聚變堆用奧氏體不銹鋼不同激光輸出模式熔絲特征

黃菁， 孫宇峰， 方超， 衛靖， 劉勁

(1.安徽工程大學，安徽 蕪湖 241000；2.中國科學院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所，合肥 230031)

0 前言

奧氏體不銹鋼具有良好的耐腐蝕性、高強度和高韌性等優點，在工業領域得到廣泛的應用，如海洋工程、船舶制造、飛機制造、核電領域等[1-3]。隨著現代化工業的快速發展，對不銹鋼焊接結構的承受載荷能力、工作強度和使用壽命要求越來越高，因此許多結構部件需要使用中大厚度奧氏體不銹鋼板，也對其焊接接頭質量提出了更高的要求[4]。目前工業中厚板焊接主要采用傳統弧焊、電子束焊、窄間隙弧焊、激光焊等技術[5-6]。窄間隙激光填絲焊具有能量密度高、熱輸入小、焊接效率高等特性，在不銹鋼厚板焊接領域有著顯著優勢，但由于其焊接特性與不銹鋼材料屬性，容易出現側壁未熔合、氣孔和熱裂紋等焊接缺陷[7-8]。

聚變堆用316LN奧氏體不銹鋼由于其焊縫結晶模式為純奧氏體組織的特殊性，具有更高的裂紋敏感性。Karhu等人[9-10]在ITER項目的資助下對奧氏體不銹鋼厚板的激光填絲焊熱裂紋開展了較為系統的研究，研究發現在焊接過程中極易出現中心線裂紋。Fang等人[11]通過對ITER級奧氏體不銹鋼窄間隙激光焊的凝固開裂敏感性研究，也驗證了開裂敏感性很強。分析原因，全奧氏體不銹鋼焊接時易產生方向性強的粗大柱狀枝晶，增大了液固相線的間距，會存在較嚴重S，P等元素偏析現象，且成分在熔池中容易形成低熔點共晶，以液態薄膜形式存在于奧氏體柱狀晶粒之間，冷卻時在收縮應力的作用下容易形成結晶裂紋。

激光焊按照激光器工作方式的不同，可分為連續激光焊和脈沖激光焊。理論上來說，脈沖能量的輸出具有間歇性，匙孔周期性波動對焊接熔池有一定的攪拌作用，有利于抑制焊縫組織生長的方向性、提高元素分布的均勻性，進而抑制熱裂紋的形成。但目前脈沖激光焊多用于薄板焊接，鮮有對于脈沖激光填絲焊的研究，特別是面向聚變堆專用的316LN全奧氏體不銹鋼。文中以聚變堆用316LN奧氏體不銹鋼為研究對象，通過高速攝像系統對連續激光填絲焊和脈沖激光填絲焊焊接過程中焊絲熔化、過渡行為進行了采集和研究，分析了焊接工藝參數對焊絲熔化與熔池形貌的影響，建立了焊絲過渡行為、熔池形貌及凝固模式與熱裂紋的相關性。

1 試驗設備與方法

試驗所用材料為超低碳奧氏體不銹鋼316LN，填充材料選用Bohler直徑1.2 mm的ER316LMn焊絲,其化學成分見表1。先在平板上對焊接工藝參數下連續激光填絲焊和脈沖激光填絲焊進行堆焊試驗，焊接工藝參數見表2，將熔池鋪展及焊縫成形較好的參數移植到坡口中進行焊接，并利用NAC MEMRECAM Q2m高速攝像機對焊接過程中焊絲的熔化、填充及熔池動態行為進行實時監測，采集頻率為4 000幀/s，配備波長為808 nm的激光器對焊接區域進行照亮。試板尺寸為150 mm×100 mm×20 mm，坡口深度15 mm，鈍邊1 mm，單邊坡口角度3°，試驗前用丙酮去除坡口表面油污。試驗采用的激光器型號為IPG YLS-20000，聚焦距離為300 mm，準直距離為200 mm，試驗設備如圖1所示。焊接試驗完成后取金相試樣，并進行鑲嵌、打磨和拋光，采用濃度為5%的草酸進行電解腐蝕，腐蝕時間90 s，采用OLYMPUS BX51光學顯微鏡觀察接頭顯微組織。

表1 316LN及ER316LMn化學成分(質量分數，%)

