6mm厚304奧氏體不銹鋼激光焊接工藝規(guī)律的研究

陳樹(shù)青，魏 昕，趙杰魁，王 豪，2

（1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州510006；2.廣州機(jī)械科學(xué)研究院，廣東 廣州510700）

1 引言

1960年，美國(guó)T.Maiman制造了世界上第一臺(tái)激光器，自此，激光焊接技術(shù)受到各國(guó)加工行業(yè)的密切關(guān)注，發(fā)展速度飛快，激光器的輸出功率也越來(lái)越大，應(yīng)用場(chǎng)合不斷擴(kuò)大。隨著高功率激光器的研發(fā)與普及，高功率激光焊接技術(shù)得到了進(jìn)一步發(fā)展，成為了焊接工藝中重要的一員。與傳統(tǒng)的中厚板焊接技術(shù)相比，激光焊接的焊接過(guò)程熱源能量集中且焊接速度快，焊透同厚度工件所需熱輸入量少，展現(xiàn)出了焊縫熱影響區(qū)窄、殘余應(yīng)力和變形較小、效率高、焊接質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)［1-2］，使得其在現(xiàn)在的船舶制造、飛機(jī)制造、醫(yī)療器械、核電等工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

304奧氏體不銹鋼作為一種鉻-鎳不銹鋼，由于其較高的含鉻量與較低的含碳量，使得其具有強(qiáng)度高、塑性、韌性良好等機(jī)械性能和耐腐蝕性能。因此，廣泛應(yīng)用于生物工程、化學(xué)工程、航空航天、核電及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域［3－5］。但由于奧氏體不銹鋼其熱膨脹系數(shù)大且導(dǎo)熱系數(shù)小，采用傳統(tǒng)的焊接技術(shù)容易產(chǎn)生變形、殘余應(yīng)力、熱裂紋等問(wèn)題，激光焊接作為一種新型焊接技術(shù)，有著傳統(tǒng)焊接不可比擬的優(yōu)勢(shì)，能夠滿足304不銹鋼高質(zhì)、高效的焊接要求。

目前，光纖激光焊接主要應(yīng)用在薄板或熔深要求較小的場(chǎng)合，國(guó)內(nèi)對(duì)中厚板焊接只開(kāi)展了些許研究，加上焊縫組織、力學(xué)性能是材料焊接后使用性能的一個(gè)重要表征。綜上所述，對(duì)6mm厚不銹鋼板進(jìn)行對(duì)接焊試驗(yàn)，借助超景深、維氏硬度計(jì)和拉伸試驗(yàn)機(jī)等研究手段，研究了激光功率、焊接速度對(duì)激光焊接接頭的微觀組織及力學(xué)性能的影響規(guī)律，所得研究成果可以為工藝參數(shù)的優(yōu)化提供依據(jù)。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試板材料為304奧氏體不銹鋼，其化學(xué)成分及含量如表1所示，經(jīng)拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)得304不銹鋼母材的抗拉強(qiáng)度為729.9Mpa，經(jīng)激光切割后獲得焊接試板尺寸為150mm×70 mm×6 mm。實(shí)驗(yàn)鋼的顯微組織如圖1所示。由圖1可以看出，母材顯微組織為等軸奧氏體晶粒并伴有孿晶。在進(jìn)行焊接試驗(yàn)之前，為排除其他外界因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響，需要用砂紙對(duì)工件表面進(jìn)行打磨去除表面的氧化層，再用酒精或酮清洗表面的雜質(zhì)及油污。

