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        304不銹鋼光纖激光對(duì)接焊縫焊接試驗(yàn)研究

        2018-05-07 08:22:23王偲王克鴻江俊龍
        機(jī)械制造與自動(dòng)化 2018年2期
        關(guān)鍵詞:焦量母材不銹鋼

        王偲,王克鴻,江俊龍

        (南京理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210094)

        0 引言

        光纖激光焊因其具有高效、優(yōu)質(zhì)、低污染及焊接變形小等優(yōu)點(diǎn),在船舶、航空、汽車等工業(yè)及醫(yī)學(xué)上應(yīng)用廣泛[1]。光纖激光焊的優(yōu)點(diǎn)[2]為焊后變形量小、能量轉(zhuǎn)換效率低,且通過調(diào)整參數(shù)限制線能量的輸入可有效減少或抑制焊接熱裂紋的產(chǎn)生[3],因此激光焊接304不銹鋼的應(yīng)用前景廣泛,存在一定的研究?jī)r(jià)值[4-5]。本文開展了304不銹鋼激光對(duì)接焊接工藝的研究,通過對(duì)不同焊接工藝的焊縫成形、組織與力學(xué)性能的分析,為進(jìn)一步研究304不銹鋼的光纖激光焊接方法提供了理論參考和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

        1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

        1.1 試驗(yàn)材料

        試驗(yàn)所采用的焊材為304不銹鋼,牌號(hào):0Cr19Ni9,尺寸:300 mm×150 mm×6 mm。試驗(yàn)材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。

        表1 304不銹鋼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)表 %

        1.2 焊接設(shè)備

        實(shí)驗(yàn)選擇10 kW光纖激光器,型號(hào)為YLS-10000。光纖激光器的加工柔性比CO2激光器高,功率和光束質(zhì)量比Nd:YAG激光器高,結(jié)構(gòu)比Disc激光器緊湊,成本也低,光束質(zhì)量好,連續(xù)功率也大。

        2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

        2.1 接頭宏觀形貌分析

        對(duì)304不銹鋼板進(jìn)行激光對(duì)接焊接時(shí),為了更好地探究不同的焊接工藝對(duì)焊接接頭性能的影響,本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了12組不同的參數(shù),得到12個(gè)試樣。具體的試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

        對(duì)比接頭試樣1、試樣2、試樣3,可得光纖激光焊接過程中,焊接速度、離焦量等參數(shù)不變時(shí),激光功率過大,熔寬較大,焊縫輕微熔塌;激光功率過小,熔寬變窄,焊縫未焊透。

        對(duì)比接頭試樣組A(試樣4、試樣5、試樣6、試樣9)和接頭試樣組B(試樣7、試樣8、試樣10、試樣12),可得光纖激光功率、離焦量不變時(shí),焊接速度過大,熔寬較窄,部分焊縫未焊透;焊接速度過小,熔寬過寬,焊縫熔塌嚴(yán)重。

        對(duì)比接頭試樣組C(試樣1、試樣6、試樣7)和接頭試樣組D(試樣10、試樣12),可得光纖激光功率、焊接速度不變時(shí),離焦量為正,熔寬略寬;離焦量為負(fù)且離焦量過小,焊縫背面未熔透。

        表2 不同焊接方案參數(shù)

        通過對(duì)比上述試驗(yàn)接頭,不難發(fā)現(xiàn)焊縫的熔深、熔寬跟光纖激光功率呈正相關(guān)性,跟焊接速度呈負(fù)相關(guān)性。當(dāng)離焦量的絕對(duì)值較大時(shí),其絕對(duì)值與焊縫熔、深熔寬呈負(fù)相關(guān)性,且正離焦對(duì)熔寬的影響相對(duì)較大,負(fù)離焦對(duì)熔深的影響相對(duì)較大。

