針對(duì)不銹鋼管件的超細(xì)芯徑光纖激光焊接工藝研究

鄧鵬，李志軍，李寶成，馬江偉，吳福先，張占軍

（中核控制系統(tǒng)工程有限公司，北京 100176）

1 前言

不銹鋼管件耐腐蝕性優(yōu)異、高溫強(qiáng)度優(yōu)秀、塑性良好，在核電、環(huán)保、化工等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。以核電為例，細(xì)長(zhǎng)不銹鋼管是核電站探測(cè)器的重要組成部分，在應(yīng)用中對(duì)接延長(zhǎng)、端焊等加工形式占較大比例，對(duì)接頭的密封性及連接強(qiáng)度提出較高要求。目前，針對(duì)不銹鋼管件的焊接工藝主要是鎢極惰性氣體保護(hù)焊和激光焊，而激光焊接由于其熱影響區(qū)小、焊接速度快、焊縫美觀、可控性好等優(yōu)勢(shì)，受到廣泛的關(guān)注，市場(chǎng)對(duì)激光焊接專機(jī)及焊接工藝開發(fā)需求強(qiáng)烈。

齊惠娟等研究了CO2激光焊接不銹鋼，相比高頻焊或鎢極惰性氣體保護(hù)焊，其焊縫枝晶細(xì)小、組織致密無(wú)氣孔。霍宏偉等對(duì)比研究了304 不銹鋼薄板連續(xù)激光搭接焊與電阻焊，結(jié)果表明，激光焊接熱影響區(qū)更窄，可以獲得更均勻、細(xì)小的柱狀晶，拉伸與剪切強(qiáng)度與電阻焊接頭相當(dāng)。姜吉臣等研究了光纖激光器焊接不銹鋼時(shí)焦距的確定方式以及不同離焦量對(duì)熔深的影響，獲得了與焊接需求匹配的工藝參數(shù)。聞龍研究了保護(hù)氣體對(duì)YAG 激光焊接的影響，發(fā)現(xiàn)氬氣為最優(yōu)的保護(hù)氣體，獲得的焊縫晶粒較細(xì)、殘余應(yīng)力小且耐腐蝕性達(dá)到母材90%以上。樊宇等通過(guò)激光焊接實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，激光焊接接頭的硬度、拉伸強(qiáng)度及耐腐蝕性優(yōu)于等離子-鎢極惰性氣體保護(hù)復(fù)合焊接，激光功率和離焦量對(duì)熔深影響較大。柳岸敏等發(fā)現(xiàn)，激光功率增加導(dǎo)致熱輸入增加，焊縫截面熔池的熔寬與熔深加大，焊接頭氧化程度加深，同時(shí)抗拉強(qiáng)度下降。光纖激光器的芯徑影響激光束的能量分布和光學(xué)特性，相比大芯徑光纖激光與YAG 激光，其中心能量分布更集中，帶來(lái)的焊接效果也大不相同，雖然已有學(xué)者在激光焊接領(lǐng)域做了大量研究，但針對(duì)超細(xì)芯徑光纖激光焊接不銹鋼管的焊接工藝還有待探索。

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

300 系列不銹鋼是核電測(cè)量系統(tǒng)中探測(cè)器制備使用的材料，本研究選用最常使用的316 不銹鋼為例進(jìn)行研究，材料組成元素及成分如表1 所示，實(shí)驗(yàn)用管材外徑22mm，壁厚1.5mm，長(zhǎng)度80mm。

表1 316 不銹鋼化學(xué)成分 （質(zhì)量分?jǐn)?shù) %）

采用自研的激光環(huán)焊專機(jī)，配備1000W 光纖激光器，光纖芯徑50μm，使用自研的L 型激光焊接頭，準(zhǔn)直鏡焦距100mm，聚焦鏡焦距200mm，在高純氬氣保護(hù)下開展實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)，先用酒精清洗試樣表面油污，之后通過(guò)激光點(diǎn)焊將兩段圓管連接，裝夾于環(huán)焊專機(jī)的旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過(guò)同軸視覺(jué)CCD 對(duì)準(zhǔn)焊縫，旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度控制在370°，使得焊縫起始點(diǎn)與終點(diǎn)可以重疊，保證焊縫的密封性。通過(guò)調(diào)控不同的激光功率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，希望獲得材料厚度80%以上的熔深，且無(wú)氣孔、未熔合等焊接缺陷，焊接工藝參數(shù)如表2 所示。焊接后的樣件，先在超聲波清洗機(jī)中進(jìn)行清洗，去除焊縫表面氧化物，使用高清相機(jī)拍攝焊縫表面形貌，之后使用線切割機(jī)將樣件切割，采用熱鑲方式制作金相試樣，分別在600#、1000#、1500#和2000#的水磨砂紙下打磨，使用拋光機(jī)進(jìn)行拋光，最后采用王水進(jìn)行腐蝕。在金相顯微鏡下觀測(cè)各試樣熔池的形貌和顯微組織，采用顯微硬度計(jì)沿著熔池上表面以下0.2mm 位置以0.3mm 間隔測(cè)量顯微硬度。

