不銹鋼激光點(diǎn)焊接頭組織和力學(xué)性能研究

王麗娟，牛瑞利

不銹鋼激光點(diǎn)焊接頭組織和力學(xué)性能研究

王麗娟，牛瑞利

（鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，鄭州 451100）

改善SUS301L–HT不銹鋼激光點(diǎn)焊焊接性能。以2 mm SUS301L–HT不銹鋼為母材進(jìn)行激光點(diǎn)焊試驗(yàn)，并分析焊接接頭的金相組織、硬度、拉伸性能以及斷口形貌等。焊點(diǎn)表面無(wú)損壞、壓痕均勻、無(wú)較大焊接變形，表面無(wú)飛濺、母材顏色無(wú)明顯變化。焊核區(qū)的微觀組織主要是柱狀晶，柱狀晶依附于未熔化母材晶粒向焊核中心生長(zhǎng)。母材硬度最高，約為309HV；焊核中心附近區(qū)域硬度適中，約為255HV，熱影響區(qū)硬度最小，不到220HV。點(diǎn)焊接頭斷裂形式多為紐扣式斷裂且發(fā)生在熱影響區(qū)。不銹鋼激光點(diǎn)焊整體質(zhì)量較好，可用于軌道列車車體加工。

激光焊；SUS301L-HT不銹鋼；微觀組織；力學(xué)性能

目前，我國(guó)軌道列車發(fā)展十分迅速，不銹鋼在列車中的應(yīng)用越來(lái)越普遍，主要是因?yàn)椴讳P鋼列車優(yōu)點(diǎn)比較明顯[1-3]，如防火性、安全性、撞擊吸能性、維護(hù)成本低等。其中，SUS301L奧氏不銹鋼不僅含碳量低而且還含有少量氮，除了可以確保焊接性和耐腐蝕性還能夠保持較高強(qiáng)度，因此SUS301L是不銹鋼列車車身材料首選[4-7]。列車車身成形涉及眾多加工方法，焊接則是不可或缺、至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。奧氏體不銹鋼的焊接方法比較多，電阻點(diǎn)焊、電子束焊、TIG焊、MIG焊、激光焊是幾種比較常見(jiàn)的焊接方法[8-17]。以激光焊接為例，焊接熱源就是一束高能量激光束，將激光束作用在工件表面進(jìn)行焊接的一種新興焊接技術(shù)[18-22]。與傳統(tǒng)焊接相比，激光焊優(yōu)勢(shì)比較明顯，焊接變形小、焊接應(yīng)力小、焊接速度快、焊縫無(wú)需二次處理、焊縫成形好、焊接效率高[23-25]。激光焊在不銹鋼薄板焊接領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，對(duì)于奧氏體不銹鋼激光焊的研究也已經(jīng)逐步展開(kāi)。楊立軍等[26]以0.5 mm厚A304不銹鋼為研究對(duì)象，采用YAG激光進(jìn)行焊接工藝研究，給出了不同工作模式下的最佳工藝參數(shù)。張巖等[27]利用脈沖激光焊進(jìn)行了SUS301L薄板不銹鋼對(duì)接焊實(shí)驗(yàn)，并分析了此種焊接方法的工藝特點(diǎn)、接頭微觀組織和硬度等。陳樹(shù)青等[28]采用光纖激光對(duì)304奧氏體不銹鋼進(jìn)行焊接，獲得成型良好的激光焊接接頭，利用光學(xué)顯微鏡、超景深、顯微硬度計(jì)等分析檢測(cè)手段，對(duì)304不銹鋼焊接接頭的微觀組織特點(diǎn)、力學(xué)性能及斷口特征進(jìn)行了研究并進(jìn)行相應(yīng)的分析。孫家豪等[29]在316L不銹鋼的激光焊過(guò)程中，根據(jù)材料焊縫二維不光滑輪廓特點(diǎn)，采用分段函數(shù)思想，構(gòu)建廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)焊縫二維形貌預(yù)測(cè)模型，平均相對(duì)誤差為?3.49%。歐陽(yáng)軼等[30]采用激光焊對(duì)0.635 mm厚的A286不銹鋼薄板進(jìn)行填絲焊接，研究了焊接接頭的微觀組織、顯微硬度、力學(xué)性能以及斷口形貌，焊縫區(qū)組織為柱狀晶奧氏體基體上分布著少量枝晶間的δ鐵素體，熱影響區(qū)發(fā)生了回復(fù)和再結(jié)晶，晶粒有一定程度的長(zhǎng)大；在常溫和高溫拉伸過(guò)程中，焊接接頭均在母材處斷裂，并且斷裂形式為典型的韌性斷裂，焊縫滿足強(qiáng)度要求。樊宇等[31]在激光功率為1 350 W、焊接速度為0.8 m/min的工藝參數(shù)下對(duì)316L不銹鋼板材進(jìn)行對(duì)接焊，發(fā)現(xiàn)激光功率和離焦量對(duì)熔深影響較大，而焊接速度則對(duì)熔寬和束腰寬影響較大。本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，以SUS301L-HT不銹鋼為研究對(duì)象，重點(diǎn)討論激光點(diǎn)焊接頭組織和力學(xué)性能，為不銹鋼激光點(diǎn)焊工藝設(shè)計(jì)提供一些參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)所選用母材為2 mm厚SUS301L-HT不銹鋼，母材成分與SUS301L完全相同，HT表示其強(qiáng)化方式。試樣具體尺寸為300 mm×150 mm×2 mm，不開(kāi)坡口。

