王 波， 舒林森,2*

(1.陜西理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 陜西 漢中 723000；2.陜西省工業(yè)自動(dòng)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 漢中 723000)

304L不銹鋼具有良好的耐蝕性，耐高、低溫且沖擊韌性好，在航空、航天、船舶、汽車、壓力容器和食品機(jī)械等行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[1-2]。與普通碳素鋼相比，不銹鋼的熱脹系數(shù)大，導(dǎo)熱系數(shù)小，焊接時(shí)易發(fā)生變形。對(duì)于厚度為1 mm的不銹鋼薄板而言，傳統(tǒng)技術(shù)(如MIG/MAG焊接、TIG焊接等)更易引發(fā)焊后變形大、焊縫成形不良、甚至燒穿等問題[3-4]。較之傳統(tǒng)的焊接方式，脈沖激光焊接具有熱源密度集中、易于控制焊接軌跡、熱影響區(qū)較窄、焊縫成形好等優(yōu)點(diǎn)，適宜薄板不銹鋼材料的焊接[5-7]。焊接速度直接影響薄板焊接效率和焊接接頭的力學(xué)性能。文獻(xiàn)[8-9]通過研究不同焊接速度對(duì)激光焊接接頭性能的影響，獲得了激光焊接接頭的焊接工藝與力學(xué)性能。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)304L不銹鋼薄板激光焊接速度、焊接接頭性能等方面開展了廣泛的研究。文獻(xiàn)[10-12]研究了不銹鋼薄板焊接工藝性能、焊后變形；文獻(xiàn)[13-15]通過分析、研究影響金屬焊接接頭力學(xué)性能的因素，得到了成形較好的焊縫接頭。

雖然有關(guān)不銹鋼薄板激光焊接接頭性能研究成果的報(bào)道不多，但上述文獻(xiàn)的研究成果為厚度小于1 mm的薄鋼板焊接提供了基礎(chǔ)理論和研究思路。本文以厚度0.4 mm的304L不銹鋼薄板為研究對(duì)象，通過對(duì)200、250、300、350、400 mm/min這5種速度下激光焊接接頭的硬度、拉伸性能進(jìn)行測試分析，為厚度0.4 mm的304L不銹鋼薄板的焊接應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為厚度0.4 mm的304L不銹鋼薄板，母材化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1和表2所示。

表1 304L不銹鋼主要化學(xué)成分表

表2 304L不銹鋼的性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

激光焊接系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示，該激光系統(tǒng)由激光系統(tǒng)、保護(hù)氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和工作臺(tái)組成。其中Nd∶YAG激光器最大輸出功率P=800 W，激光波長為λ=1064 nm，標(biāo)準(zhǔn)光斑直徑D=1.5 mm，控制系統(tǒng)具備X、Y、Z方向移動(dòng)自由度，精度達(dá)0.01 mm。激光焊接前設(shè)置焊接參數(shù)及不同焊接速度，對(duì)試件進(jìn)行激光焊接。本文采用變焊接速度的試驗(yàn)方法，5種焊接速度分別設(shè)置為V1=200 mm/min、V2=250 mm/min、V3=300 mm/min、V4=350 mm/min、V5=400 mm/min。試驗(yàn)過程中其余工藝參數(shù)分別為離焦量h=-25 mm，脈寬b=2.4 ms，電流I=170 A，工作頻率f=14 Hz。

圖1 激光焊接系統(tǒng)組成

采用HV-1000數(shù)字式顯微韋氏硬度計(jì)對(duì)焊接接頭橫截面硬度進(jìn)行測量(載荷為9.8 N，加載時(shí)間為10 s)。具體實(shí)施中，待試件完成激光焊接后冷卻半小時(shí)再進(jìn)行測量。采用多點(diǎn)測量法來表征焊接接頭橫截面硬度情況，即在焊接接頭橫截面上沿垂直于焊縫方向依次選取21個(gè)測量點(diǎn)，獲取焊后304L不銹鋼薄板硬度數(shù)據(jù)。拉伸試驗(yàn)采用YL100-W液壓雙動(dòng)拉伸機(jī)在拉伸速度為5 mm/min條件下進(jìn)行，拉伸前在試件參數(shù)中設(shè)置試樣寬度10 mm，厚度0.4 mm，標(biāo)距30 mm。為減小試驗(yàn)偶然性及數(shù)據(jù)計(jì)算誤差，不同試驗(yàn)參數(shù)下分別選取3組拉伸試樣求其平均值，記錄試驗(yàn)機(jī)單向拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.3 焊接試件制備

