不同焊接方法下1J50合金與0Cr18Ni9不銹鋼焊接接頭組織與性能研究*

褚巧玲，曹齊魯，謝志剛，杜 治，曹 凱，常 哲

（1.西安理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710048；2.西安飛行自動(dòng)控制研究所，西安 710054；3.西安益通熱工技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司，西安 710032；4.西安熱工研究院有限公司，西安 710054）

0 前 言

1J50 軟磁合金在低磁場(chǎng)下具有很高的磁導(dǎo)率和很低的矯頑力，其價(jià)格較低、防銹能力和加工性能都比較出色，可以制作成形狀和尺寸極為精密的元器件，廣泛應(yīng)用于電器、空間和超導(dǎo)體領(lǐng)域[1]。0Cr18Ni9 奧氏體不銹鋼，具有良好的耐蝕性、耐熱性，綜合力學(xué)性能良好[2]，在化工、醫(yī)療器械和船舶配件等行業(yè)獲得廣泛應(yīng)用[3-4]。隨著現(xiàn)代工業(yè)對(duì)零部件性能提出更高的要求，單一的材料有時(shí)并不能滿足現(xiàn)有領(lǐng)域使用要求。與同種材料焊接相比，異種材料焊接難度更大、機(jī)理更復(fù)雜，在實(shí)際的工程焊接中, 異種金屬焊接的需求也非常多[5]?，F(xiàn)有的1J50 合金與0Cr18Ni9 不銹鋼焊接接頭采用手工鎢極氬弧焊工藝（TIG）制備，兩種材料的熱物理性能及冶金性能的差異會(huì)在很大程度上影響兩者之間的焊接性[6]。1J50 軟磁合金電阻率較低、線膨脹系數(shù)是0Cr18Ni9 的2 倍，對(duì)冷作變形應(yīng)力和熱應(yīng)力比較敏感；1J50 中Ni 含量達(dá)到50%，遠(yuǎn)高于0Cr18Ni9；在氬弧焊工藝下，1J50 側(cè)熱影響區(qū)有過(guò)熱傾向，易出現(xiàn)晶粒的長(zhǎng)大，不僅會(huì)降低焊接接頭力學(xué)性能，更會(huì)影響1J50 的各項(xiàng)性能。針對(duì)以上問(wèn)題，開(kāi)展1J50 與0Cr18Ni9 焊接過(guò)程中顯微組織影響規(guī)律、力學(xué)性能研究，對(duì)滿足產(chǎn)品各種性能要求、節(jié)約各種貴重金屬材料、降低成本具有重要的工程實(shí)際意義。

焊接接頭的性能對(duì)產(chǎn)品的使用壽命具有直接影響。普通鎢極氬弧焊（TIG）作為傳統(tǒng)的焊接方法，其焊接難度較大, 焊接熱輸入較大，質(zhì)量不夠穩(wěn)定, 且工作效率低[7-8]。采用TIG 焊焊接0Cr18Ni9 薄板時(shí)，因焊接熱輸入較大，常引起焊縫金屬力學(xué)性能下降，導(dǎo)致接頭性能達(dá)不到技術(shù)要求而失效[9]。CMT 焊接工藝具有熱輸入量小、變形小、制造靈活等特點(diǎn)，更適合薄板材料的精密焊接，在實(shí)際生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用[10-11]。冷焊是指通過(guò)機(jī)械力、分子力或電力使焊材熔覆到材料表面，從而提高材料硬度、強(qiáng)度、耐磨性能、耐蝕性能的一種焊接方法；其焊后焊縫熱影響區(qū)很小，變形量微小，非常適用于薄板焊接和輕型材料的焊接[12-13]。激光焊強(qiáng)度高、精度高、焊接殘余應(yīng)力和變形較小，相比于傳統(tǒng)焊接方法，激光焊接不銹鋼器件的焊接質(zhì)量更好[12-13]。