母材SUS301L-HT成分如下：C元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.03%，Si元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于1.0%，Mn元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于2.0%，P元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.045%，S元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.03%，Ni元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于8%～10.5%，Cr元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于18%～20%，N元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.02%，剩余為Fe元素。

試驗(yàn)設(shè)備主要包括如下幾種：光纖激光器，型號(hào)為IPG YLR-4000，最大輸出功率為4 kW，激光波長(zhǎng)為1.07 μm，焦點(diǎn)直徑為0.3 mm，焦長(zhǎng)為250 mm；焊接機(jī)器人，型號(hào)為ABB IRB4400/60，額定負(fù)載為60 kg，重復(fù)精度可以達(dá)到0.07 mm。激光焊接主要參數(shù)如下：激光功率3 500 W，焊接速度3.0 m/min，離焦量+4 mm，保護(hù)氣體流量45 L/min。

焊接之前需要對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行一些處理，如砂紙打磨、丙酮清洗等。焊接結(jié)束后，可觀察焊縫表面形貌。截取焊縫金相試樣并打磨，利用LWS金相顯微鏡觀察焊縫截面形貌；利用WDW3200萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)；采用顯微硬度計(jì)觀測(cè)焊縫硬度分布，通過(guò)掃描電鏡觀測(cè)斷口形貌。試驗(yàn)研究過(guò)程中，制作10個(gè)試樣，每個(gè)試樣進(jìn)行1次試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。

2 不銹鋼點(diǎn)焊接頭組織性能分析性

2.1 宏觀形貌

鑒于該材料主要用在軌道列車上，所以點(diǎn)焊完成后，焊點(diǎn)需要滿足以下幾點(diǎn)要求：外觀平整、無(wú)較大焊接變形；焊點(diǎn)表面無(wú)損壞、壓痕均勻；表面無(wú)飛濺；母材顏色無(wú)明顯變化。焊點(diǎn)宏觀形貌如圖1所示，從圖中可以看出：接頭內(nèi)部并沒(méi)有出現(xiàn)飛濺現(xiàn)象；兩母材之間翹曲并不明顯；熔核無(wú)偏移；焊點(diǎn)表面壓痕深度非常小。通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，當(dāng)焊接電流為3.2 kA、電極壓力為4.3 kN、焊接周次為12時(shí)，點(diǎn)焊接頭質(zhì)量最好。將點(diǎn)焊接頭放大25倍，具體形貌如圖2所示。從圖2中可以比較容易地分辨出母材、焊點(diǎn)熔核、熔合區(qū)域、熱影響區(qū)，另外焊點(diǎn)的形狀規(guī)則、無(wú)夾雜物、組織比較純凈。

