線能量對奧氏體不銹鋼激光焊接質量的影響

陳俊科，石 巖，倪 聰，蔣士春，劉 佳

(長春理工大學機電工程學院，長春130022)

引 言

奧氏體不銹鋼具有耐腐蝕、耐高溫、加工性能好等優點，在工業生產中得到廣泛應用，其連接方法主要有焊條電弧焊、埋弧自動焊、熔化極惰性氣體(metal inert-gas，MIG)保護焊、惰性氣體鎢極(tungsten inert gas，TIG)保護焊［1-3］。和以上焊接方法相比，激光焊接具有熱輸入易控、熱影響區小、熱傳導所致變形低;不使用電極、無電極污染和損傷顧慮、無接觸、損耗和變形低;在焊接薄材時不會像電弧焊有回熔現象;焊接精準、深寬比大等優點［4-6］，因此激光焊接是焊接不銹鋼薄板的理想焊接方法。但工藝參量對激光焊接質量的影響較大，在不同的工藝參量下焊接質量可能會有較大差別［7-10］。本文中選擇用線能量作為復合表征量，以0.7mm厚304奧氏體不銹鋼為研究對象，在高、低兩種激光功率下研究了線能量對奧氏體不銹鋼激光全熔透焊接的焊縫成形及力學性能的影響，為奧氏體不銹鋼的激光焊接工藝提供研究數據和技術支持。

1 試驗材料、設備及方法

1．1 試驗材料

試驗材料采用0.7mm厚SUS304奧氏體不銹鋼薄板，其化學成分如表1所示。焊接試驗樣件尺寸為120mm×120mm，試驗前用丙酮擦拭樣件，除去樣件表面的油污。

1．2 試驗設備及方法

試驗中采用HL4006D型4kW Nd∶YAG激光器和KUKA焊接機器人系統完成。圖1為激光焊接過程示意圖。焊接過程中不銹鋼上下板均采用氬氣保護，分別在低功率和高功率條件下研究線能量對焊縫質量的影響。

Fig.1 Schematic diagram of laser welding

焊接后將試樣沿垂直焊縫方向切開取樣，經鑲嵌、研磨、拋光制備成金相試樣，使用三氯化鐵鹽酸水溶液(76mL水+24mL鹽酸+6g三氯化鐵)腐蝕。采用ME61型體式顯微鏡測量焊縫熔寬，采用光學顯微鏡和EVO18型掃描電子顯微鏡觀察焊縫宏觀形貌、微觀組織及斷口形貌，采用MH-60型數字顯微硬度計測量焊縫顯微硬度，采用美國MTS公司生產的810.22M電、液伺服材料試驗系統進行拉伸試驗。圖2為拉伸試樣示意圖。

Fig.2 Shape and size of a tensile specimen

2 試驗結果與分析

2．1 線能量對焊縫成形的影響

試驗中分別研究了低激光功率和高激光功率條件下線能量對焊縫成形的影響，研究結果表明，在不同激光功率條件下，線能量對焊縫成形的影響有很大差異。

圖3和圖4中分別為低功率條件下和高功率條件下焊縫截面形貌;圖5和圖6中分別為低功率條件下和高功率條件下線能量對焊縫正面熔寬、背面熔寬及熔合寬度的影響曲線。圖中E為線能量。研究認為［11］，激光穿透焊由于熔池上下表面均存在等離子體的熱輻射和熔池流動傳熱，當焊接熱輸入增加時，等離子體的熱輻射和熔池流動傳熱都呈增強趨勢，因此在一定范圍隨著線能量的增大，焊縫正背面熔寬及熔合寬度均呈增大趨勢。但是當激光功率不同時，增大程度有所不同，在低功率(1.5kW)焊接時，隨著線能量的增大，焊縫正、背面形貌變化較大;在高功率(3.0kW)焊接時，隨著線能量的增大，焊縫正、背面熔寬相差較小，焊縫截面呈典型的雙Y型，焊縫熔透穩定，成形良好。說明在高功率焊接時焊縫成形影響隨線能量變化的波動較小，焊縫成形更加穩定，而且獲得成形較好的焊縫所對應的線能量取值較小，因此可以實現高速焊接。但是在焊接時激光功率不宜過高，因為過高的功率會帶來咬邊、凹陷、飛濺等缺陷。