表1 304不銹鋼材料化學(xué)成分Tab.1 Chemical Composition of 304 Stainless Steel Materials

圖1 304不銹鋼顯微組織Fig.1 304 Microstructures of Stainless Steel

2.2 試驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)中用到的激光焊接系統(tǒng)，包括RFL-C3300型光纖激光器，波長(zhǎng)為1080nm，經(jīng)聚焦直徑為200nm焊接頭聚焦后得到直徑為0.3mm的激光光斑。焊接時(shí)工件靜止，由FANUC M-20iA六軸機(jī)械手帶動(dòng)焊接頭運(yùn)動(dòng)來(lái)完成焊接，實(shí)驗(yàn)中的激光焊接示意圖如圖2所示。焊接完成后，獲得不同工藝參數(shù)下的焊接接頭，研究工藝參數(shù)對(duì)焊接接頭焊縫微觀組織、拉伸性能、硬度影響的影響規(guī)律并探究其成因。

圖2 激光焊示意圖Fig.2 Laser Welding Intent

焊接方式為對(duì)接焊，無(wú)填充焊料，焊接方法為氣體保護(hù)焊，保護(hù)方式為同軸保護(hù)，保護(hù)氣為氮?dú)?，氣體流量為25L/min。保護(hù)氣不僅能夠有效的抑制焊接熔池區(qū)域發(fā)生氧化，還能吹散等離子體，增加焊件對(duì)激光的吸收率。焊接實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 焊接參數(shù)設(shè)計(jì)表Table 2 Welding Parameter Design Table

沿垂直于焊接方向截取焊縫試塊，并以常規(guī)金相試樣制備方法制取焊縫橫截面金相試樣，采用顯微硬度計(jì)（型號(hào)為HV-1000）對(duì)焊接接頭顯微硬度進(jìn)行測(cè)量，加載載荷和加載時(shí)間分別200g和10s，測(cè)試位置為板厚中間，并從母材至焊縫中心依次間隔0.05mm取點(diǎn)測(cè)試。為了測(cè)得各工藝參數(shù)下焊接接頭拉伸性能，將焊好的對(duì)接試件和母材按照GB/T2651－2008標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拉伸樣件的加工，采用WDW3100型電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸測(cè)試（抗拉強(qiáng)度取3個(gè)試樣的平均值），為了讓試驗(yàn)結(jié)果更為準(zhǔn)確，拉伸速度設(shè)置為1mm/min。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 工藝參數(shù)對(duì)對(duì)接頭微觀組織的影響

研究表明，焊接接頭晶粒尺寸與其硬度、抗拉強(qiáng)度等具有非常密切的關(guān)系，決定著焊接接頭力學(xué)性能和失效形式。因此，控制晶粒尺寸對(duì)確保焊接接頭的質(zhì)量具有重要意義。試驗(yàn)中選取9組試驗(yàn)結(jié)果中的焊縫中心等軸晶晶粒尺寸及邊緣柱狀晶寬度進(jìn)行分析。當(dāng)焊接速度為15mm/s，激光功率為2500W、2900W、3300W時(shí)焊縫中心等軸晶晶粒尺寸以及邊緣柱狀晶寬度如圖3～圖4所示。當(dāng)激光功率為2900W、焊接速度分別為5mm/s、10mm/s和15mm/s時(shí)中心等軸晶晶粒尺寸以及邊緣柱狀晶寬度如圖5、圖6所示。

圖3 功率對(duì)柱狀晶寬度的影響Fig.3 Influence of Power on the Width of Columnar Crystal

圖4 激光功率對(duì)焊縫中心晶粒尺寸的影響Fig.4 Effect of Laser Power on Grain Size of Weld Cente

圖5 焊接速度對(duì)柱狀晶寬度的影響Fig.5 Influence of Welding Speed on the Width of Columnar Crystal

圖6 焊接速度對(duì)焊縫中心晶粒尺寸的影響Fig.6 Effect of Welding Speed on Grain Size of Weld Center