本研究針對(duì)射流管伺服閥力矩馬達(dá)產(chǎn)品研制過(guò)程中出現(xiàn)的零偏故障（外界環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，伺服閥零位發(fā)生變化），對(duì)其磁路組件與馬達(dá)殼體之間的焊接質(zhì)量開(kāi)展理論和試驗(yàn)研究。采用現(xiàn)有TIG焊接工藝進(jìn)行焊接試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)焊點(diǎn)的尺寸及熱影響區(qū)寬度對(duì)焊點(diǎn)有效承載能力存在明顯影響。因此，以1J50 和0Cr18Ni9 對(duì)接試件模擬磁路組件與馬達(dá)殼體之間的焊接連接，采用CMT、冷焊和激光焊三種不同焊接工藝對(duì)1J50 和0Cr18Ni9 進(jìn)行改進(jìn)焊接，借助現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)，系統(tǒng)研究焊接接頭微觀組織組成、元素分布、力學(xué)性能特征，從而為磁路組件與馬達(dá)殼體焊接優(yōu)化提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

圖1為熱處理后1J50試樣和Cr18Ni9試樣的顯微組織，兩種材料均為單相奧氏體組織，晶界清晰，部分晶粒可以觀察到孿晶結(jié)構(gòu)。圖2為射流馬達(dá)產(chǎn)品件實(shí)物圖，從圖2可以看出，兩側(cè)的1J50通過(guò)點(diǎn)焊與中間的0Cr18Ni9實(shí)現(xiàn)連接。針對(duì)實(shí)際產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，所設(shè)計(jì)的焊接尺寸如圖3 所示，1J50試板尺寸為15 mm×6 mm×10 mm（抗拉強(qiáng)度561 MPa），0Cr18Ni9 試板尺寸為15 mm×15 mm×1.1 mm（抗拉強(qiáng)度623 MPa），焊接試樣均未開(kāi)坡口。

圖1 兩種試樣熱處理后母材顯微組織

圖2 射流馬達(dá)產(chǎn)品件實(shí)物圖

1J50、0Cr18Ni9試板以及焊絲的化學(xué)成分見(jiàn)表1，焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表2。本試驗(yàn)由于零件尺寸較小，若使用CMT 與冷焊進(jìn)行連續(xù)焊接或焊透會(huì)導(dǎo)致焊后零件發(fā)生變形，導(dǎo)致產(chǎn)品無(wú)法使用；若采用激光焊接進(jìn)行點(diǎn)焊，由于光斑過(guò)小，焊后焊點(diǎn)有效承載能力無(wú)法達(dá)到使用要求。因此，在保證零件無(wú)較大變形前提下，三種焊接方法下均采用未焊透形式，CMT 與冷焊進(jìn)行點(diǎn)焊，激光焊進(jìn)行連續(xù)焊接。

表1 試板及焊絲化學(xué)成分 %

表2 焊接工藝參數(shù)

焊后從焊點(diǎn)中心截取橫截面，如圖3 紅色虛線所示；對(duì)焊縫利用80#至3 000#砂紙逐級(jí)打磨并拋光，先用腐蝕劑1 mL HNO3+4 mL HCl+5 mL H2O 腐蝕焊縫與0Cr18Ni9 母材，后用4%硝酸酒精腐蝕1J50 母材，獲得金相組織；對(duì)截取試樣進(jìn)行顯微組織觀察、元素分布測(cè)試、顯微硬度測(cè)試；圖4 為拉伸試驗(yàn)試樣結(jié)構(gòu)示意圖，對(duì)焊接后的試樣進(jìn)行加長(zhǎng)處理，即在1J50和0Cr18Ni9 試板外側(cè)分別進(jìn)行試板（0Cr18Ni9）的加長(zhǎng)焊接，室溫拉伸性能測(cè)試在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（型號(hào)MTS810） 上進(jìn)行，采用0.5 mm/min應(yīng)變速率。

圖4 拉伸樣品示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 宏觀形貌

圖5 為三種焊接方法下的焊接接頭宏觀形貌?？梢钥闯?，不同焊接方法對(duì)焊點(diǎn)尺寸有較大影響。CMT 和冷焊焊點(diǎn)形貌接近圓形；激光焊焊縫寬度均勻，焊縫表面成形美觀。從宏觀上看，三種焊接接頭均未出現(xiàn)裂紋等缺陷。三種焊接方法焊點(diǎn)尺寸分別為2.6 mm（CMT）、2.3 mm（冷焊）和1.2 mm（激光焊），激光焊焊點(diǎn)的尺寸明顯小于CMT 和冷焊工藝下焊點(diǎn)的尺寸。