Fig.3 Cross section of welding at low power

Fig.4 Cross section of welding at high power

Fig.5 Effect of heat input on welding width at low power

Fig.6 Effect of heat input on welding width at high power

2．2 線能量對顯微硬度的影響

分別對兩組試驗樣件焊縫上板中央的顯微硬度進行了測試，載荷200g，保載時間10s，隔0.1mm采樣一次。測試結果顯示，接頭顯微硬度以焊縫中心為軸線呈對稱分布，母材和焊縫的顯微硬度基本一致，而過渡區附近顯微硬度呈上升趨勢，在過渡區達到最大值，如圖7所示。圖8為激光功率為3.0kW、焊接速率為0.045m/s時焊縫顯微硬度分布曲線。研究認為，奧氏體不銹鋼母材和焊縫晶粒較過渡區晶粒粗大，圖8a、圖8b和圖8c分別為母材、過渡區、焊縫微觀組織。由晶粒尺寸與顯微硬度的關系可知，晶粒越細小，晶界就會越多，對位錯移動的阻礙能力就會越強，因此抵抗塑性變形的能力增大，從而使該區域顯微硬度增高［12-13］。

Fig.7 Microhardness curves of welding joint

Fig.8 Microstructure of welding joint

Fig.9 Effect of heat input on microhardness

圖9 是線能量對不同激光功率焊接接頭顯微硬度的影響曲線。由圖可見，隨著線能量的增大，焊縫顯微硬度呈先增大后減小趨勢。在線能量較低時，由于焊接熱輸入不足導致接頭顯微硬度較低;當線能量增大時，焊接熱輸入逐漸增大，從而顯微硬度呈增大趨勢;當顯微硬度增到一定程度后，繼續增大線能量會使焊縫熱量輸入增大，冷卻速率減小，焊縫凝固結晶后得到焊縫組織晶粒尺寸增大，導致焊縫顯微硬度減小。

2．3 線能量對接頭靜拉伸強度性能的影響

分別測試了兩組試驗樣件的靜拉伸性能，由于熔合寬度的大小會導致斷裂方式的不同，而這種斷裂方式按定義分別為拉伸和剪切，本文中為了統一說法，均定義為接頭靜拉伸強度。測試結果顯示，接頭低功率時靜拉伸強度最小值為671.67MPa，高功率時靜拉伸強度最小值達780MPa，焊縫斷裂方式有母材斷裂和焊縫斷裂，焊縫斷裂均位于熔合線附近。此區域在焊接過程中處于和母材、熔池接觸的半熔化狀態，其性能與焊縫有一定的差別，是接頭的薄弱環節。

圖10所示為線能量對接頭靜伸強度的影響曲線。由圖可見，隨著線能量的增大，焊縫熔合寬度增大，因此接頭靜拉伸強度呈增大趨勢，當靜拉伸強度增大到一定值時，隨著線能量的增加，靜拉伸強度趨于平穩趨勢，這與線能量對焊縫熔合寬度的影響趨勢并不完全一致。圖11為在線能量相同時激光功率對接頭靜拉伸強度大小的影響。由圖可以看出在線能量相同的條件下，激光功率更高時焊縫靜拉伸強度值更大。

Fig.10 Effect of heat input on tensile strength

Fig.11 Effect of laser power on tensile strength

Fig.12 Morphology of tensile fracture

圖12a和圖12b分別為焊縫斷裂和母材斷裂宏觀形貌，圖12c和圖12d為焊縫斷裂樣件的微觀形貌。由圖可以看出，焊縫斷口為大小不一的等軸韌窩，是典型的韌性斷裂。韌窩的形狀主要取決于應力狀態，在正應力的作用下形成等軸韌窩。韌窩的形成過程為材料內部分離形成空洞，在滑移的作用下空洞逐漸長大，并和其它空洞連接起來就形成了韌窩斷口。由圖12d可知，焊縫內存在氣孔缺陷，由于氣孔產生不僅影響焊縫的致密性，而且還會減小焊縫的有效工作面積，造成局部應力集中，從而降低了焊縫的力學性能，是導致焊縫斷裂的原因之一。

3 結論

(1)不同的激光功率條件下，線能量對焊縫成形的影響不盡相同，低功率焊接時，焊縫成形隨線能量變化的波動較大;在高功率焊接時，焊縫成形隨線能量變化的波動較小，且獲得良好焊縫形貌所需要的線能量更低，在焊接時可選擇高功率高速焊接。

(2)焊縫顯微硬度分布不均勻，隨著線能量的增大，焊縫顯微硬度呈先增大后減小趨勢。激光焊接奧氏體不銹鋼接頭拉伸性能良好，斷裂方式為韌性斷裂。隨著線能量的增大，接頭靜拉伸強度呈增大趨勢，當靜拉伸強度增大到一定值時趨于穩定，這與線能量對焊縫熔合寬度的影響趨勢并不完全一致。

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