焊接速度對304L鋼薄板激光焊接接頭性能的影響

王 波， 舒林森,2*

(1.陜西理工大學(xué) 機械工程學(xué)院， 陜西 漢中 723000；2.陜西省工業(yè)自動化重點實驗室， 陜西 漢中 723000)

304L不銹鋼具有良好的耐蝕性，耐高、低溫且沖擊韌性好，在航空、航天、船舶、汽車、壓力容器和食品機械等行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[1-2]。與普通碳素鋼相比，不銹鋼的熱脹系數(shù)大，導(dǎo)熱系數(shù)小，焊接時易發(fā)生變形。對于厚度為1 mm的不銹鋼薄板而言，傳統(tǒng)技術(shù)(如MIG/MAG焊接、TIG焊接等)更易引發(fā)焊后變形大、焊縫成形不良、甚至燒穿等問題[3-4]。較之傳統(tǒng)的焊接方式，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，適宜薄板不銹鋼材料的焊接[5-7]。焊接速度直接影響薄板焊接效率和焊接接頭的力學(xué)性能。文獻[8-9]通過研究不同焊接速度對激光焊接接頭性能的影響，獲得了激光焊接接頭的焊接工藝與力學(xué)性能。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對304L不銹鋼薄板激光焊接速度、焊接接頭性能等方面開展了廣泛的研究。文獻[10-12]研究了不銹鋼薄板焊接工藝性能、焊后變形；文獻[13-15]通過分析、研究影響金屬焊接接頭力學(xué)性能的因素，得到了成形較好的焊縫接頭。

雖然有關(guān)不銹鋼薄板激光焊接接頭性能研究成果的報道不多，但上述文獻的研究成果為厚度小于1 mm的薄鋼板焊接提供了基礎(chǔ)理論和研究思路。本文以厚度0.4 mm的304L不銹鋼薄板為研究對象，通過對200、250、300、350、400 mm/min這5種速度下激光焊接接頭的硬度、拉伸性能進行測試分析，為厚度0.4 mm的304L不銹鋼薄板的焊接應(yīng)用提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為厚度0.4 mm的304L不銹鋼薄板，母材化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1和表2所示。

表1 304L不銹鋼主要化學(xué)成分表

表2 304L不銹鋼的性能指標

1.2 試驗設(shè)備及方法

激光焊接系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示，該激光系統(tǒng)由激光系統(tǒng)、保護氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和工作臺組成。其中Nd∶YAG激光器最大輸出功率P=800 W，激光波長為λ=1064 nm，標準光斑直徑D=1.5 mm，控制系統(tǒng)具備X、Y、Z方向移動自由度，精度達0.01 mm。激光焊接前設(shè)置焊接參數(shù)及不同焊接速度，對試件進行激光焊接。本文采用變焊接速度的試驗方法，5種焊接速度分別設(shè)置為V1=200 mm/min、V2=250 mm/min、V3=300 mm/min、V4=350 mm/min、V5=400 mm/min。試驗過程中其余工藝參數(shù)分別為離焦量h=-25 mm，脈寬b=2.4 ms，電流I=170 A，工作頻率f=14 Hz。

圖1 激光焊接系統(tǒng)組成

采用HV-1000數(shù)字式顯微韋氏硬度計對焊接接頭橫截面硬度進行測量(載荷為9.8 N，加載時間為10 s)。具體實施中，待試件完成激光焊接后冷卻半小時再進行測量。采用多點測量法來表征焊接接頭橫截面硬度情況，即在焊接接頭橫截面上沿垂直于焊縫方向依次選取21個測量點，獲取焊后304L不銹鋼薄板硬度數(shù)據(jù)。拉伸試驗采用YL100-W液壓雙動拉伸機在拉伸速度為5 mm/min條件下進行，拉伸前在試件參數(shù)中設(shè)置試樣寬度10 mm，厚度0.4 mm，標距30 mm。為減小試驗偶然性及數(shù)據(jù)計算誤差，不同試驗參數(shù)下分別選取3組拉伸試樣求其平均值，記錄試驗機單向拉伸試驗數(shù)據(jù)。

