激光掃描速度對304不銹鋼薄板組織和性能的影響

郭國林 ，戴國洪 ，周自強 ，徐正亞

（1．常熟理工學院 機械工程學院，江蘇 常熟 215500；

2．江蘇省機電產(chǎn)品循環(huán)利用技術重點實驗室，江蘇 常熟 215500）

1 引言

隨著我國制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，奧氏體不銹鋼由于其性能的優(yōu)異性，廣泛應用與各個領域。而激光焊接，也因為它的功率密度高、精度高、焊接掃描速度快、自動化程度高、焊縫窄、變形程度小、殘余應力小的優(yōu)點，使用的頻率也越來越多。文獻[1]通過YAG固體激光焊和TIG焊兩種焊接方法對比對304不銹鋼的耐腐蝕性做了研究，對實踐具有一定的指導意義。文獻[2]分析了在不同激光焊接工藝參數(shù)下，316L不銹鋼超薄板（0．1mm）接頭的組織和性能，確定了采用小電流、大脈寬、高速度焊接的原則。文獻[3]采用脈沖激光焊，對紫銅和316L不銹鋼薄板搭接焊縫的微觀組織和力學性能做出研究，填補了國內(nèi)的空缺，為工程應用提供了理論依據(jù)。采用YAG脈沖激光焊對0．6mm厚的304不銹鋼薄板搭接焊縫進行實驗研究。

2 實驗材料與方法

實驗采用厚度 0．6mm，尺寸為（100×40）mm 的 304 不銹鋼薄板，304不銹鋼屬于奧氏體不銹鋼，化學成分為（8～10）%Ni，（17．5～19．5）%Cr，余量為 Fe（質(zhì)量分數(shù)）。采用 HAN SLAER WF300 激光焊機對試樣進行搭接試驗，保護氣體為純氬氣。實驗前，將試樣打磨拋光，用丙酮清洗干凈后吹干。通過預實驗，選用激光功率5kW，離焦量+3mm，脈沖寬度5ms，脈沖頻率9Hz，激光掃描速度分別為 48mm/min、72mm/min、96mm/min、120mm/min 的工藝參數(shù)對試樣進行焊接。焊接完成后，用線切割加工試樣，通過鑲嵌、磨制、拋光、腐蝕，在OLYMPUS GX51光學顯微鏡下觀察組織；采用HVT-1000顯微硬度計測量硬度，試驗力100gf，保持時間15s，沿焊縫橫截面壓點，壓點之間間隔0.2mm。利用WEW-600型號微機控制萬能材料試驗機對試樣進行拉伸實驗。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 不同激光掃描速度下焊接接頭表面形貌

激光功率 5kW，掃描速度 48mm/min、72mm/min、96mm/min、120mm/min時的焊縫宏觀形貌，如圖1所示。激光焊接過程中，掃描速度是激光焊接主要參數(shù)之一。適當降低掃描速度可以增大熔深，有利于提高接頭的質(zhì)量。掃描速度過慢時，焊縫金屬可能會出現(xiàn)過度熔化的現(xiàn)象，焊縫元素少損，表面出現(xiàn)凹坑，影響接頭的性能。

圖1 不同掃描速度下的焊縫表面形貌Fig.1 Surface Morphology of Welding Seam with Different Scanning Speeds

掃描速度較慢時的焊縫外觀形貌，如圖1（a）所示?？梢钥闯?，焊縫正面出現(xiàn)凹坑，背面燒穿，熱影響區(qū)域大，表面紋理不清晰，有少許飛濺。適當提高掃描速度至72mm/min，焊縫金屬冷卻凝固后，表面成型良好，無飛濺，熱影響區(qū)變窄，背面無燒穿現(xiàn)象。當掃描速度增加到96mm/min、120mm/min時，焊縫正面出現(xiàn)咬邊現(xiàn)象，熱影響區(qū)小，焊縫背面未焊透。隨著掃描速度的增加，單位時間功率密度減小，材料的輸入能量減少，焊接熔透性會降低，熔池的液態(tài)流動性能和潤濕性也差，不利于焊縫成型。當掃描速度過高時，小孔尾部熔化金屬強烈流動，但由于熱源移動過快，液態(tài)金屬來不及重新分布便已經(jīng)開始冷卻，因此焊縫兩側(cè)在凝固成型后，會產(chǎn)生咬邊的現(xiàn)象。另外，雖然掃描速度快，熔池短，但是高溫區(qū)范圍大，受到空氣影響區(qū)域也大，對側(cè)吹保護氣體要求也較高[4-6]。

3.2 焊接接頭顯微組織分析

掃描速度48mm/min時接頭的顯微組織，如圖2所示。從圖2（a）焊縫全貌圖可以看出，焊縫較寬且完全熔透。焊縫區(qū)大致分為三層，分層現(xiàn)象是由于脈沖激光焊的脈沖間隔導致。從圖2（b）觀察到，焊縫區(qū)與母材分界處存在熱影響區(qū)。由于脈沖激光焊接的瞬間溫升快，冷卻快，溫度梯度大，在熔合線附近焊縫區(qū)一側(cè)，出現(xiàn)明顯的枝晶狀組織，從熔合線向焊縫中心方向延伸。從圖2（c）中可以看出，焊縫中心有明顯的等軸晶組織且區(qū)域較大，由于焊接速度較慢，焊縫中心區(qū)域線能量大，溫度高，冷卻速度慢造成的。

圖2 掃描速度為48mm/min時接頭的顯微組織Fig.2 Microstructure of Welded Joint with Scanning Speed of 48 mm/min

