光束偏移量對(duì)Q235/304激光焊接接頭組織與性能的影響

王家勝， 舒林森,2*

(1.陜西理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 陜西 漢中 723000； 2.陜西省工業(yè)自動(dòng)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 漢中 723000)

現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展對(duì)材料的綜合性能要求越來越高，單一金屬材料往往無法滿足特殊場(chǎng)合的生產(chǎn)需要[1]。通過焊接制備異種合金構(gòu)件是近年來備受關(guān)注的一種方法，既能充分發(fā)揮各種材料的優(yōu)異性能，又能顯著降低生產(chǎn)成本。Nd∶YAG脈沖激光焊接具有熱源密度集中、易于控制焊接軌跡、熱影響區(qū)較窄、焊縫成形好等優(yōu)點(diǎn)，更適合異種金屬的焊接[2-4]。

異種金屬焊接的難點(diǎn)在于兩側(cè)母材的熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性、熱容及熔融金屬的流動(dòng)性存在差異，往往需要將熱源設(shè)定一定的偏移量，從而使得兩側(cè)母材具有合理的熔化比率來獲得良好的焊接接頭[5-7]。近年來，很多學(xué)者在此問題上進(jìn)行了大量的研究。雷正龍等[8]采用激光光束偏移來焊接Ti-22Al-27Nb與Ti-6Al-4V異種鈦合金，發(fā)現(xiàn)光束偏向Ti-22Al-27Nb側(cè)時(shí)能夠有效抑制焊縫中氣孔缺陷的產(chǎn)生。宋志華等[9]進(jìn)行了3 mm厚鈦合金TA15和鋁合金5A06的對(duì)接焊，讓激光束聚焦在鈦合金上使鈦合金熔化，通過熱傳導(dǎo)使鋁合金熔化，得到了成形良好的接頭。韋竺施等[10]以6 mm厚鋼/鋁合金對(duì)接接頭為研究對(duì)象，進(jìn)行激光深熔焊接的工藝試驗(yàn)，研究了不同激光偏移量及接頭不同位置對(duì)界面金屬間化合物(IMC)組織形態(tài)、物相組成及厚度的影響。

目前的研究主要集中于異種鈦合金及鋼/鋁合金的焊接研究中，對(duì)于Q235和SUS304異種鋼焊接的研究相對(duì)較少，而這兩種鋼在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用十分廣泛，若能充分結(jié)合其各自的優(yōu)異性能，具有廣闊的應(yīng)用前景[11-15]。為此，針對(duì)Q235結(jié)構(gòu)鋼和SUS304奧氏體不銹鋼，進(jìn)行了異種鋼激光焊接，研究光束偏移量對(duì)焊接接頭宏觀形貌、顯微組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律，為異種鋼激光焊接工程應(yīng)用提供數(shù)據(jù)參考和試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)采用尺寸均為200 mm×90 mm×0.5 mm的Q235和SUS304鋼板作為母材，具體化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))和常溫力學(xué)性能見表1所示。為減少激光焊接接頭中的缺陷，焊接前使用萬能工具磨床對(duì)板材的對(duì)接面進(jìn)行打磨，然后將打磨后的待焊板材置于超聲清洗儀器中，去除其表面附著油污和雜質(zhì)等。

表1 母材的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)及力學(xué)性能

試驗(yàn)由額定功率800 W的脈沖Nd∶YAG激光焊接系統(tǒng)完成。激光波長(zhǎng)1064 nm、焦斑直徑1.5 mm，X、Y和Z方向移動(dòng)控制精度達(dá)0.01 mm。

圖1 光束作用位置示意圖

圖2 金相取樣位置及拉伸試樣尺寸

通過大量的工藝預(yù)試驗(yàn)確定的焊接參數(shù)：焊接速度v=300 mm/min，脈沖電流I=160 A，脈沖頻率f=15 Hz，離焦量△f=-4 mm。光束偏移量以0.1 mm為變量，在-0.2～0.1 mm范圍內(nèi)變化，規(guī)定光束偏向SUS304側(cè)方向?yàn)檎＜す馐饔梦恢萌鐖D1所示。

