不銹鋼/鈷鉻合金激光焊接頭的微觀組織分析

馬 凱， 谷曉燕， 王 毅

(1.吉林交通職業(yè)技術(shù)學院 汽車工程學院， 吉林 長春 130012；2.吉林大學 材料科學與工程學院， 吉林 長春 130022;3.長春工程學院 機械工程學院, 吉林 長春 130012)

不銹鋼/鈷鉻合金激光焊接頭的微觀組織分析

馬 凱1， 谷曉燕2， 王 毅3

(1.吉林交通職業(yè)技術(shù)學院 汽車工程學院， 吉林 長春 130012；2.吉林大學 材料科學與工程學院， 吉林 長春 130022;3.長春工程學院 機械工程學院, 吉林 長春 130012)

采用激光焊接技術(shù)連接不銹鋼絲和鈷鉻合金絲，并對比兩種異質(zhì)材料接頭添加鎳中間層和不添加鎳中間層的微觀形貌，分析了兩種情形下接頭的組織特征。結(jié)果表明,當鎳中間層在一定厚度時，呈現(xiàn)融合充分、晶粒細化、鎳元素擴散更加均勻的組織特征。

不銹鋼； 鈷鉻合金； 激光焊； 鎳中間層

0 引 言

不銹鋼具有良好的物理性能、化學性能和生物相容性，鈷鉻合金具有良好的生物相容性、抗腐蝕性、化學穩(wěn)定性和較高的機械性能，二者均廣泛應(yīng)用于工程和生物醫(yī)學領(lǐng)域[1-2]。通過激光焊連接兩種合金，制造滿足性能的復雜器械引起研究者的關(guān)注[3-4]。采用鎳中間層作為焊接材料實現(xiàn)焊縫金屬的合金化，是基于鎳與不銹鋼、鈷鉻合金中的Fe、Co、Cr具有良好的互溶性，并且鎳的耐腐蝕性與生物相容性好，對異質(zhì)接頭的性能影響較小[5-8]。文中系統(tǒng)研究了鎳對不銹鋼與鈷鉻合金激光焊接異質(zhì)接頭微觀組織的影響。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗?zāi)覆臑椴讳P鋼絲和鈷鉻合金絲。不銹鋼為直徑0.5 mm的18-8型奧氏體不銹鋼絲材料，鈷鉻合金為直徑0.5 mm的COBAFLEX鈷鉻合金絲；試驗中間層選用40 μm純鎳。不銹鋼和COBAFLEX鈷鉻合金的化學成分分別見表1和表2。

表1 不銹鋼的化學成分 wt%

表2 COBAFLEX鈷鉻合金的化學成分 wt%

1.2 試驗方法

采用HKW-1050 型激光脈沖焊機焊接鈷鉻合金與不銹鋼試樣，試樣分不添加純鎳中間層和添加純鎳中間層兩大類，用不同規(guī)格砂紙逐級打磨表面至光潔平整，再用PG-2C型金相拋光機拋光，后用清水沖洗、干燥、腐蝕，分別制備金相、掃描電鏡、能譜分析等試樣。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 接頭形貌分析

接頭形貌及接頭顯微組織如圖1所示。

(a) 未添加純鎳中間層的接頭宏觀圖

(b) 添加純鎳中間層的接頭宏觀圖

由圖1可見，當不加中間層時，焊縫的寬度較大，坡度較平緩。其原因是鈷鉻合金/不銹鋼熔化形成熔池熱容量較大，散熱能力較小，液態(tài)金屬熱運動較活躍，擴散范圍較廣，且液態(tài)金屬溫度保持時間和冷卻時間都要稍長一些，外圍的液體金屬先冷卻凝固，產(chǎn)生由外到內(nèi)、由焊縫兩端到焊縫中間的逐次冷卻，造成焊縫的坡度較平緩；當添加純鎳中間層時，焊縫寬度明顯變小，坡度變得相對陡峭。其原因是鈷鉻合金/不銹鋼熔池因鎳的存在而導致熱容量變小，散熱能力也變小，液態(tài)金屬熱運動的活躍降低，擴散范圍變小，液態(tài)金屬溫度保持時間短，外部金屬與內(nèi)部金屬幾乎同時冷卻，致使焊縫坡度相對陡峭。

