不銹鋼/鈷鉻合金激光焊接頭的微觀組織分析

馬 凱， 谷曉燕， 王 毅

(1.吉林交通職業技術學院 汽車工程學院， 吉林 長春 130012；2.吉林大學 材料科學與工程學院， 吉林 長春 130022;3.長春工程學院 機械工程學院, 吉林 長春 130012)

不銹鋼/鈷鉻合金激光焊接頭的微觀組織分析

馬 凱1， 谷曉燕2， 王 毅3

(1.吉林交通職業技術學院 汽車工程學院， 吉林 長春 130012；2.吉林大學 材料科學與工程學院， 吉林 長春 130022;3.長春工程學院 機械工程學院, 吉林 長春 130012)

采用激光焊接技術連接不銹鋼絲和鈷鉻合金絲，并對比兩種異質材料接頭添加鎳中間層和不添加鎳中間層的微觀形貌，分析了兩種情形下接頭的組織特征。結果表明,當鎳中間層在一定厚度時，呈現融合充分、晶粒細化、鎳元素擴散更加均勻的組織特征。

不銹鋼； 鈷鉻合金； 激光焊； 鎳中間層

0 引 言

不銹鋼具有良好的物理性能、化學性能和生物相容性，鈷鉻合金具有良好的生物相容性、抗腐蝕性、化學穩定性和較高的機械性能，二者均廣泛應用于工程和生物醫學領域[1-2]。通過激光焊連接兩種合金，制造滿足性能的復雜器械引起研究者的關注[3-4]。采用鎳中間層作為焊接材料實現焊縫金屬的合金化，是基于鎳與不銹鋼、鈷鉻合金中的Fe、Co、Cr具有良好的互溶性，并且鎳的耐腐蝕性與生物相容性好，對異質接頭的性能影響較小[5-8]。文中系統研究了鎳對不銹鋼與鈷鉻合金激光焊接異質接頭微觀組織的影響。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗母材為不銹鋼絲和鈷鉻合金絲。不銹鋼為直徑0.5 mm的18-8型奧氏體不銹鋼絲材料，鈷鉻合金為直徑0.5 mm的COBAFLEX鈷鉻合金絲；試驗中間層選用40 μm純鎳。不銹鋼和COBAFLEX鈷鉻合金的化學成分分別見表1和表2。

表1 不銹鋼的化學成分 wt%

表2 COBAFLEX鈷鉻合金的化學成分 wt%

1.2 試驗方法

采用HKW-1050 型激光脈沖焊機焊接鈷鉻合金與不銹鋼試樣，試樣分不添加純鎳中間層和添加純鎳中間層兩大類，用不同規格砂紙逐級打磨表面至光潔平整，再用PG-2C型金相拋光機拋光，后用清水沖洗、干燥、腐蝕，分別制備金相、掃描電鏡、能譜分析等試樣。

2 試驗結果與分析

2.1 接頭形貌分析

接頭形貌及接頭顯微組織如圖1所示。

(a) 未添加純鎳中間層的接頭宏觀圖

(b) 添加純鎳中間層的接頭宏觀圖

由圖1可見，當不加中間層時，焊縫的寬度較大，坡度較平緩。其原因是鈷鉻合金/不銹鋼熔化形成熔池熱容量較大，散熱能力較小，液態金屬熱運動較活躍，擴散范圍較廣，且液態金屬溫度保持時間和冷卻時間都要稍長一些，外圍的液體金屬先冷卻凝固，產生由外到內、由焊縫兩端到焊縫中間的逐次冷卻，造成焊縫的坡度較平緩；當添加純鎳中間層時，焊縫寬度明顯變小，坡度變得相對陡峭。其原因是鈷鉻合金/不銹鋼熔池因鎳的存在而導致熱容量變小，散熱能力也變小，液態金屬熱運動的活躍降低，擴散范圍變小，液態金屬溫度保持時間短，外部金屬與內部金屬幾乎同時冷卻，致使焊縫坡度相對陡峭。

2.2 接頭顯微組織分析

鈷鉻合金一側熔合區的金相組織如圖2所示。

(a) 不加純鎳中間層鈷鉻合金側熔合區顯微組織

(b) 添加純鎳中間層鈷鉻合金側熔合區顯微組織

由圖2可見，當不加中間層時，晶粒由熔合線向焊縫中心擴散，晶粒由細變粗，大部分晶粒分布較均勻，小部分是粗晶粒與細晶粒夾雜分布。鈷鉻合金側組織形狀不規則，大小各異，離熔合線近的區域組織分布不均勻，離熔合線遠的區域組織分布較均勻；當添加純鎳中間層時，焊縫側晶粒由熔合線向遠處發散，且晶粒逐漸變得粗大，晶粒分布較為有序，鈷鉻合金側組織不清晰，分布不規律。

焊縫區的金相組織如圖3所示。

(a) 不加純鎳中間層鈷鉻合金焊縫區顯微組織

(b) 添加純鎳中間層鈷鉻合金焊縫區顯微組織

由圖3可見，當不加中間層時，焊縫區晶粒分布比較混亂，一部分細晶粒分布較均勻，一部分粗晶粒分布較均勻，一部分是條狀組織縱橫交錯分布；當添加純鎳中間層時，焊縫區晶粒分布較為有序，粗、細晶粒分布層次分明，只有小部分粗、細晶粒夾雜。

