保護氣流量對不銹鋼激光-MAG復合焊接頭組織和性能的影響

韓曉輝，趙延強，劉永剛，沈 林，楊曉益

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.西南交通大學材料科學與工程學院，四川成都610031）

保護氣流量對不銹鋼激光-MAG復合焊接頭組織和性能的影響

韓曉輝1，趙延強1，劉永剛1，沈 林2，楊曉益2

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.西南交通大學材料科學與工程學院，四川成都610031）

對8 mm厚SUS301L-MT不銹鋼進行激光-MAG復合焊接，研究不同保護氣流量對焊縫成形、顯微組織和力學性能的影響。試驗結果表明：當其他焊接參數一定時，在該試驗條件下保護氣流量對焊縫成形影響較小，焊縫區域組織相似，主要為柱狀奧氏體樹枝晶+少量的δ鐵素體。接頭顯微硬度和沖擊韌性隨保護氣流量的變化不明顯。接頭的抗拉強度隨保護氣流量的增加而提高，當保護氣流量為40 L/min時，接頭抗拉強度最高為765 MPa，達到母材抗拉強度的86.5%。分析拉伸斷口發現，不同保護氣流量斷口微觀形貌相似，斷口中分布著大量韌窩，表現為韌性斷裂。

不銹鋼；激光-MAG復合焊；保護氣流量；力學性能

0 前言

在軌道交通快速發展的今天，高品質、輕量化、高速度的城市軌道客車已成為主流趨勢。車身的制造材料也由過去的普通碳鋼材料替換為鋁合金、不銹鋼等多種高品質新材料[1]。不銹鋼具有強度高、可焊性好、耐蝕性強、免涂裝、全壽命周期成本低等優點，在我國軌道交通領域具有廣闊的應用前景[2-3]。

目前，SUS301L奧氏體不銹鋼已成為國內外城軌客車不銹鋼車體制造的主要材料[4]，奧氏體不銹鋼焊接性能非常好，但由于奧氏體不銹鋼熱導率低、線膨脹系數大，焊接過程中存在焊接變形大、晶粒粗大、熱裂紋等問題[5]。激光復合焊接技術具有焊接速度快、熔深大、焊接變形小、適應性好等優點[6]，可用于奧氏體不銹鋼焊接。目前國內外關于激光復合焊接工藝已有大量研究[7]，在激光復合焊接過程中保護氣有著重要作用，保護氣流量的改變會影響焊接質量。但有關保護氣流量對SUS301L不銹鋼接頭性能的影響還鮮有報道。試驗采用激光-MAG復合焊接方式對8 mm厚SUS301L奧氏體不銹鋼進行焊接，研究保護氣流量對其焊接接頭組織和力學性能的影響，為激光復合焊接技術在不銹鋼車體上的應用提供參考。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗選取SUS301L-MT奧氏體不銹鋼為研究對象，焊接試樣為板材，試板尺寸300 mm×150 mm× 8 mm；焊接填充材料采用ER308L焊絲，焊絲直徑φ1.2 mm。母材及填充焊絲的合金成分如表1所示。焊接方式為沿試板長度300 mm方向對接。

表1 SUS301L-MT不銹鋼及ER308L焊絲合金成分 %

1.2 試驗方法

試驗用激光器為YLS-4000光纖激光器，額定功率4 kW，透鏡焦距310 mm，光纖芯徑200 μm，輸出波長1.06 μm的連續激光。試驗采用KempArc-450脈沖焊機配合ABB IRB2600型機器人。

試驗試板開單邊25°坡口，留3 mm鈍邊，坡口形狀及尺寸如圖1所示。試驗采用激光在前、電弧在后的旁軸復合焊接方式，如圖2所示。焊接時熱源間距DLA=3 mm，激光入射角度80°，離焦量0 mm。焊前打磨清洗，裝配時留約0.5 mm間隙，單面焊雙面成型。焊接時采用Photron Fastcam SA4高速攝像機獲取電弧信息，采樣頻率1 000幀/s。試驗用保護氣體為φ（CO2）5%+φ（Ar）95%的混合氣體，相關焊接工藝參數如表2所示。