圖5 不同焊接方法下1J50和0Cr18Ni9焊接接頭宏觀形貌

2.2 顯微組織

圖6～圖8 為不同焊接方法下接頭的顯微組織，圖中紅色虛線表示1J50 側(cè)熱影響區(qū)和0Cr18Ni9 側(cè)融合線。從圖中可以看出，不同焊接方法下，焊縫與兩側(cè)母材融合均較好。三種焊接方法得到的焊縫均未觀察到缺陷，組織為單相奧氏體，晶粒粗大，晶界清晰可見(jiàn)，呈柱狀樹(shù)枝晶，與1J50 一側(cè)母材呈現(xiàn)聯(lián)生生長(zhǎng)形貌，并且組織沿垂直于界面方向凝固，這是因?yàn)楹附訒r(shí)熔池?zé)崃肯蚰覆姆较驍U(kuò)散，垂直于界面的溫度梯度最高。三種焊接方法下，1J50 為細(xì)小等軸奧氏體晶粒，靠近焊縫熱影響區(qū)晶粒均出現(xiàn)粗化現(xiàn)象；而0Cr18Ni9 為粗大的塊狀?yuàn)W氏體，熱影響區(qū)晶粒粗化不明顯。三種焊接方法下，1J50 側(cè)熱影響區(qū)寬度均較小，CMT、冷焊及激光焊獲得的熱影響區(qū)寬度分別為0.041 mm、0.039 mm、0.051 mm（見(jiàn)表3），熱影響區(qū)的寬度差異不明顯。

表3 不同焊接方法下焊點(diǎn)尺寸統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

圖6 1J50和0Cr18Ni9 CMT焊焊接接頭顯微組織

圖7 1J50和0Cr18Ni9冷焊焊接接頭顯微組織

圖8 1J50和0Cr18Ni9激光焊焊接接頭顯微組織

不同焊接方法所獲得的焊接接頭的形狀、尺寸都不相同。通過(guò)測(cè)量獲得了不同焊接方法下焊點(diǎn)的熔深、余高和熱影響區(qū)的寬度，測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

經(jīng)CMT 焊接工藝得到的焊縫余高比較大，余高為0.72 mm，熔深最淺，為0.09 mm，造成該現(xiàn)象的原因可能是由于焊接熱輸入較低，導(dǎo)致母材無(wú)法得到充分融化；冷焊工藝所得到的焊縫熔深較小，熔深為0.42 mm，基本上沒(méi)有余高；激光焊工藝所得焊縫呈現(xiàn)V 形，基本沒(méi)有余高，熔深接近0Cr18Ni9 板厚度，即0.90 mm。

2.3 元素分布

圖9 為三種焊接方法下接頭主要元素（Fe、Ni、Cr）的能譜線掃描檢測(cè)結(jié)果，線掃描的方向?yàn)?J50 母材-焊縫-0Cr18Ni9 母材。從圖中可以看出，由于CMT 焊縫基本沒(méi)有熔深，線掃描只在焊縫區(qū)域進(jìn)行，因此焊縫中Fe、Ni、Cr 元素呈現(xiàn)均勻分布特征，其中Fe 元素含量最高，其次是Ni 元素，Cr 元素含量最小。冷焊中，F(xiàn)e 元素含量呈不斷上升趨勢(shì)；Ni元素在界面處呈減少趨勢(shì)，1J50 中部分Ni 元素進(jìn)入到焊縫中；Cr 元素在1J50 側(cè)界面附近含量明顯增加，其余區(qū)域稍有波動(dòng)，總體平穩(wěn)。在激光焊中，F(xiàn)e、Cr元素含量呈不斷上升趨勢(shì)，而Ni 元素含量呈減少趨勢(shì)；激光焊熔池?cái)嚢璨怀浞謱?dǎo)致Cr、Ni 元素在焊縫中存在明顯波動(dòng)。Cr、Ni元素成分值在界面附近產(chǎn)生的局部波動(dòng)說(shuō)明元素存在相互擴(kuò)散。