圖1 焊點(diǎn)宏觀形貌

圖2 焊點(diǎn)形貌（25倍）

2.2 微觀形貌

母材微觀組織形貌如圖3a所示，可以看出母材主要由奧氏體組成，同時(shí)含有少量鐵素體。熱影響區(qū)微觀組織形貌如圖3b所示，即母材和焊核之間的過(guò)渡區(qū)域，該區(qū)域主要是一些等軸狀?yuàn)W氏體晶粒，比較粗大且為熔化。因?yàn)辄c(diǎn)焊時(shí)間比較短、冷卻速度很快，所以熱影響區(qū)比較窄。熱影響區(qū)晶粒粗大的原因在于受焊接熱源影響晶粒出現(xiàn)回復(fù)和再結(jié)晶現(xiàn)象，導(dǎo)致晶粒不斷長(zhǎng)大。除此之外，離焊縫越近，晶粒尺寸越大。如上所述，熱影響區(qū)組織分布并不均勻，因此該區(qū)域性能分布也是不均勻的，該區(qū)域往往是整個(gè)接頭中最薄弱的環(huán)節(jié)。

圖3c為焊核微觀組織形貌，可以看出：熔核組織聯(lián)生結(jié)晶特征比較明顯，存在大量柱狀晶；這些柱狀晶垂直于熔合線并向焊點(diǎn)中心生長(zhǎng)。金屬?gòu)囊簯B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的一個(gè)重要前提就是過(guò)冷度，即只要液態(tài)金屬的過(guò)冷度足夠，金屬就會(huì)形核并凝固。在點(diǎn)焊過(guò)程中，兩個(gè)電極之間的母材會(huì)被熔化，此時(shí)處于過(guò)熱狀態(tài)。但是在焊核邊緣區(qū)域始終存在未熔化的固相金屬與液相金屬接觸，此時(shí)焊核會(huì)依附在固相表面非自發(fā)成核，沿散熱最快方向朝焊核中心生長(zhǎng)。最終，兩處柱狀晶會(huì)在板材中間處由于相互抵制而停止生長(zhǎng)，具體如圖3d所示。

圖3 微觀形貌

2.3 力學(xué)性能分析

點(diǎn)焊接頭硬度分布曲線如圖4所示，可以看出：焊接接頭的硬度分布并不均勻，呈現(xiàn)出“w”狀。其中母材處硬度最高，硬度約為309HV；焊核中心附近區(qū)域硬度適中，可以達(dá)到255HV，熱影響區(qū)硬度最小，不到220HV。

圖4 點(diǎn)焊接頭硬度分布曲線

2.4 熔核直徑

不同工藝參數(shù)下對(duì)應(yīng)的熔核直徑變化規(guī)律如圖5所示，熔核是基于在焊接頭通電后產(chǎn)生的熱能作用在不銹鋼金屬上形成的，由于熱能與所通的電流平方成正相關(guān)關(guān)系，因此電流對(duì)熔核影響很大。從圖5a可以看出，在2.0～3.2 kA范圍內(nèi)，熔核直徑與電流成正比，在3.2 kA時(shí)達(dá)到最大值5.19 mm，當(dāng)進(jìn)一步增大電流后，直徑會(huì)由于金屬飛濺而大幅度降低。圖5b為熔核直徑與電極壓力關(guān)系曲線，可以看出，在3.7～4.3 kN范圍內(nèi)，直徑表現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，達(dá)到最大值4.3 kN后，熔核直徑下降[32]。圖5c為熔核直徑與焊接時(shí)間的關(guān)系趨勢(shì)，可以看出在8～12 cyc（1 cyc=0.02 s）范圍內(nèi)，直徑隨著焊接時(shí)間的延長(zhǎng)而升高，與焊接電流左右機(jī)理類似，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，所提供的熱能越高，對(duì)應(yīng)的直徑也增加，但是當(dāng)超過(guò)最大值12 cyc后，由于金屬的飛濺將會(huì)導(dǎo)致熔核直徑的下降，因此從熔核直徑的變化趨勢(shì)圖可以得出最優(yōu)的工藝參數(shù)為：焊接電流3.2 kA，電極壓力4.3 kN，焊接時(shí)間12 cyc。