1.3 焊接試件制備

圖2 拉伸試樣尺寸及硬度測量路徑

為減少激光焊接接頭以及拉伸試樣中的焊接缺陷，本試驗采取先在較大的試驗薄板上完成對接焊試驗，然后在焊后薄板上切割出拉伸試樣，并清洗拉伸試樣表面的油污。先用砂紙打磨掉較大試驗薄板上對邊的加工痕跡和表面氧化層等雜質(zhì)，最后用丙酮將試件清洗和風干燥處理，用酒精擦拭304L不銹鋼薄板的待焊接部位，然后采用自制夾具將兩塊較大薄鋼板對接并固定，對接處的間隙小于0.1 mm。以最優(yōu)焊接工藝參數(shù)分別進行不同焊接速度的激光焊接試驗，對焊后薄板進行切割、清潔，得到如圖2所示較為均勻、完整的拉伸試樣。選取垂直于焊縫中心的方向，切割出15 mm的顯微硬度觀測試件，并在試件表面均勻選取21個測量點，測量焊接接頭硬度值。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 焊接接頭的宏觀形貌

圖3為不同焊接速度下激光焊接試樣宏觀形貌?？梢钥闯?，5種焊接速度下304L不銹鋼薄板的焊接接頭較為完整、均勻，且都已熔透，焊縫自熔性良好，熔寬隨著焊接速度的提高而減小。觀察焊后試件的整體形貌可知，隨著焊接速度的提高，焊縫熔寬逐漸減小，焊縫質(zhì)量逐漸改善。當焊接速度為200、250 mm/min時，焊接接頭較寬，易過燒，呈現(xiàn)出黑色，特別是焊接速度為200 mm/min時，焊縫處出現(xiàn)了明顯的咬邊現(xiàn)象；當焊接速度提高至400 mm/ min時，焊縫較窄，無缺陷，魚鱗紋明顯呈銀白色。

圖3 不同焊接速度下激光焊接試樣宏觀形貌

圖4 焊接速度對焊縫熔寬的影響

焊接速度對焊縫熔寬的影響情況如圖4所示。通過測量5種焊接速度下焊縫的正、背面熔寬可知，當焊接速度逐漸提高時，試件焊接接頭的熔寬都呈現(xiàn)逐漸減小的變化規(guī)律，且正面熔寬明顯大于背面熔寬，這與焊接瞬時能量和焦點光斑位置密切相關(guān)。5組試驗中離焦量值保持不變，當焊接速度逐漸減小時，激光光斑移動速度降低，焊縫處瞬時能量過大，冷卻速度下降，接頭熔化區(qū)域面積增大，使得焊接接頭正、背面熔寬逐漸增大；當處于高焊接速度時，光斑快速移動使得焊接能量輸入變小，冷卻速度加快，304L不銹鋼薄板母材的熔化區(qū)域減小，使得焊接接頭正、背面熔寬逐漸減小。

2.2 顯微硬度

圖5為不同焊接速度下激光焊接接頭的顯微硬度分布。發(fā)現(xiàn)不同焊接速度下的304L焊接接頭橫截面硬度分布趨勢基本相同，并且都以焊縫中心處對稱，呈現(xiàn)出M形。熱影響區(qū)和焊縫區(qū)的硬度值均高于母材區(qū)，并且在熱影響區(qū)硬度上升和下降較為顯著。當激光焊接速度分別為200、250、300、350、400 mm/min時，焊接接頭焊縫區(qū)域的平均硬度值分別是305、306、310、324、337 HV；焊縫熔寬隨著焊接速度的提高而減小，平均硬度變大，當焊接速度為400 mm/min時，焊接接頭處的平均硬度約為母材硬度的1.2倍，其硬度最高值在接頭中心兩側(cè)，約為350 HV。

圖6為各焊接速度下熔合區(qū)和外側(cè)熱影響區(qū)平均硬度值。由圖中平均硬度值分析可知，5種焊接速度下外側(cè)熱影響區(qū)的平均硬度值相差較小，大約在277～294 HV之間，接近于304L母材的硬度值271 HV。熔合區(qū)硬度值隨著焊接速度的提高而逐漸變大，焊接速度為400 mm/min時，其硬度值最大，為332 HV；激光焊接速度較低會使焊縫處硬度降低，當焊接速度為200、250 mm/min時，瞬時能量輸入過大，冷卻能力下降，致使焊接接頭處出現(xiàn)咬邊、過燒等不足，使其平均硬度降低。

圖5 不同焊接速度下激光焊接接頭的顯微硬度分布 圖6 硬化熔合區(qū)和外側(cè)熱影響區(qū)平均硬度值

2.3 焊接接頭拉伸性能

為保證焊縫質(zhì)量的穩(wěn)定性和試驗結(jié)果的準確性，分別取同一速度下的3次拉伸試驗結(jié)果的平均值為最后的試樣拉伸數(shù)值。在室溫下對不同焊接速度下的拉伸試件進行拉伸試驗，拉伸后的形貌如圖7所示，圖中①—⑤分別為V1=200 mm/min、V2=250 mm/min、V3=300 mm/min、V4=350 mm/min、V5=400 mm/min幾種不同焊接速度下的拉伸試樣，⑥為母材拉伸試樣。