焊接完成后，使用專用工具對(duì)焊縫作簡(jiǎn)單清理，觀察焊縫宏觀形貌；在焊接接頭焊縫處截取長(zhǎng)寬尺寸為20 mm×10 mm的金相試樣，磨拋后先用體積分?jǐn)?shù)4%的硝酸酒精溶液對(duì)Q235側(cè)進(jìn)行金相腐蝕，再用現(xiàn)配王水(HNO3和HCl體積比為3∶1)溶液對(duì)SUS304不銹鋼側(cè)進(jìn)行金相腐蝕，采用放大50～1000倍的4XC倒置光學(xué)顯微鏡(OM)觀察焊縫的金相組織；利用HV-1000型顯微硬度計(jì)測(cè)定焊接接頭的硬度分布；再根據(jù)《GB/T228—2002金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》的形狀和尺寸標(biāo)準(zhǔn)，利用線切割機(jī)切割拉伸試件，金相取樣位置及拉伸試樣尺寸如圖2所示，采用WAW-300萬能拉壓機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 偏移量對(duì)焊縫成形的影響

不同光束偏移量下的焊縫宏觀形貌及截面熔深狀態(tài)如圖3所示?？梢钥闯觯?dāng)偏移量為0、0.1 mm時(shí)，焊縫表面出現(xiàn)局部咬邊和輕微飛濺，焊縫底部有未熔合缺陷。當(dāng)激光束偏向Q235側(cè)時(shí)，焊縫表面成形美觀，均呈現(xiàn)出均勻光滑的魚鱗紋形貌，從截面焊縫輪廓來看，兩側(cè)材料均已被完全焊透，這是由于Q235鋼的熔點(diǎn)高于SUS304不銹鋼，當(dāng)光束偏向SUS304側(cè)時(shí)，熱量主要集中于SUS304側(cè)，Q235側(cè)熱量不足導(dǎo)致該側(cè)焊縫底部產(chǎn)生未熔合。當(dāng)光束偏向Q235側(cè)時(shí)，熱量使兩側(cè)金屬熔化量比例適中，因此焊縫表面成形良好，從截面熔池形貌來看，兩側(cè)材料均被完全焊透。

圖3 不同偏移量下的焊縫和橫截面形貌

2.2 光束偏移量對(duì)焊接接頭組織的影響

圖4 焊接接頭顯微組織

圖5 不同偏移量下Q235側(cè)熱影響區(qū)金相組織

圖4是Q235和SUS304薄鋼板焊接接頭的顯微組織。由圖可知，焊接接頭大致分為Q235母材區(qū)、SUS304母材區(qū)、Q235側(cè)熱影響區(qū)Ⅰ、SUS304側(cè)熱影響區(qū)Ⅱ和焊縫區(qū)。Q235側(cè)母材區(qū)組織為鐵素體+珠光體，SUS304側(cè)母材區(qū)組織為奧氏體。SUS304側(cè)熱影響區(qū)很窄，主要以馬氏體為主，Q235側(cè)熱影響區(qū)相對(duì)較寬，呈現(xiàn)出明顯的柱狀晶組織。焊縫區(qū)組織主要為馬氏體+鐵素體+少量殘余奧氏體，且SUS304側(cè)馬氏體含量多。

由于Q235側(cè)熱影響區(qū)寬度比SUS304側(cè)寬，且前者晶粒也比后者粗大，該部位在靜力拉伸或服役過程中的應(yīng)力集中作用更加明顯，故著重研究激光束偏移量對(duì)Q235側(cè)熱影響區(qū)微觀組織的變化規(guī)律。由圖5可以看出，熱影響區(qū)主要由鐵素體和馬氏體組成。隨著光束向SUS304側(cè)偏移，組織中馬氏體含量減少，鐵素體含量增多且晶粒急劇長(zhǎng)大，呈現(xiàn)出明顯的柱狀晶組織。從圖中可以看出，當(dāng)偏移量為-0.2 mm時(shí)，熱影響區(qū)組織中的馬氏體含量較多，晶粒較為細(xì)小均勻。