2.2 接頭顯微組織分析

鈷鉻合金一側(cè)熔合區(qū)的金相組織如圖2所示。

(a) 不加純鎳中間層鈷鉻合金側(cè)熔合區(qū)顯微組織

(b) 添加純鎳中間層鈷鉻合金側(cè)熔合區(qū)顯微組織

由圖2可見，當不加中間層時，晶粒由熔合線向焊縫中心擴散，晶粒由細變粗，大部分晶粒分布較均勻，小部分是粗晶粒與細晶粒夾雜分布。鈷鉻合金側(cè)組織形狀不規(guī)則，大小各異，離熔合線近的區(qū)域組織分布不均勻，離熔合線遠的區(qū)域組織分布較均勻；當添加純鎳中間層時，焊縫側(cè)晶粒由熔合線向遠處發(fā)散，且晶粒逐漸變得粗大，晶粒分布較為有序，鈷鉻合金側(cè)組織不清晰，分布不規(guī)律。

焊縫區(qū)的金相組織如圖3所示。

(a) 不加純鎳中間層鈷鉻合金焊縫區(qū)顯微組織

(b) 添加純鎳中間層鈷鉻合金焊縫區(qū)顯微組織

由圖3可見，當不加中間層時，焊縫區(qū)晶粒分布比較混亂，一部分細晶粒分布較均勻，一部分粗晶粒分布較均勻，一部分是條狀組織縱橫交錯分布；當添加純鎳中間層時，焊縫區(qū)晶粒分布較為有序，粗、細晶粒分布層次分明，只有小部分粗、細晶粒夾雜。

不銹鋼一側(cè)熔合區(qū)的金相組織如圖4所示。

(a) 不加純鎳中間層不銹鋼側(cè)熔合區(qū)顯微組織

(b) 添加純鎳中間層不銹鋼側(cè)熔合區(qū)顯微組織

由圖4可見，當不加中間層時，不銹鋼側(cè)離熔合線近的區(qū)域組織形狀較大，分布均勻，離熔合線遠的區(qū)域組織形狀細小，分布也較均勻；當添加純鎳中間層時，不銹鋼側(cè)組織呈塊狀，是奧氏體不銹鋼組織特征，塊狀從熔合線向不銹鋼母材方向由大到小分布，組織分布有序。

分析其原因是：在不銹鋼側(cè)和鈷鉻合金側(cè)的熔合區(qū)熔合線附近，混合在一起的成分種類少，晶向比較單一，離熔合線越近，液相溫度越低，結(jié)晶速度越快，晶粒越細小。而在焊縫區(qū)，未加中間層時，熔池中液相溫度、結(jié)晶速度、溶質(zhì)濃度不一樣，結(jié)晶過程中，晶粒大小、分布情況差異大，因而晶粒無序分布；添加純鎳中間層后，影響了液相溫度、結(jié)晶速度、溶質(zhì)濃度情況，在熔池中心位置，材料的散熱能力變差，溫度較穩(wěn)定，溶質(zhì)混合均勻，結(jié)晶速度只有細微差異，因而晶粒有序分布。

