劉瑞琳 劉云祺 程 乾 門正興 蔡昌勇 馬亞鑫

(1. 成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，四川610010；2. 西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川610031)

304不銹鋼因其具有良好的焊接性、耐腐蝕性能和良好的性能而被廣泛地應(yīng)用于航空航天、汽車、船舶和醫(yī)療器械等領(lǐng)域。焊接時(shí)不可避免地會(huì)存在失穩(wěn)變形的問題，304不銹鋼熱導(dǎo)率低，線膨脹系數(shù)小，采用傳統(tǒng)焊接方法時(shí)易出現(xiàn)較大的焊接變形或燒穿缺陷[1-3]，因此304不銹鋼薄壁件的焊接對(duì)焊接熱輸入很敏感，過高的熱輸入會(huì)使得焊件變形或燒穿，影響零件的外觀，過低的熱輸入又無法保證焊透，降低焊縫的性能。

激光焊[4]與傳統(tǒng)電弧焊相比，具有熱輸入小、熱影響區(qū)小、接頭強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，且激光光束定位準(zhǔn)確，可以通過調(diào)節(jié)激光功率更好地控制熱輸入，減小焊件變形。本文采用光纖激光器，針對(duì)壁厚1.5 mm的304不銹鋼管件進(jìn)行不同激光功率下的對(duì)接焊試驗(yàn)研究，觀察其焊縫成型和組織。

1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

試驗(yàn)所選材料為SUS304不銹鋼圓管，圓管壁厚1.5 mm(外徑20 mm，內(nèi)徑17 mm)。焊前采用砂紙打磨去除材料表面的氧化膜，并用無水乙醇擦拭吹干。試驗(yàn)采用4 kW激光-電弧復(fù)合焊接系統(tǒng)，選擇單激光模式，所用的激光器為IPG YLS-4000光纖激光器，激光器通過ABB IRB2600六軸聯(lián)動(dòng)的機(jī)器人移動(dòng)，保護(hù)氣體為99.99%的高純氬氣。焊接線速度為20 mms，保護(hù)氣體流量30 Lmin，激光角度10°，激光功率如表1所示。304不銹鋼圓管采用對(duì)接的方式裝配在焊接夾具上，焊接時(shí)焊件夾具一起轉(zhuǎn)動(dòng)，激光器和焊槍固定不動(dòng)，如圖1所示。因?yàn)榧す夤獍咧睆胶苄?，所以裝配時(shí)保證兩圓管之間的間隙盡量小，防止間隙過大，激光光束穿過間隙，造成焊接缺陷。

表1 激光功率Table 1 Laser power

焊后采用金相切割方法垂直于焊縫切取試樣，用砂紙逐級(jí)打磨后，再拋光至鏡面腐蝕，采用JENOPTIK體視顯微鏡觀察焊接接頭截面的宏觀形貌，采用顯微鏡進(jìn)行金相分析，腐蝕液為王水。

(a)1號(hào)試樣(b)2號(hào)試樣(c)3號(hào)試樣

圖2 焊縫表面和截面形貌Figure 2 Weld surface and section morphology

圖3 焊縫和母材組織(500×)Figure 3 Microstructure of weld and base metal(500×)

BM—母材 HAZ—熱影響區(qū) FZ—焊縫
圖4 圓管接頭維氏硬度分布曲線
Figure 4 Vickers hardness distribution curve of pipe joints

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 激光功率對(duì)焊縫成形的影響

焊縫表面和截面形貌如圖2所示，由宏觀形貌圖可以看出，隨著激光功率的增加，焊縫寬度增加，表面激光功率增加，焊縫的熱輸入也隨之增加，且不同激光功率下的焊縫表面平整光亮，無太大區(qū)別。激光功率為2200 W時(shí)，焊縫呈半圓形，熔深約為1.2 mm，未焊透；激光功率為2400 W，焊縫截面近似上下等寬呈矩形，焊縫焊透。當(dāng)激光功率為2600 W時(shí)，焊縫上部寬下部窄，截面呈倒梯形，焊縫焊透。激光功率太小，焊件焊不透，激光功率太大熔寬增加，不利于焊縫成形和美觀，激光功率在2400 W較為合適。

2.2 焊縫組織特征

圖3是不同激光功率下的焊縫組織，具有典型的激光重熔后凝固組織特征。在500倍放大鏡下觀察，從母材到熱影響區(qū)到焊縫中心，各層的顯微組織差異明顯，304不銹鋼母材是奧氏體組織，焊縫中心為細(xì)小的等軸晶組織。激光焊接時(shí)，由于激光加熱范圍小，溫度梯度較大，熱量主要靠熱傳導(dǎo)作用向外擴(kuò)散，因此，液態(tài)熔池的溫度梯度和過冷度都很大，同時(shí)激光焊接時(shí)焊接速度快，高溫停留時(shí)間短，限制了晶粒長(zhǎng)大，使得焊縫晶粒細(xì)小。熔合線因靠近母材，溫度梯度大，柱狀晶垂直于熔合線向焊縫中心生長(zhǎng)。由于激光焊接時(shí)的熱輸集中且冷卻速度快，因此熱影響區(qū)范圍很窄。

2.3 截面硬度分布

圓管接頭的維氏硬度分布曲線如圖4所示，焊縫打點(diǎn)位置如圖2所示,接頭母材的平均硬度為203HV，焊縫區(qū)平均硬度為185HV，熔合線附

近平均硬度為184HV。母材的硬度稍高于焊縫區(qū)，這可能是因?yàn)楹缚p快速凝固，鐵素體來不及發(fā)生相變轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體組織。根據(jù)凝固模式和偽二元相圖可知[5-6]，不同的鉻鎳當(dāng)量比值CreqNieq對(duì)應(yīng)不同的凝固模式和室溫組織，而304奧氏體不銹鋼的CreqNieq為2.06[7]，其凝固模式為F模式，室溫組織為鐵素體+奧氏體。

3 結(jié)論

(1)當(dāng)激光功率在2400 W時(shí)，焊縫截面形狀為矩形，上下寬度近似相等，焊縫表面和截面成型良好；

(2)焊縫中心為等軸晶組織，熔合線處為柱狀晶組織，熱影響區(qū)范圍很窄。