SUS304/42CrMo4異種材料激光焊接接頭微觀(guān)組織及力學(xué)性能研究

金愛(ài)龍

(同高先進(jìn)制造科技(太倉(cāng))有限公司，江蘇 太倉(cāng) 215400)

隨著工程應(yīng)用和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)零部件綜合性能要求越來(lái)越高，使用單一材料難以滿(mǎn)足各種要求[1]。因此，既能夠控制成本、又能滿(mǎn)足工作需求的異種材料的連接，尤其是不同種類(lèi)鋼的焊接越來(lái)越受到關(guān)注[2]。

目前，采用手工電弧焊、攪拌摩擦焊以及氣體保護(hù)電弧焊來(lái)進(jìn)行碳鋼、不銹鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼等異種材料連接的工藝較多。吳瑋等[3]對(duì)SUS304和42CrMo4采用摩擦攪拌焊，研究結(jié)果顯示最大抗拉強(qiáng)度為687.55 MPa，在SUS304基體上發(fā)生斷裂。歐平等[4]對(duì)異種材料SA508與316L進(jìn)行填絲鎢極惰性氣體弧焊(TIG)試驗(yàn)，并對(duì)獲得的焊接接頭顯微組織與硬度進(jìn)行研究分析。Wang等[5]通過(guò)TIG對(duì)異種材料254SMO/Q235B的連接工藝進(jìn)行了研究。劉東宇[6]對(duì)異種材料E36和304連接獲得的焊接接頭微觀(guān)組織及性能進(jìn)行了研究。

然而，由于異種材料熱物理性能存在較大差異，使用傳統(tǒng)焊接方法很難獲得缺陷較少的接頭[7-8]。隨著光纖傳輸技術(shù)的發(fā)展，激光焊接工藝得到了廣泛推廣，并應(yīng)用于異種金屬的連接[9]。本文采用激光焊接工藝對(duì)異種材料SUS304/42CrMo4進(jìn)行連接，結(jié)合SUS304良好的耐腐蝕性、耐熱性、低溫強(qiáng)度以及42CrMo4的耐磨性和高強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，研究了不同工藝參數(shù)對(duì)微觀(guān)組織和機(jī)械性能的影響，以確定最佳工藝參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)選用SUS304和42CrMo4作為母材，尺寸均為100 mm×60 mm×2.5 mm，其主要化學(xué)成分見(jiàn)表1，焊接示意圖如圖1所示。在焊接前用銑床對(duì)材料表面進(jìn)行加工，并用丙酮清洗，以去除表層油污。

表1 選用母材成分表 %

激光焊接試驗(yàn)系統(tǒng)由大功率激光器IPG LDF- 6000、機(jī)器人KUKA、激光焊接頭HIGHYAG組成。試驗(yàn)時(shí)，保持焊接速度30 mm/s和保護(hù)氣體流量18 L/min不變，研究離焦量(分別設(shè)定為0，4，8 mm)、激光功率(分別設(shè)定為1 500，2 500，3 000 W)的變化對(duì)焊后焊縫性能的影響。

圖1 SUS304和42CrMo4焊接示意圖

將焊后試樣進(jìn)行線(xiàn)切割處理，其尺寸為10 mm×10 mm×5 mm ，繼而將試樣放入丙酮中，利用超聲波清洗去除其油污。然后進(jìn)行鑲嵌、水磨、拋光，并用王水進(jìn)行腐蝕待觀(guān)察。采用金相顯微鏡和掃描電鏡(SEM)進(jìn)行接頭組織觀(guān)察。焊縫元素遷移的半定量分析由SEM附帶的能譜儀(EDS)進(jìn)行點(diǎn)及線(xiàn)掃描從而進(jìn)行成分分析。利用X射線(xiàn)衍射儀(XRD)分析焊縫相組成。通過(guò)維氏硬度儀來(lái)測(cè)試焊縫的顯微硬度分布，加載載荷為200 g，加載時(shí)間為10 s。根據(jù)GB/T 2651—2008 (ISO4136：2001，金屬材料焊縫破壞試驗(yàn)-橫向拉伸試驗(yàn)，IDT)測(cè)試?yán)鞆?qiáng)度。

2 結(jié)果和討論

圖2是焊接速度為30 mm/s和離焦量為 0 mm時(shí)，采用不同的激光功率(1 500，2 500 和3 000 W)進(jìn)行焊接獲得的焊接接頭宏觀(guān)形貌。由圖可知，激光功率為1 500 W時(shí)，焊縫表面成型良好，觀(guān)察其焊縫背面及焊縫截面微觀(guān)形貌，可以發(fā)現(xiàn)由于能量密度不足，焊縫焊趾位置出現(xiàn)假焊及未焊透現(xiàn)象；當(dāng)激光功率增加到3 000 W時(shí)，由于能量過(guò)高，焊縫表面出現(xiàn)少許燒穿現(xiàn)象；當(dāng)激光功率為2 500 W時(shí)，觀(guān)察焊后接頭正反面宏觀(guān)形貌，均無(wú)任何焊接缺陷且焊縫呈現(xiàn)均勻狀態(tài)。