2.3 接頭掃描電鏡能譜分析

未加中間層時，鈷鉻合金側(cè)熔合區(qū)及元素分布曲線如圖5所示。

由圖5可見，鈷鉻合金側(cè)熔合線附近分布的主要元素為Co、Fe、Cr、Mo、W，而鈷鉻合金母材主要元素是Co、Mn、Cr、Mo、W，不銹鋼母材主要元素是Si、Cr、Mn、Fe、Ni，說明熔合線附近的Co、Cr、Mo、W四種元素來源于鈷鉻合金母材，熔合線附近的Fe元素來自不銹鋼母材。從焊縫到鈷鉻合金母材，Co、Fe元素分布曲線變化較大，未過熔合線,Co含量值由低到高。過熔合線,Co含量變化不大?？拷酆暇€,Fe含量明顯降低，過熔合線,Fe含量都接近于零，Co、Fe元素偏析現(xiàn)象明顯；Cr元素分布曲線變化小，含量逐漸上升，但熔合線兩側(cè)Cr含量都高，Cr元素偏析現(xiàn)象不明顯；Mo、W元素分布曲線較一致，元素含量沿熔合線對稱，熔合線兩側(cè)元素含量變化不大，Mo、W元素偏析現(xiàn)象不明顯。

分析其原因是：焊接過程中，鈷鉻合金側(cè)元素對流現(xiàn)象不明顯，F(xiàn)e元素向鈷鉻合金母材化學擴散程度非常低，鈷鉻合金母材對Fe元素的擴散起阻礙作用，Co、Cr、Mo、W元素向焊縫流動，Cr擴散能力較強，焊縫中Cr含量較多，Co擴散能力較弱，Mo、W元素擴散能力一般，且Mo、W元素在焊縫中分布均勻。同理可得到不添加純鎳中間層時接頭不銹鋼側(cè)熔合區(qū)組織及元素分布曲線、添加純鎳中間層時接頭鈷鉻合金側(cè)熔合區(qū)組織及元素分布曲線，以及添加純鎳中間層時接頭不銹鋼側(cè)熔合區(qū)組織及元素分布曲線。

(a) 熔合區(qū)組織

(b) 熔合線附近元素分布曲線

3 實驗結(jié)論

1)添加純鎳中間層，使鈷鉻合金/不銹鋼激光焊接頭的熱容量和散熱能力變小，形成的焊縫寬度減小，金屬元素蒸發(fā)量減少，焊縫成形良好。

2)添加純鎳中間層，對熔池中心的液相溫度、結(jié)晶速度、溶質(zhì)濃度等參數(shù)影響明顯，結(jié)晶狀況良好，焊縫區(qū)晶粒分布均勻有序。

3)添加純鎳中間層，有利于溶質(zhì)的溶解和元素的擴散，元素分布相對均勻，降低偏析現(xiàn)象的發(fā)生，但對熔合線附近的溫度梯度影響大，而使一些元素在熔合線中心集中分布。

[1] Uenishi K， Seki M， Kunimasa T， et al. YAG laser micro welding ofstainless steel and shape memory alloy [J]. Proceedings of SPIE,2003，4830:57-62.

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StudyonmicrostructureofstainlesssteelandCo-Cralloydissimilarjoint

MA Kai1, GU Xiaoyan2, WANG Yi3

(1.School of Automotive Engineering, Jilin Traffic Vocational and Technical College, Changchun 130012， China;2.School of Materials Science & Engineering, Jilin University， Changchun 130022， China;3.School of Mechatronic Engineering， Changchun Institute of Technology, Changchun 130012， China)

The stainless steel wire and Co-Cr alloy wire are joined together with laser welding, and the micro-structures of two dissimilar joints with or without Ni interlayers are analyzed. The results indicate that the micro-structure has the features such as improved fusion property, finer grain grade and more even diffusion of the Ni element when Ni interlayer is added into the joints.

stainless steel; Co-Cr alloy; laser welding; Ni interlayer.

2017-07-29

吉林省科技廳基金資助項目(20140101050JC)

馬 凱(1968-)，男，漢族，吉林長春人，吉林交通職業(yè)技術(shù)學院教授，博士，主要從事先進材料連接方向研究,E-mail:basan780@163.com.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2017.5.15

TG 4; TG 454

A

1674-1374(2017)05-0491-05