試驗(yàn)結(jié)果表明，激光功率對(duì)焊縫的微觀組織有明顯的影響。在焊接速度不變的條件下，當(dāng)激光功率由2500W增加到3300W時(shí)，柱狀晶的寬度及中心等軸晶尺寸不斷增大，如圖3、4所示。這主要是由于不同的功率下輸入量不同引起的。當(dāng)激光的功率為2500W時(shí)，熱輸入量小且冷卻凝固的速度快，熱量很快通過(guò)熔池周邊的固態(tài)金屬散失，熔池中心的晶粒由于來(lái)不及長(zhǎng)大而冷卻凝固成細(xì)小得等軸晶晶粒［6］。而當(dāng)激光功率逐漸增大時(shí)，熱輸入量逐漸增加，熔池的冷卻速度越來(lái)越慢，過(guò)冷度降低，形核率下降，焊縫中心的晶粒尺寸有增大趨勢(shì)。同時(shí)，隨著激光功率的增大，熱輸入量增加，冷卻速度變慢，使得熔合線附近柱狀晶獲得足夠長(zhǎng)的長(zhǎng)大時(shí)間而寬度變大。

試驗(yàn)結(jié)果表明，焊接速度對(duì)焊縫的微觀組織有明顯的影響。當(dāng)焊接速度由5mm/s增大至15mm/s時(shí)，熔合線附近柱狀晶的平均寬度及焊縫中心等軸晶尺寸都有減小的趨勢(shì)，如圖5、6所示。造成此現(xiàn)象的原因?yàn)椋弘S著焊接速度逐漸增大，線能量逐漸減小，作用于熔池的熱量逐漸減小，加快了熔池的冷卻速率，過(guò)冷度增大，形核率增大，焊縫中心的晶粒尺寸有變小趨勢(shì)；同時(shí)，隨著焊接速度的增大，冷卻速度隨著增大，使得熔合線附近柱狀晶未能獲得足夠長(zhǎng)的長(zhǎng)大時(shí)間而寬度變小。

3.2 工藝參數(shù)對(duì)焊接接頭硬度的影響規(guī)律

試驗(yàn)中分別對(duì)不同激光功率、焊接速度下焊接接頭硬度進(jìn)行測(cè)試，并求出其平均值。對(duì)于焊接接頭來(lái)講，接頭硬度取決于金屬材料的晶粒大小、合金元素含量等因素，因?yàn)榫Ы缡亲璧K位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的主要因素，晶粒越是細(xì)小，產(chǎn)生的晶界就越多，抵抗位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的能力就越強(qiáng)［7］，從而顯微顯微硬度也就更高。由圖7可以得出，當(dāng)焊接速度一定，激光功率由2500W增加至3300W時(shí)，接頭的平均顯微硬度整體呈下降趨勢(shì)。這是因?yàn)楫?dāng)功率逐漸加大時(shí)，線能量也隨著增大，焊縫晶粒發(fā)生粗化（如圖3、圖4），所以平均顯微硬度呈下降趨勢(shì)。

圖7 不同焊接功率下焊接接頭的平均顯微硬度（v=20mm/s）Fig.7 Mean Microhardness of Welded Joints with Different Welding Power

圖8反映了焊接速度對(duì)焊接接頭平均顯微硬度的影響。當(dāng)功率固定不變，焊接速度由5 mm/s增加到25mm/s時(shí)，接頭的平均顯微硬度整體呈上升趨勢(shì)。這主要是由于焊接速度增加時(shí)，激光作用于焊縫的時(shí)間變短，造成焊縫的熱輸入量變小，焊縫冷卻速度變大，過(guò)冷度也隨著增大。由金屬凝固學(xué)理論可知，隨著過(guò)冷度增加，形核率增大，焊縫凝固結(jié)晶后晶粒尺寸減小（如圖5、圖6），引起焊縫的平均顯微硬度值逐漸增大。

圖8 不同焊接速度下焊接接頭的平均顯微硬度（P=2900W）Fig.8 Average Microhardness of Welded Joints at Different Welding Speeds