        2.2 接頭微觀形貌分析

        通過對(duì)比所有焊接工藝效果,可以發(fā)現(xiàn)光纖激光對(duì)接焊接6 mm 304不銹鋼時(shí),激光功率為4 kW,離焦量為0 mm,焊接速度為0.038 mm/s時(shí)的試樣10焊縫宏觀成形效果最好。

        圖1為試樣10接頭截面金相圖,從中可以看到融化金屬的凝結(jié)順序?yàn)椋嚎拷覆牡牟糠窒乳_始凝固,焊縫中心區(qū)最后凝固。觀察熱影響區(qū)格局,熔合線附近有一個(gè)上升的趨勢(shì),其原因?yàn)橛捎诤阜曛行膮^(qū)比較窄,接受焊接熱影響較久,激光移動(dòng)時(shí)驅(qū)使金屬液流動(dòng)到焊縫中心區(qū)集中,而焊速很快,金屬的液態(tài)時(shí)間短,表面張力在焊縫金屬凝固時(shí)帶動(dòng)熱影響區(qū)在焊縫附近稍有膨脹。

        圖1 放大倍數(shù)分別為50、100倍的焊縫橫截面金相圖

        在高倍金相顯微鏡下對(duì)比觀察圖2-圖7所示母材和焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)截面圖,觀察到焊接熱影響區(qū)非常窄,光纖激光焊接的光斑直徑小,焊接能量很集中,焊接速度又快,焊接時(shí)焊縫加熱區(qū)域小,熱作用在母材上較小,母材升溫也相對(duì)較小,所以熱影響區(qū)小。

        圖2 200倍放大的母材

        圖3 200倍放大的熱影響區(qū)(焊縫左側(cè))

        圖4 200倍放大的熔合線(左邊)

        圖5 200倍放大的焊縫中心區(qū)

        對(duì)比觀察圖4-圖6所示焊縫邊緣及中心區(qū),觀察到焊縫組織邊緣是細(xì)小的柱狀晶,中心部位是等軸晶。母材的冷卻作用增大焊縫邊緣的溫度梯度,較容易產(chǎn)生柱狀晶;而焊縫中心的金屬持續(xù)液態(tài)時(shí)間較長(zhǎng),熱量較邊緣均勻分布,所以小的溫度梯度更易產(chǎn)生等軸晶。

        圖6 200倍放大的熔合線(右邊)

        圖7 200倍放大的熱影響區(qū)(焊縫右側(cè))

        2.3 接頭顯微硬度分析

        試樣10的激光焊接接頭各個(gè)區(qū)域的顯微硬度值如表3所示。

        表3 激光焊焊接接頭顯微硬度測(cè)量值

        由試驗(yàn)測(cè)得的顯微硬度值,不難看出:1) 母材區(qū)顯微硬度值最低,平均為179.5HV,其主要原因是因?yàn)槟覆氖怯纱执蟮蔫F素體晶粒上分布了粒狀的珠光體組織形成,而珠光體組織又是由片層狀的鐵素體和滲碳體組成,大量的鐵素體的存在降低了母材的硬度;2) 焊縫區(qū)平均硬度為188.7HV,高于母材,但低于熱影響區(qū)。由于激光焊的加熱區(qū)域很小,輸入的熱量多,由于對(duì)接縫隙大或不均勻,使得該區(qū)域溫度梯度變小,溫度降低得十分緩慢,最后形成了大量的先共析鐵素體,從而降低了焊縫區(qū)的顯微硬度值。鐵素體上彌散著部分珠光體也會(huì)導(dǎo)致組織變軟;3) 熱影響區(qū)硬度值平均為211.8HV,高于焊縫區(qū)。其原因是由于熱影響區(qū)的加熱溫度并沒有使母材完全奧氏體化,同時(shí)由于熱影響區(qū)很小,冷卻速度相對(duì)快,形成了少量的貝氏體,細(xì)小的碳化物和塊狀鐵素體分散分布,組織顯微硬度增加。

