SUS304/42CrMo4異種材料激光焊接接頭微觀組織及力學性能研究

金愛龍

(同高先進制造科技(太倉)有限公司，江蘇 太倉 215400)

隨著工程應用和科學技術的發(fā)展，對零部件綜合性能要求越來越高，使用單一材料難以滿足各種要求[1]。因此，既能夠控制成本、又能滿足工作需求的異種材料的連接，尤其是不同種類鋼的焊接越來越受到關注[2]。

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

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]。隨著光纖傳輸技術的發(fā)展，激光焊接工藝得到了廣泛推廣，并應用于異種金屬的連接[9]。本文采用激光焊接工藝對異種材料SUS304/42CrMo4進行連接，結合SUS304良好的耐腐蝕性、耐熱性、低溫強度以及42CrMo4的耐磨性和高強度等優(yōu)點，研究了不同工藝參數對微觀組織和機械性能的影響，以確定最佳工藝參數。

1 實驗材料和方法

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

表1 選用母材成分表 %

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

圖1 SUS304和42CrMo4焊接示意圖

將焊后試樣進行線切割處理，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。然后進行鑲嵌、水磨、拋光，并用王水進行腐蝕待觀察。采用金相顯微鏡和掃描電鏡(SEM)進行接頭組織觀察。焊縫元素遷移的半定量分析由SEM附帶的能譜儀(EDS)進行點及線掃描從而進行成分分析。利用X射線衍射儀(XRD)分析焊縫相組成。通過維氏硬度儀來測試焊縫的顯微硬度分布，加載載荷為200 g，加載時間為10 s。根據GB/T 2651—2008 (ISO4136：2001，金屬材料焊縫破壞試驗-橫向拉伸試驗，IDT)測試拉伸強度。

2 結果和討論

圖2是焊接速度為30 mm/s和離焦量為 0 mm時，采用不同的激光功率(1 500，2 500 和3 000 W)進行焊接獲得的焊接接頭宏觀形貌。由圖可知，激光功率為1 500 W時，焊縫表面成型良好，觀察其焊縫背面及焊縫截面微觀形貌，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；當激光功率增加到3 000 W時，由于能量過高，焊縫表面出現(xiàn)少許燒穿現(xiàn)象；當激光功率為2 500 W時，觀察焊后接頭正反面宏觀形貌，均無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，采用不同離焦量(0，4和8 mm)進行焊接試驗所獲得的焊接接頭宏觀形貌。由圖可知，當離焦量f=4 mm時，焊接接頭焊縫表面及背面成型均勻，并無孔洞等缺陷；當離焦量f=0 mm時，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；當離焦量f=8 mm時，焊縫背面出現(xiàn)未焊透現(xiàn)象，這是由于離焦量過大導致工作平面上的能量密度降低。

圖3 離焦量對焊縫外觀的影響

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時獲得的焊后焊縫(WS)微觀組織形貌。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合，且無孔隙、裂紋等缺陷。從圖4(a)可以看出，由于奧氏體不銹鋼導熱系數較低，吸收率較高，即SUS304側溫度梯度較小，所以在SUS304一側產生的熱影響區(qū)(HAZ)窄，同時可以發(fā)現(xiàn)在焊縫內及附近存在一個動態(tài)再結晶過程，結合經典凝固理論，G/R(溫度梯度/凝固速率)降低導致焊縫和熱影響區(qū)發(fā)生晶粒細化現(xiàn)象，生成的微觀組織主要為奧氏體。

另外，由于激光焊接是一個快速冷卻和凝固的過程，當熔化的熔池從高溫快速冷卻后，淬硬性較大的42CrMo4側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，由于焊縫及熱影響區(qū)存在溫度場分布不均勻現(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時獲得的WS中心的SEM微觀組織圖。當離焦量f=4 mm時，由于較高的能量輸入，部分區(qū)域形成針狀馬氏體。當離焦量f=8 mm時，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時獲得的焊縫

圖4 焊縫微觀結構

圖5 離焦量對焊縫微觀組織的影響

的X射線衍射能譜圖。用軟件Jade進行標定，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。結果表明，大量馬氏體的形成與前文金相組織分析結果一致。

圖6 不同離焦量下焊縫X射線衍射能譜圖

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分析結果。圖7(b)顯示，圖7(a)中所示的6個標記點的化學成分在焊縫和42CrMo4界面附近呈上升趨勢，這很好地解釋了該區(qū)域存在碳化物。圖7(c)和(d)為線性元素掃描分析結果，由于在焊接過程中發(fā)生了溶解與擴散行為，F(xiàn)e從SUS304側向42CrMo4側逐漸增加。

圖7 焊縫EDS分析結果

圖8是SUS304/42CrMo4對接接頭在激光功率為2 500 W、焊接速度為30 mm/s時，不同離焦量情況下的顯微硬度分布圖。從SUS304到42CrMo4測量的平均顯微硬度可以看出，當離焦量從4 mm增加到8 mm時，焊縫區(qū)域的顯微硬度呈降低趨勢。這是由于隨著離焦量的增加，能量密度降低，導致冷卻速率下降，從而降低了馬氏體含量，增加了鐵素體的含量。結合圖4(c)，當離焦量為8 mm時，由于能量較低，焊接接頭未焊透，從而導致顯微硬度值較低。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)象說明，在激光焊接快速加熱和冷卻的過程中，奧氏體組織向更高硬度馬氏體轉變。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時所獲焊接接頭具有高硬度的原因之一。

圖8 SUS304/42CrMo4對接接頭

對獲得的焊接接頭進行拉伸試驗，進一步研究其力學性能，結果如圖9所示。當離焦量為4 mm時，斷裂發(fā)生在SUS304一側，平均抗拉強度數值為744.7 MPa；離焦量為8 mm時，斷裂發(fā)生在SUS304與WS之間的熔合線處，平均抗拉強度數值為633.5 MPa。這種較低的強度可能是由于圖4(c)中焊縫未焊透的原因導致，較低的能量密度引起焊縫應力集中。另外圖9表明，當離焦量為8 mm時，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，導致在熔合線處斷裂。

圖9 拉伸試驗應力-應變曲線

圖10是用掃描電鏡觀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，如前文對圖5的分析，焊縫組織為板條狀馬氏體，塑性相對較差，并且從圖9可以看出，該試樣在斷裂的時候沒有明顯的屈服現(xiàn)象發(fā)生，塑性變形很小，為典型的準解理特征[10]。當離焦量為4 mm時，焊接接頭拉伸試驗斷裂現(xiàn)象發(fā)生在基材SUS304上，同時結合圖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，在晶體滑移面上產生大量的位錯堆積，逐漸出現(xiàn)微孔，從而導致應力集中，微孔開始形核長大，相互聚集形成新的孔洞，直至整個接頭發(fā)生斷裂。

圖10 不同離焦量下斷口的微觀組織圖

3 結論

本文通過對異種材料SUS304和42CrMo4的激光焊接進行組織及性能研究，得出以下結論：

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

2)EDS分析表明，焊接過程中發(fā)生了元素遷移現(xiàn)象。此外，在靠近WS的SUS304側形成奧氏體，在42CrMo4側形成馬氏體、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，導致WS處顯微硬度值遠高于基材，同時在離焦量為4 mm時，所得焊接接頭硬度值高于離焦量為8 mm時所得焊接接頭硬度值。

拉伸試驗結果表明，離焦量為4 mm時，斷裂發(fā)生在SUS304側，其拉伸強度為744.7 MPa；離焦量為8 mm時，斷裂發(fā)生在SUS304與焊縫的熔合線處，其拉伸強度為633.5 MPa。導致該現(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。