441鐵素體不銹鋼激光電弧復合焊工藝研究

黃種生，時海芳，饒盼龍，張榮遼寧工程技術大學；寶鋼德盛不銹鋼有限公司；寶鋼不銹鋼有限公司

441鐵素體不銹鋼激光電弧復合焊工藝研究

黃種生1，時海芳1，饒盼龍2，張榮3
1遼寧工程技術大學；2寶鋼德盛不銹鋼有限公司；3寶鋼不銹鋼有限公司

鐵素體不銹鋼軋制生產中要求焊縫高效可靠。傳統的焊接方式多采用氬弧焊，焊后焊接接頭晶粒易粗大，韌性低、有晶間腐蝕傾向，并不能很好的滿足大壓下率的焊縫軋制生產需求。故本文以441鐵素體不銹鋼為研究對象，采用激光電弧復合焊接工藝，通過觀察焊縫的宏觀形貌、微觀組織結構、拉伸試驗、彎曲試驗、晶間腐蝕試驗以及軋制模擬試驗。結果表明441鐵素體不銹鋼對焊接線能量敏感，采用合理焊接工藝規范，能獲得質量良好焊接接頭，其性能可以滿足大壓下率的焊縫軋制生產。

441鐵素體不銹鋼；激光電弧復合焊；力學性能；軋制

前言

441鐵素體不銹鋼是一種中鉻高純鐵素體不銹鋼，具有優良的耐蝕性，尤其是耐氯化物腐蝕的性能，與奧氏體不銹鋼相比，其導熱性好，線膨脹系數小，可在多種腐蝕介質環境下替代SUS304不銹鋼。但是，受焊接熱循環影響，鐵素體不銹鋼焊接區在室溫下韌性較低，易產生裂紋，導致焊接區域產生裂紋及脆斷時有發生[1,2]。而在軋制過程中，焊縫主要受到張力、壓下量及軋制速率的影響，只有當焊縫性能接近或超過母材時，才能保證其在軋制過程中不開裂。另一方面，焊縫通過軋機時會因受到擠壓產生較大的皺褶，嚴重時會造成焊縫斷裂，因此對于焊縫的質量要求很高。軋制線上傳統的焊接工藝多采用MIG焊，但MIG焊存在焊縫性能低、余高大，焊縫軋制過程不穩定。近些年來，激光焊因其高速、余高低、材料變形小、強度高等優點得到了廣泛應用，但在實際應用中亦存在焊接接頭間隙的適應性差，裝夾精度要求高，易出現氣孔、咬邊等焊接缺陷，焊接厚度受到限制等問題。

而激光電弧復合焊通過激光與電弧的交互作用，產生了1+1＞2的效果，兼具激光焊接的高速度、高效率、低熱輸入和電弧焊接良好的橋聯性、高填充金屬熔敷效率等特性，在高質量焊接領域得到廣泛應用。辜磊等人[3]研究了激光電弧復合焊接技術在船舶制造中的應用；王治宇等人[4]激光電弧復合焊接技術在汽車工業中的應用論證了復合焊縫的高效可靠及可行性。但在不銹鋼軋制線上并無使用實例，具體的使用效果如何，仍是個未知量。本文通過觀察焊縫的宏觀形貌、微觀組織結構、拉伸試驗、彎曲試驗、晶間腐蝕試驗以及軋制模擬試驗，為激光電弧復合焊在441鐵素體不銹鋼焊接軋制中起指導性作用。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料為1250mm×1200mm×3mm厚的441鐵素體不銹鋼板材，根據母材本身C、N含量較低的特性，選取直徑φ1.0的ER316L焊絲作為填充材料，母材和焊材的主要化學成分如表1所示。

表1 B441不銹鋼化學成分（質量分數，%）Tab.1 Chemical composition of B441 stainless steel（mass fraction,%）

表2 ER316焊絲的化學成分（質量分數，%）Tab.2 Chemical composition of ER316 filler（mass fraction,%）