圖2 拉伸試樣尺寸及硬度測量路徑

為減少激光焊接接頭以及拉伸試樣中的焊接缺陷，本試驗(yàn)采取先在較大的試驗(yàn)薄板上完成對(duì)接焊試驗(yàn)，然后在焊后薄板上切割出拉伸試樣，并清洗拉伸試樣表面的油污。先用砂紙打磨掉較大試驗(yàn)薄板上對(duì)邊的加工痕跡和表面氧化層等雜質(zhì)，最后用丙酮將試件清洗和風(fēng)干燥處理，用酒精擦拭304L不銹鋼薄板的待焊接部位，然后采用自制夾具將兩塊較大薄鋼板對(duì)接并固定，對(duì)接處的間隙小于0.1 mm。以最優(yōu)焊接工藝參數(shù)分別進(jìn)行不同焊接速度的激光焊接試驗(yàn)，對(duì)焊后薄板進(jìn)行切割、清潔，得到如圖2所示較為均勻、完整的拉伸試樣。選取垂直于焊縫中心的方向，切割出15 mm的顯微硬度觀測試件，并在試件表面均勻選取21個(gè)測量點(diǎn)，測量焊接接頭硬度值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊接接頭的宏觀形貌

圖3為不同焊接速度下激光焊接試樣宏觀形貌?？梢钥闯?，5種焊接速度下304L不銹鋼薄板的焊接接頭較為完整、均勻，且都已熔透，焊縫自熔性良好，熔寬隨著焊接速度的提高而減小。觀察焊后試件的整體形貌可知，隨著焊接速度的提高，焊縫熔寬逐漸減小，焊縫質(zhì)量逐漸改善。當(dāng)焊接速度為200、250 mm/min時(shí)，焊接接頭較寬，易過燒，呈現(xiàn)出黑色，特別是焊接速度為200 mm/min時(shí)，焊縫處出現(xiàn)了明顯的咬邊現(xiàn)象；當(dāng)焊接速度提高至400 mm/ min時(shí)，焊縫較窄，無缺陷，魚鱗紋明顯呈銀白色。

圖3 不同焊接速度下激光焊接試樣宏觀形貌

圖4 焊接速度對(duì)焊縫熔寬的影響

焊接速度對(duì)焊縫熔寬的影響情況如圖4所示。通過測量5種焊接速度下焊縫的正、背面熔寬可知，當(dāng)焊接速度逐漸提高時(shí)，試件焊接接頭的熔寬都呈現(xiàn)逐漸減小的變化規(guī)律，且正面熔寬明顯大于背面熔寬，這與焊接瞬時(shí)能量和焦點(diǎn)光斑位置密切相關(guān)。5組試驗(yàn)中離焦量值保持不變，當(dāng)焊接速度逐漸減小時(shí)，激光光斑移動(dòng)速度降低，焊縫處瞬時(shí)能量過大，冷卻速度下降，接頭熔化區(qū)域面積增大，使得焊接接頭正、背面熔寬逐漸增大；當(dāng)處于高焊接速度時(shí)，光斑快速移動(dòng)使得焊接能量輸入變小，冷卻速度加快，304L不銹鋼薄板母材的熔化區(qū)域減小，使得焊接接頭正、背面熔寬逐漸減小。

2.2 顯微硬度

圖5為不同焊接速度下激光焊接接頭的顯微硬度分布。發(fā)現(xiàn)不同焊接速度下的304L焊接接頭橫截面硬度分布趨勢基本相同，并且都以焊縫中心處對(duì)稱，呈現(xiàn)出M形。熱影響區(qū)和焊縫區(qū)的硬度值均高于母材區(qū)，并且在熱影響區(qū)硬度上升和下降較為顯著。當(dāng)激光焊接速度分別為200、250、300、350、400 mm/min時(shí)，焊接接頭焊縫區(qū)域的平均硬度值分別是305、306、310、324、337 HV；焊縫熔寬隨著焊接速度的提高而減小，平均硬度變大，當(dāng)焊接速度為400 mm/min時(shí)，焊接接頭處的平均硬度約為母材硬度的1.2倍，其硬度最高值在接頭中心兩側(cè)，約為350 HV。

圖6為各焊接速度下熔合區(qū)和外側(cè)熱影響區(qū)平均硬度值。由圖中平均硬度值分析可知，5種焊接速度下外側(cè)熱影響區(qū)的平均硬度值相差較小，大約在277～294 HV之間，接近于304L母材的硬度值271 HV。熔合區(qū)硬度值隨著焊接速度的提高而逐漸變大，焊接速度為400 mm/min時(shí)，其硬度值最大，為332 HV；激光焊接速度較低會(huì)使焊縫處硬度降低，當(dāng)焊接速度為200、250 mm/min時(shí)，瞬時(shí)能量輸入過大，冷卻能力下降，致使焊接接頭處出現(xiàn)咬邊、過燒等不足，使其平均硬度降低。