圖1 不銹鋼激光復合焊坡口形式

圖2 激光復合焊示意

表2 保護氣流量試驗焊接工藝參數

焊接完成后，沿焊縫橫截面方向切取60 mm× 10 mm×8 mm金相試樣，經砂紙研磨、拋光后采用苦味酸酒精溶液（鹽酸5 mL+酒精100 mL+苦味酸1 g）進行腐蝕，用Zeiss-A1M光學顯微鏡觀察金相組織。使用HVS-30型顯微型硬度計進行硬度試驗，所加載荷10 kg，加載時間10 s，沿焊縫中心向母材每隔0.5 mm測試一個點。焊縫的拉伸試驗參照GB/T 2651-2008《焊接接頭拉伸試驗方法》進行，拉伸試樣取樣位置和尺寸如圖3所示，采用WDW3100微機控制電子萬能試驗拉伸機，拉伸速度5 mm/min，測試接頭抗拉強度，每種參數取3個試樣，試驗數據為平均值。使用JSM-6490LV型掃描電鏡觀測拉伸斷口。按照GB/T2650-2008《焊接接頭沖擊試驗方法》在焊縫和熱影響區各取3個試樣進行沖擊試驗，試驗選用夏比V型缺口，8 mm厚SUS301L-MT不銹鋼沖擊試樣的厚度為7.5 mm。

圖3 拉伸試樣取樣位置及尺寸

2 試驗結果和分析

2.1 焊縫成形

上述焊接參數條件下獲得的8 mm SUS301LMT不銹鋼激光復合焊接頭宏觀成形及接頭截面如圖4所示。由圖4可知，不同保護氣流量條件下整條焊縫表面連續平整，焊縫寬度均勻，未見飛濺、咬邊等焊接缺陷，焊縫成形良好。接頭截面形貌呈高腳杯形狀，組織致密，無氣孔、裂紋等缺陷，具有典型的激光復合焊接頭特征。焊縫余高較低，背部熔透略微過渡。在焊縫區域可見明顯柱狀晶，以彎曲形狀由兩側向焊縫中心生長，這是由于焊接速度快，焊接時熔池的散熱方向與結晶等溫面垂直，使得晶粒主軸生長方向也垂直于等溫面[8]。上述現象說明三種接頭的焊縫成形受氣體流量的影響不大。采用高速攝像拍攝不同保護氣流量條件下所對應的激光-MAG電弧復合焊電弧形態，如圖5所示。由圖5可知，當保護氣流量增加到40 L/min時，電弧發生偏轉，這是由于在試驗條件下隨著保護氣流量的增加，保護氣抑制了等離子體膨脹上升，增強了激光和電弧的相互作用，使電弧偏轉，電弧長度增大[9]。

圖4 不銹鋼激光復合焊焊縫宏觀成型及接頭截面

圖5 不銹鋼激光-MAG電弧復合焊電弧形態

2.2 焊接接頭顯微組織

不同保護氣流量條件下的不銹鋼激光-MAG復合焊接頭組織如圖6所示，母材組織除呈纖維狀的形變奧氏體外，還有粗大的等軸狀奧氏體和奧氏體晶界上的α＇馬氏體（形變馬氏體）。不同氣流量下焊縫區域組織相似，主要為柱狀奧氏體樹枝晶+少量的δ鐵素體。

2.3 焊縫顯微硬度

測量不同保護氣流量下焊縫區域的顯微硬度，結果如圖7所示。不同保護氣流量焊接接頭的硬度分布規律相似，焊縫區域硬度最低約195HV，熱影響區硬度分布呈上升趨勢但低于母材硬度，其寬度3mm。這是因為在焊接熱源作用下，熱影響區晶粒發生回復和再結晶，使纖維狀形變奧氏體占比例減少，導致熱影響區硬度低于母材[10]。當保護氣流量為35 L/min時，熱影響區硬度值相比保護氣流量為30 L/min和40 L/min時略高。在不同保護氣流量條件下，母材硬度值均為最高，穩定在240 HV。因為母材SUS301LMT不銹鋼經過了形變強化處理，在形變過程中產生一定量的形變馬氏體，提高了硬度值。

圖6 不同氣流量條件下焊接接頭金相組織

圖7 焊接接頭硬度分布

2.4 焊接接頭沖擊性能

不同保護氣流量條件下，焊縫和熱影響區沖擊功數據分別取平均值，結果如圖8所示。由圖8可知，焊縫區域平均沖擊功隨著保護氣流量增加略有下降，當氣流量為40 L/min時沖擊功為95.7 J，約為母材（211 J）的45.4%。而當氣流量不同時熱影響區沖擊功相近，約為210 J，接近于母材。說明在該實驗條件下，焊接接頭沖擊功隨氣流量的變化不明顯。