不銹鋼一側熔合區的金相組織如圖4所示。

(a) 不加純鎳中間層不銹鋼側熔合區顯微組織

(b) 添加純鎳中間層不銹鋼側熔合區顯微組織

由圖4可見，當不加中間層時，不銹鋼側離熔合線近的區域組織形狀較大，分布均勻，離熔合線遠的區域組織形狀細小，分布也較均勻；當添加純鎳中間層時，不銹鋼側組織呈塊狀，是奧氏體不銹鋼組織特征，塊狀從熔合線向不銹鋼母材方向由大到小分布，組織分布有序。

分析其原因是：在不銹鋼側和鈷鉻合金側的熔合區熔合線附近，混合在一起的成分種類少，晶向比較單一，離熔合線越近，液相溫度越低，結晶速度越快，晶粒越細小。而在焊縫區，未加中間層時，熔池中液相溫度、結晶速度、溶質濃度不一樣，結晶過程中，晶粒大小、分布情況差異大，因而晶粒無序分布；添加純鎳中間層后，影響了液相溫度、結晶速度、溶質濃度情況，在熔池中心位置，材料的散熱能力變差，溫度較穩定，溶質混合均勻，結晶速度只有細微差異，因而晶粒有序分布。

2.3 接頭掃描電鏡能譜分析

未加中間層時，鈷鉻合金側熔合區及元素分布曲線如圖5所示。

由圖5可見，鈷鉻合金側熔合線附近分布的主要元素為Co、Fe、Cr、Mo、W，而鈷鉻合金母材主要元素是Co、Mn、Cr、Mo、W，不銹鋼母材主要元素是Si、Cr、Mn、Fe、Ni，說明熔合線附近的Co、Cr、Mo、W四種元素來源于鈷鉻合金母材，熔合線附近的Fe元素來自不銹鋼母材。從焊縫到鈷鉻合金母材，Co、Fe元素分布曲線變化較大，未過熔合線,Co含量值由低到高。過熔合線,Co含量變化不大。靠近熔合線,Fe含量明顯降低，過熔合線,Fe含量都接近于零，Co、Fe元素偏析現象明顯；Cr元素分布曲線變化小，含量逐漸上升，但熔合線兩側Cr含量都高，Cr元素偏析現象不明顯；Mo、W元素分布曲線較一致，元素含量沿熔合線對稱，熔合線兩側元素含量變化不大，Mo、W元素偏析現象不明顯。

分析其原因是：焊接過程中，鈷鉻合金側元素對流現象不明顯，Fe元素向鈷鉻合金母材化學擴散程度非常低，鈷鉻合金母材對Fe元素的擴散起阻礙作用，Co、Cr、Mo、W元素向焊縫流動，Cr擴散能力較強，焊縫中Cr含量較多，Co擴散能力較弱，Mo、W元素擴散能力一般，且Mo、W元素在焊縫中分布均勻。同理可得到不添加純鎳中間層時接頭不銹鋼側熔合區組織及元素分布曲線、添加純鎳中間層時接頭鈷鉻合金側熔合區組織及元素分布曲線，以及添加純鎳中間層時接頭不銹鋼側熔合區組織及元素分布曲線。

(a) 熔合區組織

(b) 熔合線附近元素分布曲線

3 實驗結論

1)添加純鎳中間層，使鈷鉻合金/不銹鋼激光焊接頭的熱容量和散熱能力變小，形成的焊縫寬度減小，金屬元素蒸發量減少，焊縫成形良好。

2)添加純鎳中間層，對熔池中心的液相溫度、結晶速度、溶質濃度等參數影響明顯，結晶狀況良好，焊縫區晶粒分布均勻有序。

3)添加純鎳中間層，有利于溶質的溶解和元素的擴散，元素分布相對均勻，降低偏析現象的發生，但對熔合線附近的溫度梯度影響大，而使一些元素在熔合線中心集中分布。

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StudyonmicrostructureofstainlesssteelandCo-Cralloydissimilarjoint

MA Kai1, GU Xiaoyan2, WANG Yi3

(1.School of Automotive Engineering, Jilin Traffic Vocational and Technical College, Changchun 130012， China;2.School of Materials Science & Engineering, Jilin University， Changchun 130022， China;3.School of Mechatronic Engineering， Changchun Institute of Technology, Changchun 130012， China)

The stainless steel wire and Co-Cr alloy wire are joined together with laser welding, and the micro-structures of two dissimilar joints with or without Ni interlayers are analyzed. The results indicate that the micro-structure has the features such as improved fusion property, finer grain grade and more even diffusion of the Ni element when Ni interlayer is added into the joints.

stainless steel; Co-Cr alloy; laser welding; Ni interlayer.

2017-07-29

吉林省科技廳基金資助項目(20140101050JC)

馬 凱(1968-)，男，漢族，吉林長春人，吉林交通職業技術學院教授，博士，主要從事先進材料連接方向研究,E-mail:basan780@163.com.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2017.5.15

TG 4; TG 454

A

1674-1374(2017)05-0491-05