圖5 不同焊接速度下激光焊接接頭的顯微硬度分布 圖6 硬化熔合區(qū)和外側(cè)熱影響區(qū)平均硬度值

2.3 焊接接頭拉伸性能

為保證焊縫質(zhì)量的穩(wěn)定性和試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，分別取同一速度下的3次拉伸試驗(yàn)結(jié)果的平均值為最后的試樣拉伸數(shù)值。在室溫下對(duì)不同焊接速度下的拉伸試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸后的形貌如圖7所示，圖中①—⑤分別為V1=200 mm/min、V2=250 mm/min、V3=300 mm/min、V4=350 mm/min、V5=400 mm/min幾種不同焊接速度下的拉伸試樣，⑥為母材拉伸試樣。

圖7 焊接試樣拉伸后的形貌對(duì)比

從圖7拉伸后的試樣形貌可以看出，不同焊接速度下的室溫拉伸斷裂均發(fā)生在焊接接頭焊縫區(qū)域，各速度下的拉伸試樣都明顯伸長，當(dāng)速度為V1和V3時(shí)伸長量較小，速度為V2和V4時(shí)伸長量較大，速度為V5時(shí)伸長量最大。母材試件拉伸后伸長量明顯高于其他焊接試件，母材拉伸斷裂處呈現(xiàn)近似45°的斷口。

圖8為母材與不同焊接速度下激光焊接接頭拉伸試驗(yàn)曲線。由圖8(a)、(b)曲線可知，隨著焊接速度的提高，試件焊接接頭的屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度先減小后增大；當(dāng)拉伸載荷超過2 kN時(shí)，試件陸續(xù)出現(xiàn)屈服、斷裂，最大拉伸載荷為2.92 kN；母材試件最后斷裂，最大拉伸載荷為4.62 kN。由圖8(c)曲線可知，母材試件的應(yīng)力最大，其最大真實(shí)應(yīng)力是2042 MPa；焊接速度為200 mm/min時(shí)焊接接頭最大真實(shí)應(yīng)力是864 MPa。由圖8(d)曲線可知，試驗(yàn)中隨著焊接速度的提高，斷后伸長率也呈現(xiàn)增大趨勢，焊接接頭的斷后伸長率均小于母材。綜上，在進(jìn)行不同速度下的304L不銹鋼薄板激光焊接試驗(yàn)時(shí)，焊接接頭的力學(xué)性能隨著焊接速度的提高而呈現(xiàn)出增大的趨勢，但始終小于304L不銹鋼母材的力學(xué)性能，在焊接速度為400 mm/min時(shí)，焊接質(zhì)量最好，力學(xué)性能與母材最為接近。

表3為母材與焊接接頭的室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果。5種焊接件的斷裂位置都在焊縫處，通過數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，各焊接速度下室溫拉伸試驗(yàn)的拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長率都小于304L母材性能。從整體來看，隨著焊接速度的提高，焊接件的拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長率都在逐漸增大。這是因?yàn)閷?duì)于厚度0.4 mm的304L薄鋼板，在一定離焦量下隨著焊接速度的提高，光斑在焊縫處分布更加均勻，焊接質(zhì)量較好，增大了力學(xué)性能；當(dāng)速度為200、300 mm/min時(shí)，焊接接頭的力學(xué)性能都偏小，特別是斷后伸長率僅是母材的18.3%、29.57%。這是因?yàn)楫?dāng)焊接速度過小時(shí)光斑過于致密，使得焊接時(shí)光斑重疊次數(shù)較多，導(dǎo)致焊縫處焊接質(zhì)量變差，從而降低了焊接接頭的力學(xué)性能；當(dāng)焊接速度為400 mm/min時(shí)，焊接接頭的整體焊接力學(xué)性能較好，屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度接近母材性能。

圖8 母材與不同焊接速度下激光焊接接頭拉伸試驗(yàn)曲線

3 結(jié) 論

本文利用Nd∶YAG激光器對(duì)304L鋼薄板進(jìn)行5種不同焊接速度下的焊接工藝試驗(yàn)，結(jié)果表明，5種焊接速度下的焊接接頭較為完整、均勻且都已熔透，焊縫處自熔性連接較好，焊縫與熱影響區(qū)域明顯。具體結(jié)論如下：

(1)隨著焊接速度提高，焊縫正、背面熔寬依次減??；當(dāng)焊接速度為200、250 mm/min時(shí)，焊接接頭性能較差，焊縫較寬且出現(xiàn)過燒、咬邊等焊接缺陷；當(dāng)焊接速度逐漸提高至350、400 mm/min時(shí)，焊縫較窄，成形較好，無縱向裂紋。

(2)5種焊接速度下焊接接頭硬度曲線分布都為M形，焊接熱影響區(qū)和焊縫區(qū)硬度都高于母材；5種焊接速度下的屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、斷后伸長率均小于母材，斷裂部位都在焊縫處；當(dāng)焊接速度為400 mm/min時(shí)，焊接接頭的屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、斷后伸長率最佳，分別為母材的92%、87.6%、56.52%。