表2 焊接工藝參數

圖1 焊接設備及熔池流動在線監測系統

2 結果與分析

2.1焊絲過渡行為對焊縫質量的影響

激光填絲焊的焊絲過渡行為對焊絲鋪展行為有重要影響，從而影響焊縫成形。華中科技大學余陽春[8]研究發現焊絲以液橋形式過渡能獲得良好的焊縫成形；劉紅兵等人[12]通過對激光填絲焊焊絲熔入行為特征研究得出焊絲為液橋過渡時焊絲熔入最為理想。通過連續激光填絲焊和脈沖激光填絲焊平板對比試驗，觀察2種方式下焊絲過渡行為及其對焊縫成形的影響，2種焊接方式下的焊絲過渡行為及焊縫表面形貌分別如圖2和圖3所示。從焊絲過渡行為上看，連續激光填絲焊中采用1號焊接工藝參數時焊絲為液橋過渡，參數配合度高，主要在激光能量的照射下形成穩定的焊絲過渡，未產生飛濺、偏絲等現象，此時焊縫表面形貌成形較好。隨著送絲速度的提高，2號焊縫為熔滴過渡，由于焊接速度與送絲速度不完全匹配，焊接過程中激光能量不能及時熔化焊絲完成穩定過渡，與工件表面直接接觸發生彎曲現象，導致焊絲未能完全熔化產生偏移，此時激光能量主要作用在工件表面，液態金屬填充量減少，鋪展性差，導致流到熔池尾部液態金屬不足造成焊縫余高逐漸減小，焊縫寬度不一致，成形不良。脈沖激光填絲焊中采用3號焊接工藝參數時焊絲為熔滴過渡，焊絲主要在等離子體與熔池金屬蒸氣的能量下熔化，在焊絲端部形成熔滴，隨著焊接過程的進行熔滴由小逐步變大，聚集在焊絲端部，在表面張力和自身重力的作用下過渡到熔池中，對匙孔的沖擊較大，熔滴生長過程中激光束處于脈沖激光峰值階段時主要作用在工件上，此時相當于處于自熔焊接模式，脈沖的間歇性作用特征對熔池具有一定的攪動作用，液態金屬在脈沖驅動作用下向熔池尾部流動，熔滴未能及時過渡到熔池導致液態金屬填充不連續，流向熔池尾部液態金屬不及時，從焊縫表面形貌可以看出表面呈“魚鱗”特征，但焊縫金屬搭接處重疊性較差，焊縫表面熔寬較窄。在4號焊縫中，送絲速度為3.5 m/min時，焊絲為液橋過渡，焊接速度與送絲速度匹配較好，熔池鋪展性好，焊縫表面成形良好。隨著送絲速度的提高，在5號焊縫中，送絲速度達到4.5 m/min時，激光能量來不及熔化焊絲，焊絲發生偏離，焊絲不能得到連續均勻的鋪展與填充，焊縫表面成形不良。根據以上分析可知，連續激光填絲焊和脈沖激光填絲焊分別在送絲速度為3.5 m/min時可獲得液橋過渡，均可獲得良好焊縫成形。

圖2 焊絲熔滴過渡行為

圖3 焊縫表面形貌

2.2焊絲過渡對熔池形貌的影響

通過上述不同焊接方式下焊接工藝參數對焊絲過渡及焊縫成形的影響，選取1號、2號和4號焊縫中的焊接工藝參數進行焊接，通過高數攝像機同步記錄坡口內填充層焊縫凝固動態過程及熔池形貌并進行對比分析，如圖4所示。圖4a顯示為連續激光填絲焊在送絲速度3.5 m/min時的焊縫凝固動態過程，從圖中可以觀察出焊絲在液橋過渡時焊縫兩側未出現側壁未熔合現象，焊縫整體較為平整，說明熔池中液態金屬鋪展性良好，但沿焊縫中心出現凝固裂紋，隨著焊接過程的進行持續延展至熔池尾部的固液混合區域，產生貫穿式熱裂紋，從圖中可以看出熔池形貌為V字形，尾部為尖角形狀，熔池整體尺寸較大較長，為15.7 mm，形成較大溫度梯度，裂紋最后凝固的熔池尾部進行生長。分析認為可能是由于奧氏體組織膨脹系數較大，在激光焊接的快速冷卻過程中產生較大的拉應力，激光能量的持續輸入導致熔池為V字形的形貌特征，枝晶間液態金屬來不及回填而形成。圖4b顯示在送絲速度4.3 m/min時，焊接速度與送絲速度不匹配，出現頂絲過渡導致熔池鋪展性較差，側壁出現未熔合缺陷，熔池整體形貌不規則。與連續激光填絲焊相比，圖4c中脈沖激光填絲焊焊絲在液橋過渡時的焊縫凝固動態過程，在間歇性激光輸入模式下熔池整體尺寸較小，側壁熔合良好，成形良好，且未出現焊接熱裂紋。對比圖4a、圖4b、圖4c中熔池形貌可以發現，脈沖激光填絲焊接熔池長度約為脈沖激光填絲焊的1/3，且熔池尾部形貌不一致,更利于液態金屬的回填速度和去除回填阻礙，且脈沖激光填絲焊熔池大小基本相等，表明焊接過程穩定。與連續激光填絲焊相比，脈沖激光填絲焊接時熔池內各區域都將受到相鄰脈沖的重復作用，具有周期性，更有助于熔池的攪動和晶粒細化，可以對裂紋有一定抑制作用[13]。