圖9 不同焊接方法下接頭橫截面EDS線掃描結(jié)果

2.4 顯微硬度

圖10 為三種焊接方法下測(cè)得的顯微硬度分布。從圖中可以看出，不同焊接方法下1J50母材與0Cr18Ni9 母材顯微硬度處于140HV0.1～160 HV0.1之間。而不同焊接材料焊接所得焊縫的硬度差異較大，激光焊縫的顯微硬度數(shù)值分布較平緩，處于120HV0.1～130HV0.1之間；冷焊焊縫的顯微硬度數(shù)值波動(dòng)較大，處于120HV0.1～160HV0.1之間，焊縫中心處與靠近界面處相比顯微硬度較低；CMT 焊縫的顯微硬度處 于150HV0.1～180HV0.1之間。CMT 焊縫 與冷焊焊縫的顯微硬度數(shù)值高于激光焊縫的顯微硬度數(shù)值，這是由于CMT 焊與冷焊熱輸入較小，導(dǎo)致焊縫處稀釋率較低，成分變化??；另外，由于CMT 焊與冷焊熱輸入較小，在焊接同種材料時(shí)，兩者散熱速率也比激光焊散熱速率快，焊后形成的組織也相對(duì)細(xì)小，進(jìn)一步提高了焊縫的顯微硬度。

圖10 不同焊接方法下接頭顯微硬度分布

2.5 拉伸性能

拉伸試驗(yàn)中，所有試樣均在測(cè)試焊點(diǎn)處開(kāi)裂。表4為不同焊接方法焊接所得焊縫的拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，從表4中可以看出，CMT焊、冷焊和激光焊所得焊縫抗拉強(qiáng)度分別為632 MPa、871 MPa和523 MPa，均高于現(xiàn)有TIG 焊工藝抗拉強(qiáng)度423 MPa。同時(shí)，CMT焊和冷焊所得焊縫的強(qiáng)度均高于1J50試樣抗拉強(qiáng)度561 MPa，說(shuō)明兩種焊接方法所獲得的接頭可滿足各母材安全運(yùn)行的條件；激光焊焊縫抗拉強(qiáng)度達(dá)到1J50母材的93%，同樣滿足要求。

表4 不同焊接方法下試樣焊縫拉伸測(cè)試結(jié)果

3 結(jié) 論

（1）不同焊接方法下，激光焊焊縫寬度最小，冷焊焊點(diǎn)寬度其次，CMT焊點(diǎn)寬度最大。

（2）焊縫處以柱狀樹(shù)枝晶為主，其中柱狀樹(shù)枝晶與1J50 一側(cè)母材呈現(xiàn)聯(lián)生生長(zhǎng)形貌；1J50一側(cè)熱影響區(qū)晶粒有粗化現(xiàn)象，0Cr18Ni9一側(cè)熱影響區(qū)晶粒粗化不顯著。

（3）CMT焊所得到的焊縫元素分布均勻，其中Fe 元素含量最高，其次是Ni 元素，Cr 元素含量最??；冷焊和激光焊所得到的焊縫中，F(xiàn)e 元素含量最高且呈上升趨勢(shì)，Cr 和Ni 元素含量在焊縫中存在波動(dòng)，在界面處發(fā)生元素?cái)U(kuò)散。

（4）三種焊接方法下，母材顯微硬度均處于140HV0.1～160HV0.1之間；不同焊接方法焊接所得焊縫的硬度差異較大，激光焊縫的顯微硬度數(shù)值最低，分布較平緩，處于120HV0.1～130HV0.1之間；冷焊焊縫的顯微硬度數(shù)值波動(dòng)較大，處于120HV0.1～160HV0.1之間；CMT焊縫的顯微硬度最高，處于150HV0.1～180HV0.1之間。

（5）所有接頭均在測(cè)試焊點(diǎn)處開(kāi)裂。三種焊接方法下所獲得的接頭抗拉強(qiáng)度均高于現(xiàn)行工藝TIG 焊。激光焊接頭接近全熔透形式，綜合考慮，為推薦的接頭形式。