圖6 不同偏移量下激光焊接接頭硬度分布曲線

2.3 光束偏移量對(duì)接頭顯微硬度的影響

不同偏移條件下焊接接頭橫截面的硬度分布如圖6所示。由圖6可見，最低硬度位于Q235母材區(qū)，為130 HV左右，最大硬度出現(xiàn)在焊縫中心偏向SUS304側(cè)，為460 HV左右，是Q235母材硬度的3.5倍。零偏移量和正偏移焊縫區(qū)硬度分布類似，均表現(xiàn)為SUS304側(cè)焊縫區(qū)的硬度大于Q235側(cè)硬度；而負(fù)偏移量時(shí)焊縫區(qū)兩側(cè)硬度相差較小，且焊縫中心處硬度有所降低。這是由于在正偏移和零偏移時(shí)，SUS304側(cè)金屬融化量大于Q235側(cè)金屬，導(dǎo)致Cr、Ni含量增大，使得固溶強(qiáng)化作用加強(qiáng)，在隨后的快速冷卻過程中發(fā)生了馬氏體轉(zhuǎn)變，造成SUS304側(cè)焊縫區(qū)馬氏體含量大于Q235側(cè)，從而使硬度得到提高。由于Q235鋼的熔點(diǎn)高于SUS304不銹鋼，采用負(fù)偏移能夠使得兩側(cè)金屬融化量相對(duì)接近，兩側(cè)金屬融化后充分融合，因此焊縫區(qū)兩側(cè)硬度相差較小。

2.4 光束偏移量對(duì)接頭抗拉強(qiáng)度的影響

圖7為不同偏移量下試件激光焊接接頭的拉伸性能。從圖7(a)可見，各試件斷裂位置均位于Q235母材處，說明焊接接頭的抗拉強(qiáng)度超過了Q235母材。由圖7(b)可知，各試樣的抗拉強(qiáng)度相差不大，負(fù)偏移量下試樣的抗拉強(qiáng)度略高于零偏移和正偏移量。其中偏移量為-0.2 mm時(shí)，試件的斷后伸長(zhǎng)率降低，其他偏移量下試件的斷后伸長(zhǎng)率相差不大。這主要是由于偏移量為-0.2 mm時(shí)，Q235側(cè)熱影響區(qū)組織中馬氏體含量增多，使其塑性降低。

(a) 拉斷試樣

(b) 拉伸曲線

3 結(jié) 論

(1)Q235/304異種鋼通過激光焊接可以得到表面成形良好的焊縫，在激光束偏向Q235側(cè)時(shí)，兩側(cè)母材均充分熔化，有效克服了未熔合缺陷，而且焊縫成形獲得顯著改善。當(dāng)激光光束居中和偏向SUS304側(cè)時(shí)，焊縫表面出現(xiàn)飛濺和咬邊等焊接缺陷，Q235側(cè)金屬熔化量不夠，焊縫底部出現(xiàn)缺口即未融合現(xiàn)象。

(2)光束偏向Q235側(cè)時(shí)，熱影響區(qū)組織中的馬氏體含量較多，晶粒較為細(xì)小均勻，隨著光束向SUS304側(cè)偏移，組織中馬氏體含量減少，且鐵素體變得粗大，呈現(xiàn)出明顯的柱狀晶組織。

(3)焊接接頭最大硬度出現(xiàn)在焊縫區(qū)，是Q235母材硬度的3.5倍。各拉伸試件斷裂位置均位于Q235母材處，說明焊接接頭的抗拉強(qiáng)度超過了Q235母材。