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。

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