1.2 試驗設備和方法

焊接設備采用德國IPG-YLS-6000型光纖激光器和奧地利Fronius焊機。復合焊接頭由激光焊接頭和MIG電弧焊槍旁軸組合，采用激光后置方式。激光器最大輸出功率6KW，連續輸出模式，波長1070nm，激光焦距為400mm，最小焦斑直徑0.25mm，以N2作側吹氣簾保護。MIG電弧采用97.5%Ar+2.5%CO2的混合保護氣、焊絲伸出長度11mm，兩熱源在工件表面上作用的間距3mm。MIG焊機為Fronius的TransPuls Synergic 3200 CMT焊接電源和Fronius VR 7000 CMT送絲機。

焊接試驗在冷軋1250mmDRAP機組上自動焊接進行，采用不開坡口的平板對接，焊接規范如表3所示。

表3 焊接試驗規范Tab.3 Specification for welding test

焊接接頭經研磨拋光后，再用15%HF試劑腐蝕，采用長方型光學顯微鏡觀察焊接接頭不同區域的顯微組織結構特征；按GB/ T2651-2008焊接接頭拉伸試驗方法及B/T2653-2008焊接接頭彎曲試驗方法的要求，進行焊接接頭的拉伸彎曲等力學性能；按GB/ T4334-2008進行441不銹鋼焊接接頭晶間腐蝕敏感性試驗；之后對焊縫進行軋機模擬實驗。

2 試驗結果和分析

2.1 焊縫的宏觀形貌

觀察焊縫形貌，焊縫飽滿，在距焊縫邊緣500mm處測量余高，試樣1正面及根部的余高和為0.355mm，試樣2正面及根部余高0.43mm且根部余高較大；質量良好，沒有咬邊、氣孔、未填滿缺陷，焊前不預熱，焊后未發現焊接裂紋，表明焊接接頭質量合格。

2.2 焊縫的微觀組織

高純度鐵素體不銹鋼焊接時，焊縫熱影響區晶粒容易長成較粗大的鐵素體組織，難以用熱處理方法細化晶粒，焊縫、熱影響區金屬韌性低于母材。為此，控制焊縫輸入的線能量，能夠降低焊縫金屬和熱影響區晶粒長大的傾向，改善焊縫韌性[5]。

試樣1焊縫的顯微組織如圖1所示，焊縫熔敷金屬由較為粗大的柱狀晶組成，焊縫中心有大量等軸晶。等軸晶的形成是由于激光功率相對較小，熔池中的溫度梯度較小，冷卻時間較長，有充足的時間形核長大，形成細小的等軸晶。隨著激光功率的增加，溫度梯度變大促進了柱狀晶的形核與長大（如圖2），故試樣2焊縫熔合區的晶粒較大，表明441鐵素體不銹鋼應采用小的的焊接熱輸入。

焊縫組織為鐵素體以及一些分布在晶界間的析出物，析出物的主要成分是碳化物，這是因為鐵素體不銹鋼焊縫在室溫度下對碳的溶解度很低。由于主要的合金元素對碳有很強的親和力，焊縫凝固過程中，多于的碳就會以碳-鉻化合物的形式析出，也有少量的會以M7C3和M6C的形式析出。圖2的析出物比圖1少，這主要與試樣1焊接時線能量較小，焊縫區域冷卻速度快，低溫下碳的擴散幾率增加，進而形成較多的析出碳化物，而這些碳化物增加又會導致晶間腐蝕傾向的增加。

圖1 試樣1的焊接接頭的金相組織（50×）Fig.1 Microstructure of sample 1 joint（a.50×）

圖2 試樣2的焊接接頭的金相組織（a.50×）Fig.2 Microstructure of sample 2 joint（a.50×）

2.3 力學性能試驗結果及分析

分別將試樣1和試樣2的焊接接頭按GB/T2651-2008焊接接頭拉伸試驗方法及B/T2653-2008焊接接頭彎曲試驗方法加工成標準的拉伸試樣和彎曲試樣進行測試，其中拉伸和彎曲試驗每組分別制備三個試樣進行，表4為拉伸試驗得到的平均值，表5為彎曲試驗結果。