圖3是焊接速度為30 mm/s和激光功率為2 500 W時(shí)，采用不同離焦量(0，4和8 mm)進(jìn)行焊接試驗(yàn)所獲得的焊接接頭宏觀(guān)形貌。由圖可知，當(dāng)離焦量f=4 mm時(shí)，焊接接頭焊縫表面及背面成型均勻，并無(wú)孔洞等缺陷；當(dāng)離焦量f=0 mm時(shí)，由于光斑較小，不能較好地熔化母材，所以焊后表面成型不均勻且出現(xiàn)少許假焊現(xiàn)象；當(dāng)離焦量f=8 mm時(shí)，焊縫背面出現(xiàn)未焊透現(xiàn)象，這是由于離焦量過(guò)大導(dǎo)致工作平面上的能量密度降低。

圖3 離焦量對(duì)焊縫外觀(guān)的影響

圖4是激光功率為2 500 W、焊接速度為30 mm/s、離焦量為4 mm時(shí)獲得的焊后焊縫(WS)微觀(guān)組織形貌。由圖4(a)和(b)可以看出，異種材料在焊縫處形成良好冶金結(jié)合，且無(wú)孔隙、裂紋等缺陷。從圖4(a)可以看出，由于奧氏體不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)較低，吸收率較高，即SUS304側(cè)溫度梯度較小，所以在SUS304一側(cè)產(chǎn)生的熱影響區(qū)(HAZ)窄，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)在焊縫內(nèi)及附近存在一個(gè)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程，結(jié)合經(jīng)典凝固理論，G/R(溫度梯度/凝固速率)降低導(dǎo)致焊縫和熱影響區(qū)發(fā)生晶粒細(xì)化現(xiàn)象，生成的微觀(guān)組織主要為奧氏體。

另外，由于激光焊接是一個(gè)快速冷卻和凝固的過(guò)程，當(dāng)熔化的熔池從高溫快速冷卻后，淬硬性較大的42CrMo4側(cè)主要形成馬氏體和上貝氏體組織，在鐵素體之間保留了少量奧氏體；同時(shí)，由于焊縫及熱影響區(qū)存在溫度場(chǎng)分布不均勻現(xiàn)象，從焊縫到熱影響區(qū)溫度分布逐漸降低，所以在焊縫區(qū)形成的馬氏體數(shù)量高于熱影響區(qū)。

圖5是激光功率為2 500 W、焊接速度為30 mm/s、離焦量分別為4 mm和8 mm時(shí)獲得的WS中心的SEM微觀(guān)組織圖。當(dāng)離焦量f=4 mm時(shí)，由于較高的能量輸入，部分區(qū)域形成針狀馬氏體。當(dāng)離焦量f=8 mm時(shí)，焊縫中形成了一定角度的板條狀馬氏體。

圖6是激光功率為2 500 W、焊接速度為 30 mm/s、離焦量分別為4 mm和8 mm時(shí)獲得的焊縫

圖4 焊縫微觀(guān)結(jié)構(gòu)

圖5 離焦量對(duì)焊縫微觀(guān)組織的影響

的X射線(xiàn)衍射能譜圖。用軟件Jade進(jìn)行標(biāo)定，表明相組織分別是δ-Fe、γ-Fe和馬氏體，碳分別溶解在δ-Fe和γ-Fe中，形成鐵素體和奧氏體。結(jié)果表明，大量馬氏體的形成與前文金相組織分析結(jié)果一致。

圖6 不同離焦量下焊縫X射線(xiàn)衍射能譜圖

圖7是激光功率為2 500 W、焊接速度為30 mm/s、離焦量為4 mm的焊縫和基材上的EDS分析結(jié)果。圖7(b)顯示，圖7(a)中所示的6個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的化學(xué)成分在焊縫和42CrMo4界面附近呈上升趨勢(shì)，這很好地解釋了該區(qū)域存在碳化物。圖7(c)和(d)為線(xiàn)性元素掃描分析結(jié)果，由于在焊接過(guò)程中發(fā)生了溶解與擴(kuò)散行為，F(xiàn)e從SUS304側(cè)向42CrMo4側(cè)逐漸增加。