焊縫形貌分層更為明顯，層數(shù)較多且層厚較小，層界存在著向兩側(cè)層中心擴展的枝晶組織，如圖3（a）所示。層中心為細小的等軸晶組織。由于激光焊接出現(xiàn)脈沖時熔化金屬，迅速凝固，下次脈沖時重新熔化，新加熱的區(qū)域和之前的區(qū)域產(chǎn)生了溫度梯度，因此層界形成向?qū)又行纳L的鐵素體枝晶。從圖3（b）看到熔合線明顯，枝晶較長，方向一致，垂直于熔合線向焊縫中心延伸，母材沒有明顯長大現(xiàn)象。焊縫區(qū)組織等軸晶細小，分布均勻。

圖3 掃描速度為72mm/min時的接頭顯微組織Fig.3 Microstructure of Welded Joint with Scanning Speed of 72 mm/min

從圖4（a）可以看出，焊縫形狀是一種非常典型的淚滴狀熔池，由于提高焊接速度，輸入能量減小，焊縫并未焊透，熔焊區(qū)分層不規(guī)律。從圖4（b）中可以看出，熔合線也較為明顯，焊縫區(qū)熔合線附近組織多為奧氏體，而鐵素體較少。文獻[7]的研究，在掃描速度過快時，冷卻速度非?？欤Ъ舛诉^冷度非常大的情況下，此時相較于鐵素體而言奧氏體作為初析相更加穩(wěn)定，因此熔合區(qū)由初析鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)槌跷鰥W氏體。從圖4（c）可以看到焊縫區(qū)層界的鐵素體枝晶不明顯，分布非常雜亂，由于激光脈沖并沒能在焊縫區(qū)產(chǎn)生足夠的熱量。

圖4 掃描速度為96mm/min時接頭的顯微組織Fig.4 Microstructure of Welded Joint with Scanning Speed of 96mm/min

從圖5（a）看出，焊縫分層較為明顯，但是焊縫沒有焊透。從圖5（b）中可以看出，掃描速度增加，熱影響區(qū)很小，焊縫邊緣的溫度梯度相對較大，冷卻速度較快，有利于柱狀晶的生成[8-9]。接近焊縫中心，晶枝組織數(shù)量減少。從圖5（c）中可以看出，由于輸入線能量降低，焊縫金屬各方向冷卻速度不同，焊縫中心出現(xiàn)枝晶與等軸晶相互交錯的現(xiàn)象。

圖5 掃描速度為120mm/min時接頭的顯微組織Fig.5 Microstructure of Welded Joint with Scanning Speed of 120mm/min

3.3 顯微硬度分析

焊接接頭的顯微硬度隨掃描速度的變化曲線，如圖6所示。從不同掃描速度下接頭硬度的變化趨勢可以看出，焊縫區(qū)的硬度低于母材硬度，高于熔合區(qū)的硬度，因為焊縫中心為細小的等軸晶，因而硬度要更高一點。隨著掃描速度的增加，焊縫區(qū)的硬度值趨于穩(wěn)定，焊縫中心的硬度值，呈現(xiàn)出下降趨勢，因為焊縫中心的鐵素體等軸晶數(shù)量隨著焊接溫度的降低，在不斷減少，導致硬度也逐漸下降[10]。

圖6 焊接接頭的顯微硬度隨掃描速度變化曲線Fig.6 Microhardness vs Scanning Speed of Welded Joint

3.4 接頭抗拉強度分析

焊接接頭的抗拉強度隨掃描速度變化曲線，如圖7所示。掃描速度48mm/min時的接頭抗拉強度為493MPa，在焊縫處發(fā)生斷裂。當掃描速度過低時，焊接過程中發(fā)現(xiàn)飛濺現(xiàn)象，使得焊縫處材料較少，焊縫的橫截面積小，在拉伸時受到的應力相對集中，導致焊縫處的強度較低。掃描速度為72mm/min時，對接頭進行拉伸，斷裂在焊縫處，其抗拉強度為509MPa，接近于母材的抗拉強度，由于焊縫剛好熔透，焊縫組織細小而均勻，熱影響區(qū)小，形成的鐵素體數(shù)量較少，因而保證了焊接接頭的力學性能。隨著掃描速度的增加，焊縫金屬的熱量減少，部分金屬熔化，從焊縫宏觀形貌也可以看出，焊縫出現(xiàn)未焊透現(xiàn)象，減小了焊縫抗拉截面積和承載能力，導致焊縫抗拉強度大大降低。

圖7 焊接接頭的抗拉強度隨掃描速度變化曲線Fig.7 Tensile Strength vs Scanning Speed of Welded Joint

4 結(jié)論

（1）在不同激光掃描速度下，304不銹鋼薄板搭接接頭的焊縫區(qū)出現(xiàn)分層現(xiàn)象，層界存在著向兩側(cè)層中心延伸的樹枝晶組織，層中心為細小的等軸晶。熔合線附近為樹枝晶組織，垂直于熔合線向焊縫中心生長。當掃描速度為72mm/min時，焊縫區(qū)組織細小，分布均勻，熔合線清晰，不銹鋼薄板之間結(jié)合良好。

（2）焊縫區(qū)的硬度低于母材硬度，高于熔合區(qū)的硬度。隨著掃描速度的增加，焊縫區(qū)的硬度值趨于穩(wěn)定，焊縫中心的硬度值，呈現(xiàn)下降趨勢。

（3）由于掃描速度不同，焊縫金屬熱輸入差異較大，304不銹鋼薄板接頭強度也不同。掃描速度為72mm/min時，焊接接頭的抗拉強度最優(yōu)，接近于母材的強度。

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