表4 拉伸試驗結果Table 4 Results of tensile tests

表5 彎曲試驗結果Table 5 Results of bending tests

從表3試驗結果可知焊接接頭的抗拉強度達到母材的94%以上，兩個焊接試件拉斷時均斷在母材部位，可見焊接接頭強度較高，但是焊接接頭伸長率較母材相比均有所下降，伸長率最大達到母材的64.6%。其中試驗結果中焊接接頭塑性的主要原因在于441鐵素體不銹鋼在焊接過程中HAZ部位形成粗大的鐵素體晶粒從而導致了高溫脆化。

表4顯示出在不同工藝條件下的焊接接頭彎曲角度均能達到180度，且彎曲試驗后焊縫表面光滑完好沒有產生裂紋，由此可見441鐵素體不銹鋼的焊接接頭有很好的延性。

2.4 晶間腐蝕試驗結果及分析

根據GB/T4334-2008《金屬和合金的腐蝕不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》將兩組試樣進行焊接接頭晶間腐蝕敏感性試驗。試驗結果顯示焊接接頭經過晶間腐蝕試驗后進行彎曲試驗沒有發現微裂紋，可見其耐晶間腐蝕性能較好。其焊接接頭均具有較好的耐晶間腐蝕性能與母材密切相關，這是由于441鐵素體不銹鋼及提充金屬材料的碳氮含量均較低，且母材中加入了0.15%Ti、0.4%的Nb等穩定化元素，使得在晶界形成富鉻的M23C6型碳化物的可能性降到最低，從而提高了焊縫的耐晶間腐蝕能力。由此可以判斷441鐵素體不銹鋼的復合焊接頭有較強的抗晶間腐蝕能力。

2.5 軋制模擬實驗

將試樣1、2分別剪切為200mm×600mm大小，在小型高速軋機上分別進行軋制模擬實驗，設計軋制壓下率為70%。焊縫軋制過程中各項參數穩定，軋后焊縫未見異常。使用體式顯微鏡對軋制后焊縫的邊部表面進行觀察，除了邊部有少量的微裂紋，焊縫表面沒有明顯裂紋，表明復合焊縫可以滿足鐵素體不銹鋼大壓下率焊縫軋制。

3 結語

（1）對441鐵素體不銹鋼，采用激光電弧復合焊，焊接速度快，焊接工藝規范合理時，焊縫的組織為鐵素體及碳化物，綜合性能良好。焊縫的強度、延性和韌性均接近母材水平，焊接接頭具有優良的綜合力學性能。

（2）441鐵素體不銹鋼對焊接線能量敏感，隨著激光功率的增加，焊縫熔合區的晶粒增大，力學性能降低，441鐵素體不銹鋼焊接過程中應采用小的的焊接熱輸入。

（3）通過晶界腐蝕試驗可知焊接接頭處無因晶間腐蝕而產生的裂紋，表明441鐵素體不銹鋼復合焊接頭有較強的抗晶間腐蝕能力。

（4）441鐵素體不銹鋼復合焊縫在軋制壓下率為70%時未開裂，軋后焊縫未見明顯裂紋，表明激光電弧復合焊縫完全可以滿足441鐵素體不銹鋼大壓下率軋制生產。

[1]張其樞,堵耀庭.不銹鋼焊接[M].北京：機械工業出版社，2000.

[2]埃里希.?？?不銹鋼焊接冶金[M].北京：化學工業出版社，2004.

[3]辜磊,劉建華,汪興均.激光-電弧復合焊接技術在船舶制造中的應用研究[J].造船技術,2005（5）：38-40.

[4]王治宇,王春明,胡倫驥，胡席遠.激光電弧復合焊接的應用[J].電焊機,2006（2）：38-41.

[5]劉順洪,王玉姣,權雯雯.JYH21CT鐵素體不銹鋼的焊接性[J].電焊機,2009（1）：30-32.