2.5 拉剪力性能

拉剪力與焊接電流、電極壓力、焊接時(shí)間的關(guān)系如圖6所示，圖6a為與焊接電流關(guān)系，可以看出，在2.0～3.2 kA范圍內(nèi)，拉剪力與電流表現(xiàn)為正相關(guān)，當(dāng)超過(guò)3.2 kA最大電流后，由于產(chǎn)生了金屬飛濺，導(dǎo)致焊接頭位置的拉剪力降低。圖6b為與電極壓力關(guān)系，可以看出，在3.7～4.3 kN范圍內(nèi)，拉剪力與電極壓力表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)電極壓力超過(guò)最優(yōu)值4.3 kN后，由于電極與不銹鋼材料的點(diǎn)焊接觸面積升高，熱能輸入降低，對(duì)應(yīng)拉剪力下降。圖6c為與焊接時(shí)間關(guān)系，可以看出，在8～12 cyc范圍，拉剪力與焊接時(shí)間表現(xiàn)為正相關(guān)趨勢(shì)，在12～16 cyc時(shí)間范圍內(nèi)，由于金屬飛濺將會(huì)引起點(diǎn)焊接頭處的拉剪力降低，因此從拉剪力的變化趨勢(shì)圖可以得出最優(yōu)的工藝參數(shù)為：焊接電流3.2 kA，電極壓力4.3 kN，焊接時(shí)間12 cyc。

圖5 熔核直徑

圖6 拉剪力

3 結(jié)語(yǔ)

1）SUS301L–HT不銹鋼點(diǎn)焊具有外觀平整、無(wú)較大焊接變形、焊點(diǎn)表面無(wú)損壞、壓痕均勻、母材顏色無(wú)明顯變化等特點(diǎn)。

2）焊核區(qū)的微觀組織主要是柱狀晶，柱狀晶依附于未熔化母材晶粒向焊核中心生長(zhǎng)；熱影響區(qū)組織分布并不均勻，該區(qū)域往往是整個(gè)接頭中最薄弱的環(huán)節(jié)，往往發(fā)生紐扣式斷裂。

3）母材處硬度最高，硬度約為309HV；焊核中心附近區(qū)域硬度適中，可以達(dá)到255HV，熱影響區(qū)硬度最小，不到220HV。綜上所述，不銹鋼激光點(diǎn)焊性能優(yōu)良、接頭質(zhì)量較好，可用于軌道列車車體加工。

4）基于熔核直徑和拉剪力指標(biāo)的考核，獲得點(diǎn)焊的最佳工藝參數(shù)為：焊接電流3.2 kA，電極壓力4.3 kN，焊接時(shí)間12 cyc。

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Microstructure and Mechanical Properties of Stainless Steel Laser Spot Welding Joints

Wang Li-juan, Niu Rui-li

(Zhengzhou University of Industrial Technology, Zhengzhou 451100, china)

To improve the welding performance of SUS301L-HT stainless steel laser spot welding, the laser spot welding test was carried out with 2 mm SUS301L-HT stainless steel as the base material, and the microstructure, hardness, tensile properties and fracture morphology of the welded joints were analyzed. The test results show that there is no damage, uniform indentation, no large welding deformation, no splash on the surface and no obvious change in the color of the base material. The microstructure of welded core is mainly columnar crystals which grow towards the center of welded core attached to the unmelted base metal grains. The hardness of base material is the highest, about 309HV. The hardness of the region near the core center is moderate, about 255HV, and the hardness of the heat-affected zone is the least, less than 220HV. The fracture form of spot welded joints is button fracture and occurs in the heat affected zone. Laser spot welding of stainless steel has good overall quality and can be used for rail train body processing.

laser welding; SUS301L-HT stainless steel; microstructure; mechanical properties

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.10.017

TG456.7

A

1674-6457(2022)10-0120-06

2021–10–09

河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目（222102210155）

王麗娟（1984—），女，講師，主要研究方向?yàn)椴牧?、力學(xué)。