圖4 不同焊接方式及焊接工藝參數下的熔池形貌

2.3焊縫金相組織分析

圖5為1號焊接接頭宏觀形貌及顯微組織。圖6為4號焊接接頭顯微組織。圖5a、圖6a分別為連續激光填絲焊接與脈沖激光填絲焊接接頭宏觀截面圖，圖5a中焊縫中心區域有肉眼可見的焊接熱裂紋缺陷，而圖6a焊縫區域未發現焊接缺陷。為進一步分析焊接方式及熔絲過渡對焊縫組織的影響，采用光學顯微鏡及掃描電鏡對圖5a、圖6a焊縫填充層熔合區及焊縫中心區域微觀組織進行觀察。圖5b為連續激光填絲焊熔合區顯微組織，從圖中可以看出焊縫無明顯熱影響區，由于316LN奧氏體不銹鋼組織較為均勻且為多邊形晶粒，焊接過程開始階段熔融的液態金屬剛接觸到母材，此時熱導系數相對較高，散熱速度快，快速形成大量晶核且長大生成細小晶粒。隨著焊接過程的進行，在連續激光填絲焊的熱輸入具有連續性，焊接速度快，晶粒沿散熱速度最快的方向生長，取向與母材方向相同，產生垂直于熔合線的柱狀樹枝晶，枝晶生長方向性強，沿著與散熱相反的方向生長至焊縫中心，焊縫兩邊柱狀晶和胞狀晶呈近似對稱模式生長交匯至中心線，如圖5c所示。通過圖5d、圖5e的SEM圖進一步觀察,可以看出焊縫由胞狀晶、柱狀晶等晶粒構成，枝晶垂直焊縫中心方向生長，熱裂紋沿枝晶交匯處產生并擴展。根據王甫等人[14]對316LN熱裂紋產生的成因分析認為母材和焊材鉻、鎳當量比值接近于1∶1，液態金屬凝固成一次γ相，這種一次γ相以鑄態組織的形式保留到室溫，焊縫金屬就可以獲得一次結晶的純奧氏體焊縫，更具有裂紋敏感性。通過進一步觀察連續激光填絲焊SEM圖中組織發現焊縫顯微組織均為純奧氏體，沒有δ鐵素體，當焊縫組織為純奧氏體時,最易產生凝固裂紋。圖6中的脈沖激光填絲焊焊縫顯微組織，分布著方向各異的柱狀晶和等軸晶，且發現晶粒從兩側和底部向上生長，晶界處未發現任何析出相存在。脈沖具有周期性，熔池各區域將受到重復脈沖作用，圖6b、圖6c可知在熔合區焊縫組織剛開始以柱狀晶的形態垂直于熔合線向內生長，焊縫中心區域未有焊接熱裂紋，晶粒生長方向性被打亂，生長方向各向異性，分析認為可能是在脈沖的重復作用下，再次加熱和熔化后，產生二次結晶，焊縫金屬的顯微組織晶粒生長的，枝晶間距減小，有助于抑制裂紋產生，不再開裂。通過圖6d、圖6e的SEM圖觀察可以看出焊縫由胞狀晶、柱狀晶和等軸晶等晶粒構成，枝晶生長方向被打亂,局部區域有等軸晶，能夠抑制熱裂紋的產生。

圖5 1號焊接接頭宏觀形貌及顯微組織

圖6 4號焊接接頭宏觀形貌及顯微組織

3 結論

(1)通過對比試驗，發現連續激光填絲焊和脈沖激光填絲焊在焊接工藝參數為P=3.8 kW,vw=1.5 m/min,vf=3.5 m/min,df=+28 mm和P=4.0 kW,2.0 kW,vw=1.0 m/min,vf=3.5 m/min,f=16.6 Hz,df=+40 mm時熔池鋪展性較好，可獲得成形良好的焊縫。

(2)基于上述焊接工藝參數下，連續激光填絲焊接時熔池中液態金屬從匙孔中心向兩邊流動再流向熔池尾部，熔池長度約為脈沖激光填絲焊的3倍，形成較大溫度梯度，易出現貫穿焊縫中心的凝固裂紋及側壁未熔合等缺陷，脈沖激光填絲焊接時焊縫的各個區域都將受到相鄰脈沖的重復作用，具有周期性，有助于熔池的攪動和晶粒細化，抑制裂紋的產生。

(3)連續激光填絲焊焊縫組織以柱狀晶的形態垂直于熔合線由焊縫兩側向焊縫中心對稱生長，在拉應力作用下易產生熱裂紋，脈沖激光填絲焊焊縫各區域在脈沖周期性重復作用下，焊縫金屬的顯微組織晶粒生長的方向性被打亂，可抑制裂紋產生。