圖7 焊接試樣拉伸后的形貌對比

從圖7拉伸后的試樣形貌可以看出，不同焊接速度下的室溫拉伸斷裂均發(fā)生在焊接接頭焊縫區(qū)域，各速度下的拉伸試樣都明顯伸長，當速度為V1和V3時伸長量較小，速度為V2和V4時伸長量較大，速度為V5時伸長量最大。母材試件拉伸后伸長量明顯高于其他焊接試件，母材拉伸斷裂處呈現(xiàn)近似45°的斷口。

圖8為母材與不同焊接速度下激光焊接接頭拉伸試驗曲線。由圖8(a)、(b)曲線可知，隨著焊接速度的提高，試件焊接接頭的屈服強度、拉伸強度先減小后增大；當拉伸載荷超過2 kN時，試件陸續(xù)出現(xiàn)屈服、斷裂，最大拉伸載荷為2.92 kN；母材試件最后斷裂，最大拉伸載荷為4.62 kN。由圖8(c)曲線可知，母材試件的應(yīng)力最大，其最大真實應(yīng)力是2042 MPa；焊接速度為200 mm/min時焊接接頭最大真實應(yīng)力是864 MPa。由圖8(d)曲線可知，試驗中隨著焊接速度的提高，斷后伸長率也呈現(xiàn)增大趨勢，焊接接頭的斷后伸長率均小于母材。綜上，在進行不同速度下的304L不銹鋼薄板激光焊接試驗時，焊接接頭的力學(xué)性能隨著焊接速度的提高而呈現(xiàn)出增大的趨勢，但始終小于304L不銹鋼母材的力學(xué)性能，在焊接速度為400 mm/min時，焊接質(zhì)量最好，力學(xué)性能與母材最為接近。

表3為母材與焊接接頭的室溫拉伸試驗結(jié)果。5種焊接件的斷裂位置都在焊縫處，通過數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，各焊接速度下室溫拉伸試驗的拉伸強度、屈服強度、斷后伸長率都小于304L母材性能。從整體來看，隨著焊接速度的提高，焊接件的拉伸強度、屈服強度、斷后伸長率都在逐漸增大。這是因為對于厚度0.4 mm的304L薄鋼板，在一定離焦量下隨著焊接速度的提高，光斑在焊縫處分布更加均勻，焊接質(zhì)量較好，增大了力學(xué)性能；當速度為200、300 mm/min時，焊接接頭的力學(xué)性能都偏小，特別是斷后伸長率僅是母材的18.3%、29.57%。這是因為當焊接速度過小時光斑過于致密，使得焊接時光斑重疊次數(shù)較多，導(dǎo)致焊縫處焊接質(zhì)量變差，從而降低了焊接接頭的力學(xué)性能；當焊接速度為400 mm/min時，焊接接頭的整體焊接力學(xué)性能較好，屈服強度和拉伸強度接近母材性能。

圖8 母材與不同焊接速度下激光焊接接頭拉伸試驗曲線

3 結(jié) 論

本文利用Nd∶YAG激光器對304L鋼薄板進行5種不同焊接速度下的焊接工藝試驗，結(jié)果表明，5種焊接速度下的焊接接頭較為完整、均勻且都已熔透，焊縫處自熔性連接較好，焊縫與熱影響區(qū)域明顯。具體結(jié)論如下：

(1)隨著焊接速度提高，焊縫正、背面熔寬依次減?。划敽附铀俣葹?00、250 mm/min時，焊接接頭性能較差，焊縫較寬且出現(xiàn)過燒、咬邊等焊接缺陷；當焊接速度逐漸提高至350、400 mm/min時，焊縫較窄，成形較好，無縱向裂紋。

(2)5種焊接速度下焊接接頭硬度曲線分布都為M形，焊接熱影響區(qū)和焊縫區(qū)硬度都高于母材；5種焊接速度下的屈服強度、拉伸強度、斷后伸長率均小于母材，斷裂部位都在焊縫處；當焊接速度為400 mm/min時，焊接接頭的屈服強度、拉伸強度、斷后伸長率最佳，分別為母材的92%、87.6%、56.52%。