圖1 激光環(huán)焊專機(jī)

表2 焊接工藝參數(shù)

3 結(jié)果與討論

3.1 焊縫形貌

三組焊縫的表面形貌如圖2 所示，焊縫橫截面熔池形貌如圖3 所示，熔池尺寸如圖4 所示。如圖2，隨著激光功率的增加，熱輸入增加，熔池總寬度增加，焊縫表面紋理變得粗糙。對(duì)于熔池，三種激光功率下熔池均呈“釘”型，為了更好地描述焊縫形貌，將熔池分為釘頭和釘身兩部分，以熔池總深度、釘頭深度、釘頭寬度、釘身深度和釘身寬度作為焊縫特征參數(shù)。隨著功率的增加，釘頭寬度增加，釘頭深度幾乎不變，釘身深度增加，而釘身寬度則是先增大后減小。“釘”型熔池的產(chǎn)生是由于在本實(shí)驗(yàn)條件下，焊接過(guò)程中熱導(dǎo)焊和匙孔焊兩種焊接形式同時(shí)存在，表層金屬受激光輻射熔化形成熔池，而由于實(shí)驗(yàn)采用超細(xì)芯徑光纖，激光束的中心功率密度較高，在焊接時(shí)產(chǎn)生匙孔，直接將一部分能量傳輸至熔池底部形成釘身，而釘頭處熔池的熱量向四周傳導(dǎo)，所以當(dāng)激光功率增大時(shí)，熔池寬度增加，而深度方向，由于匙孔的產(chǎn)生，熱量直接進(jìn)入釘身，同時(shí)，作用在底部的能量也增加，共同作用下使得釘身深度增加，而釘頭的深度無(wú)較大變化。如圖3(a)、3(c)所示，在600W 功率時(shí)，釘頭剛剛出現(xiàn)，隨著功率增加，釘頭在寬度和深度方向增加，但當(dāng)功率達(dá)到700W 時(shí)，產(chǎn)生的匙孔更深，熱量被帶至熔池底部，深度方向增加更快，使得釘身寬度略有減小。

圖2 焊縫表面形貌

圖3 焊縫橫截面熔池形貌

圖4 焊縫橫截面熔池尺寸

3.2 金相組織

觀測(cè)三種功率條件下的焊縫截面熔池的顯微組織，如圖5 所示，熔池主要由柱狀晶和等軸晶組成，熔合線附近主要分布有柱狀晶，在釘頭位置結(jié)晶方向是由熔合線指向釘頭的中心，在釘身處則是指向釘身的中心，在熔池頂部、釘頭及釘身的中部主要是等軸晶組織。對(duì)比圖5(b)與圖5(c)，在激光功率較大時(shí)，等軸晶延伸長(zhǎng)度更長(zhǎng)，兩側(cè)熔合線處的等軸晶相交于釘頭中心，且晶粒更加細(xì)小。激光功率較大時(shí)，熔池?zé)彷斎朐黾樱瑴囟仍黾樱谌酆暇€位置溫度梯度增加，促進(jìn)了柱狀晶的產(chǎn)生，熔池溫度的升高促進(jìn)了樣件與空氣的熱對(duì)流，熔池冷卻速率升高，使得晶粒更加細(xì)化。

圖5 熔池顯微組織。

3.3 力學(xué)性能

在沿著距熔池上表面以下0.2mm 位置以0.3mm 間隔測(cè)量其顯微硬度，結(jié)果如圖6 所示。從熔池顯微硬度分布圖得知，焊縫處的顯微硬度高于基體材料，1#和2#試樣在焊縫位置顯微硬度相近，而3#試樣顯微硬度較高，高出1#、2#試樣約40HV。根據(jù)三種工藝條件下的焊縫熔池顯微組織結(jié)果可知，在3#試樣工藝條件下，熔池中柱狀晶分布更多，而柱狀晶的偏析比等軸晶要少，結(jié)構(gòu)要更加致密，再加上晶粒更加細(xì)化，總體表現(xiàn)出高的顯微硬度。

圖6 熔池顯微硬度

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)超細(xì)芯徑光纖激光環(huán)焊不銹鋼管件開展了焊接工藝研究。以功率作為變量開展對(duì)照實(shí)驗(yàn)，對(duì)熔池形貌產(chǎn)生顯著的影響，總體形狀呈“釘”型，功率的增加主要增加釘頭寬度和釘身深度。當(dāng)功率在700W 時(shí)，由于晶粒細(xì)化且熔池中分布有更多的柱狀晶，獲得的焊縫硬度更高。本研究為超細(xì)芯徑光纖激光的應(yīng)用提供有效參考，后續(xù)還需進(jìn)行系統(tǒng)的工藝研究以獲得穩(wěn)定的工藝窗，以實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程控制。