3.3 激光焊接工藝參數(shù)對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律

分別將9組試驗(yàn)的焊接試樣加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣并進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)。對(duì)不同焊接速度、不同功率下焊縫的強(qiáng)度進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，接頭的斷裂位置都位于焊縫，在焊接速度為15 mm/s，功率為2900W的時(shí)候，焊縫的拉伸強(qiáng)度最高，達(dá)到711.5MPa，接近母材強(qiáng)度（729MPa），達(dá)到母材強(qiáng)度的97.5%。不同焊接速度和激光功率對(duì)應(yīng)的拉伸強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖9、圖10所示。由圖可知，隨焊接速度、功率的增加，各焊接接頭的拉伸強(qiáng)度呈先上升后下降趨勢(shì)。當(dāng)焊接速度為15mm/s，激光功率為2.5kW、2.7kW時(shí)，熱輸入量較低，不銹鋼板未能焊透，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，抗拉強(qiáng)度較差。當(dāng)激光功率達(dá)到2.9kW時(shí)，此時(shí)的能量輸入適中，晶粒尺寸相較3100W、3300W較小，其韌性、塑性、硬度等綜和性能都較好，使得焊縫的性能優(yōu)于其他焊接件，焊縫抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值711.5MPa；若繼續(xù)增大激光功率，焊縫將會(huì)由于熱輸入量太大而造成過(guò)渡熔透，出現(xiàn)凹陷缺陷，焊縫晶粒也會(huì)粗化（如圖3、圖4所示），影響焊縫機(jī)械性能，承載能力降低，抗拉強(qiáng)度逐漸下降。

圖9 激光功率對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響Fig.9 Effect of Laser Power on Tensile Strength

圖10 焊接速度對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響Fig.10 Influence of Welding Speed on Tensile Strength

同理，當(dāng)激光功率固定為2900W，焊接速度由5mm/s增大到25 mm/s時(shí)，由圖可知，經(jīng)拉伸試驗(yàn)后，焊接速度為v=10mm/s和v=15mm/s抗拉強(qiáng)度較其他工藝參數(shù)下高。這是因?yàn)楫?dāng)焊接速度v=10mm/s和v=15mm/s時(shí)，試樣均獲得了較好的焊縫形貌和晶粒細(xì)小的焊縫微觀組織。當(dāng)焊接速度過(guò)小時(shí)，試樣過(guò)度熔透并出現(xiàn)了晶粒尺寸粗大的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響著焊縫的力學(xué)性能；當(dāng)焊接速度增大到15mm/s時(shí)，焊縫微觀組織中的晶粒尺寸減小，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的晶界增多，故焊接接頭的拉伸性能提高。若繼續(xù)增大焊接速度，焊縫未熔透，產(chǎn)生應(yīng)力集中，抗拉強(qiáng)度急劇下降，拉伸斷于焊縫中心。

4 結(jié)論

（1）焊接工藝參數(shù)對(duì)焊接接頭的微觀組織影響很大。當(dāng)焊接速度增大時(shí)，柱狀晶寬度和中心等軸晶尺寸均減??；隨著激光功率逐漸增大時(shí)，熔合線附近柱狀晶寬度及中心等軸晶尺寸均逐漸增大。

（2）304不銹鋼焊接接頭的顯微硬度場(chǎng)沿焊縫中心對(duì)稱分布，焊縫區(qū)的顯微硬度高域母材。焊接功率和焊接速度對(duì)焊縫的顯微硬度有著顯著的影響，當(dāng)激光功率逐漸降低或者焊接速度逐漸增加時(shí)，焊縫的熱輸入量變小，焊縫凝固結(jié)晶后晶粒尺寸變小，顯微硬度值增大。

（3）隨焊接速度、激光功率的增加，各焊接接頭的拉伸強(qiáng)度呈先上升后下降趨勢(shì)。當(dāng)焊縫未出現(xiàn)由于熱輸入量太小而未焊透、熱輸入量太大出現(xiàn)較大凹陷缺陷，且晶粒尺寸較小時(shí)，能獲得拉伸性能良好的焊接接頭，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)711.5MPa，強(qiáng)度可達(dá)母材的97.5%。