2.5 焊接接頭拉伸性能

不同保護氣流量激光復合焊接頭拉伸試驗結果如表3所示。接頭抗拉強度與保護氣流量關系見圖9。分析可見，隨著保護氣流量增加焊接接頭抗拉強度不斷增加，當保護氣流量為40L/min時的抗拉強度最高，達765 MPa，約為母材抗拉強度（884 MPa）的86.5%。

圖8 焊接接頭沖擊功

表3 拉伸試驗結果

圖9 焊接接頭拉伸實驗結果

2.6 斷口分析

焊接接頭拉伸斷口宏觀形貌如圖10所示，由圖10a、10b可知，當保護氣流量為30 L/min、35 L/min時，斷口斷面尺寸變化較小，且斷口上分布有少量氣孔。圖10c為保護氣流量為40 L/min時的拉伸斷口宏觀形貌，斷口出現明顯緊縮，未見明顯氣孔，因此接頭韌性好、強度高。不同保護氣流量條件下的拉伸斷口微觀形貌如圖11所示。在不同保護氣流量條件下，斷口微觀形貌基本相同，斷口中分布著大量韌窩，大韌窩里還均勻分布著許多小韌窩，呈現出典型的韌性斷裂的特征。同時，在焊接過程中保護氣對電弧有壓縮作用，適當增加保護氣流量后對流換熱導致的散熱作用增強[11]，等離子體的電子溫度和電子密度波動幅度較小，電弧品質提高，焊接過程穩定[12]，焊接接頭質量好，這也是保護氣流量為40 L/min時抗拉強度最高的原因。

圖10 拉伸斷口宏觀形貌

3 結論

（1）采用激光-MAG復合焊焊接SUS301L-MT奧氏體不銹鋼，當其他焊接參數一定時，30 L/min、35 L/min和40 L/min保護氣流量對焊縫成形影響不明顯。不同保護氣流量下所得焊縫區域組織相近，主要為柱狀奧氏體樹枝晶+少量的δ鐵素體。

（2）不同保護氣流量所獲焊接接頭的硬度分布規律相似，焊縫區域硬度最低約為195 HV，熱影響區硬度分布呈上升趨勢但均低于母材硬度值，其寬度約為3 mm。焊接接頭沖擊功隨氣流量的變化不明顯。

圖11 拉伸斷口微觀形貌

（3）在試驗條件下隨著保護氣流量增加，激光和電弧的相互作用增強，焊接接頭抗拉強度不斷增加，當保護氣流量為40 L/min時的抗拉強度最高，達到765 MPa，約為母材抗拉強度的86.5%，且為韌性斷裂。

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Effects of flowrate of shielding gas flow on microstructure and properties of laser-MAG welding-welded joints of stainless steel

HAN Xiaohui1，ZHAO Yanqiang1，LIU Yonggang1，SHEN Lin2，YANG Xiaoyi2
（1.CSR Qingdao Sifang Co.，Ltd，Qingdao 266031，China；2.College of Materials Science and Technology，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

The laser-MAG hybrid welding was applied to weld the stainless steel with 8 mm thickness.The influence of shielding gas flow(SGF)on weld formation,microstructure and mechanical properties.The results showed that SGF under the test conditions had less effect on the bead shape，the weld microstructure were similar，mainly for branches of columnar austenite grain and small amount of δferrite when other parameters were unaltered.The micro-hardness and impact toughness of joint didn't change obviously with the change of SGF.The tensile strength of the weld would increased with the increase of SGF，and the tensile strength of the welding joint would reach its maximum 765 MPa when the SGF rate was 40 L/min，reaching 86.5%of the base material.It was found by analyzing tensile fracture of weld，the fracture morphology was similar with the different SGF，fracture morphology of the joint was a dimple pattern with feature of ductile fracture.

stainless steel；laser-MAG hybrid welding；shielding gas flow rate；mechanical properties

TG457.11

A

1001－2303（2017）03－0043-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.03.08

獻

韓曉輝，趙延強，劉永剛，等.保護氣流量對不銹鋼激光-MAG復合焊接頭組織和性能的影響[J].電焊機，2017，47（03）：43-48.

2016-06-20；

2016-10-11

韓曉輝（1977—），男，山東萊陽人，教授級高工，主要從事軌道車輛車體制造及焊接技術的應用與開發。