圖7 焊縫EDS分析結(jié)果

圖8是SUS304/42CrMo4對(duì)接接頭在激光功率為2 500 W、焊接速度為30 mm/s時(shí)，不同離焦量情況下的顯微硬度分布圖。從SUS304到42CrMo4測(cè)量的平均顯微硬度可以看出，當(dāng)離焦量從4 mm增加到8 mm時(shí)，焊縫區(qū)域的顯微硬度呈降低趨勢(shì)。這是由于隨著離焦量的增加，能量密度降低，導(dǎo)致冷卻速率下降，從而降低了馬氏體含量，增加了鐵素體的含量。結(jié)合圖4(c)，當(dāng)離焦量為8 mm時(shí)，由于能量較低，焊接接頭未焊透，從而導(dǎo)致顯微硬度值較低。另外，由圖8還可以看出，顯微硬度在異種鋼焊接接頭的硬度分布不均勻，從WS區(qū)向HAZ明顯下降，最終與母材硬度一致。這一現(xiàn)象說(shuō)明，在激光焊接快速加熱和冷卻的過(guò)程中，奧氏體組織向更高硬度馬氏體轉(zhuǎn)變。另外，在圖5(a)中，部分區(qū)域形成了針狀馬氏體，其硬度值高于圖5(b)中形成的板條狀馬氏體，這也是在離焦量為4 mm時(shí)所獲焊接接頭具有高硬度的原因之一。

圖8 SUS304/42CrMo4對(duì)接接頭

對(duì)獲得的焊接接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，進(jìn)一步研究其力學(xué)性能，結(jié)果如圖9所示。當(dāng)離焦量為4 mm時(shí)，斷裂發(fā)生在SUS304一側(cè)，平均抗拉強(qiáng)度數(shù)值為744.7 MPa；離焦量為8 mm時(shí)，斷裂發(fā)生在SUS304與WS之間的熔合線(xiàn)處，平均抗拉強(qiáng)度數(shù)值為633.5 MPa。這種較低的強(qiáng)度可能是由于圖4(c)中焊縫未焊透的原因?qū)е?，較低的能量密度引起焊縫應(yīng)力集中。另外圖9表明，當(dāng)離焦量為8 mm時(shí)，相較于離焦量為4 mm的焊接接頭，焊縫熔寬較寬，由于工作平面上的光斑較大從而使焊縫未焊透，導(dǎo)致在熔合線(xiàn)處斷裂。

圖9 拉伸試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

圖10是用掃描電鏡觀(guān)察不同離焦量情況下接頭斷口斷裂形態(tài)，由圖10(a)可以看出，斷口存在一些大小不等的韌窩，韌窩較淺且分布不均勻，如前文對(duì)圖5的分析，焊縫組織為板條狀馬氏體，塑性相對(duì)較差，并且從圖9可以看出，該試樣在斷裂的時(shí)候沒(méi)有明顯的屈服現(xiàn)象發(fā)生，塑性變形很小，為典型的準(zhǔn)解理特征[10]。當(dāng)離焦量為4 mm時(shí)，焊接接頭拉伸試驗(yàn)斷裂現(xiàn)象發(fā)生在基材SUS304上，同時(shí)結(jié)合圖10(b)可以看出該斷裂屬于典型的韌性斷裂。這是由于在外部施加載荷后，在晶體滑移面上產(chǎn)生大量的位錯(cuò)堆積，逐漸出現(xiàn)微孔，從而導(dǎo)致應(yīng)力集中，微孔開(kāi)始形核長(zhǎng)大，相互聚集形成新的孔洞，直至整個(gè)接頭發(fā)生斷裂。

圖10 不同離焦量下斷口的微觀(guān)組織圖

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)異種材料SUS304和42CrMo4的激光焊接進(jìn)行組織及性能研究，得出以下結(jié)論：

1)激光功率為2 500 W、焊接速度為30 mm/s、離焦量為4 mm時(shí)，焊縫表面成型連續(xù)且無(wú)氣孔和裂紋等缺陷。

2)EDS分析表明，焊接過(guò)程中發(fā)生了元素遷移現(xiàn)象。此外，在靠近WS的SUS304側(cè)形成奧氏體，在42CrMo4側(cè)形成馬氏體、上貝氏體和少量殘余奧氏體。

3)由于激光焊接的快速冷卻特性，焊縫中形成大量馬氏體，導(dǎo)致WS處顯微硬度值遠(yuǎn)高于基材，同時(shí)在離焦量為4 mm時(shí)，所得焊接接頭硬度值高于離焦量為8 mm時(shí)所得焊接接頭硬度值。

拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，離焦量為4 mm時(shí)，斷裂發(fā)生在SUS304側(cè)，其拉伸強(qiáng)度為744.7 MPa；離焦量為8 mm時(shí)，斷裂發(fā)生在SUS304與焊縫的熔合線(xiàn)處，其拉伸強(qiáng)度為633.5 MPa。導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因可能是能量不夠集中，熱輸入較小，出現(xiàn)未焊透現(xiàn)象。