        2.4 接頭抗拉強(qiáng)度及斷口形貌分析

        拉伸試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)結(jié)果如表4所示。

        表4 不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)下焊接接頭及母材的抗拉強(qiáng)度

        對(duì)試樣10接頭斷口做電鏡掃描,所得相圖如圖8所示。

        圖8 試樣10接頭斷口形貌

        由圖8可知,試樣10接頭斷面較平整,韌窩形貌明顯且數(shù)量較多,在斷口處存在一定的剪切唇,明顯屬于韌性斷裂。由此說明試樣10所得焊接接頭外觀相對(duì)較好的同時(shí),焊縫內(nèi)部質(zhì)量也較高。焊縫試樣拉伸強(qiáng)度雖然低于母材,但已達(dá)到母材拉伸強(qiáng)度的83.0%,接頭性能良好。

        3 結(jié)語

        本文利用光纖激光器對(duì)304不銹鋼進(jìn)行激光對(duì)接焊接工藝的研究,得出以下主要結(jié)論:

        1) 分析焊縫宏觀形貌,可得焊縫熔深、熔寬跟光纖激光功率呈正相關(guān)性,跟焊接速度呈負(fù)相關(guān)性。當(dāng)離焦量的絕對(duì)值較大時(shí),其絕對(duì)值與焊縫熔深、熔寬呈負(fù)相關(guān)性,且正離焦對(duì)熔寬的影響相對(duì)較大,負(fù)離焦對(duì)熔深的影響相對(duì)較大。為獲得表面成形良好和力學(xué)性能較好的焊接接頭,改變激光試驗(yàn)工藝得到較好參數(shù):激光功率4kW,焊接速度0.038m/s,離焦量為0mm。

        2) 分析304不銹鋼激光對(duì)接焊接微觀金相,觀察到光纖激光焊接時(shí),光斑直徑較小,焊縫及熱影響區(qū)也很窄,所以焊接能量十分集中,而焊速很快,焊縫受熱區(qū)也窄,母材升溫不大是因?yàn)闊嶙饔迷谀覆奶幒苄?,所以熱影響區(qū)會(huì)很窄;觀察到焊縫邊緣組織細(xì)小,為柱狀晶,焊逢中心區(qū)為等軸晶。母材的冷卻作用使焊縫的邊緣溫度梯度增大,容易得到柱狀晶;而在焊縫中心區(qū)液態(tài)金屬持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),溫度梯度小,熱量分布較均勻,容易得到等軸晶。

        3) 實(shí)驗(yàn)中硬度試驗(yàn)表明熱影響區(qū)的硬度最高,焊縫區(qū)的硬度較高,母材區(qū)的硬度最低;本試驗(yàn)中拉伸試驗(yàn)表明接頭試樣抗拉強(qiáng)度是母材的83.0%,斷裂處均在焊縫區(qū),可以在斷口處發(fā)現(xiàn)存在一定的剪切唇,而且斷口呈撕裂狀,韌窩形貌明顯,屬于韌性斷裂。

        4) 試驗(yàn)中出現(xiàn)的焊接缺陷主要為未焊透、形狀缺陷和氣孔等其他缺陷,其中形狀缺陷主要為焊縫正面下凹和背面塌落,其他缺陷主要是飛濺,同時(shí)未發(fā)現(xiàn)熱裂紋。氣孔包括表面氣孔和焊縫內(nèi)部氣孔,均降低了焊縫的強(qiáng)度。未焊透是由于工藝參數(shù)不合理造成的。

        參考文獻(xiàn):

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        [3] 溫鵬,荻崎賢二,山本元道,等. 奧氏體不銹鋼激光焊接過程中殘留液體金屬的在線觀察[J]. 焊接學(xué)報(bào),2012,25(3):53-56.

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        [5] 倪濤,屠艷,魯金忠,等. 光纖激光焊接ANSI304不銹鋼中厚板工藝參數(shù)研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程,2011,40(15):67-71.

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