壓下率焊縫軋制。

3 結(jié)語

（1）對441鐵素體不銹鋼，采用激光電弧復(fù)合焊，焊接速度快，焊接工藝規(guī)范合理時，焊縫的組織為鐵素體及碳化物，綜合性能良好。焊縫的強度、延性和韌性均接近母材水平，焊接接頭具有優(yōu)良的綜合力學性能。

（2）441鐵素體不銹鋼對焊接線能量敏感，隨著激光功率的增加，焊縫熔合區(qū)的晶粒增大，力學性能降低，441鐵素體不銹鋼焊接過程中應(yīng)采用小的的焊接熱輸入。

（3）通過晶界腐蝕試驗可知焊接接頭處無因晶間腐蝕而產(chǎn)生的裂紋，表明441鐵素體不銹鋼復(fù)合焊接頭有較強的抗晶間腐蝕能力。

（4）441鐵素體不銹鋼復(fù)合焊縫在軋制壓下率為70%時未開裂，軋后焊縫未見明顯裂紋，表明激光電弧復(fù)合焊縫完全可以滿足441鐵素體不銹鋼大壓下率軋制生產(chǎn)。

[1]張其樞,堵耀庭.不銹鋼焊接[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[2]埃里希.?？?不銹鋼焊接冶金[M].北京：化學工業(yè)出版社，2004.

[3]辜磊,劉建華,汪興均.激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)在船舶制造中的應(yīng)用研究[J].造船技術(shù),2005（5）：38-40.

[4]王治宇,王春明,胡倫驥，胡席遠.激光電弧復(fù)合焊接的應(yīng)用[J].電焊機,2006（2）：38-41.

[5]劉順洪,王玉姣,權(quán)雯雯.JYH21CT鐵素體不銹鋼的焊接性[J].電焊機,2009（1）：30-32.