劉 俊 曾 超 趙林燁

（1南華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，衡陽(yáng) 4210011；2南華大學(xué) 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院，衡陽(yáng) 421001）

雙相不銹鋼具有奧氏體和鐵素體雙相組織特點(diǎn)，不但具有奧氏體良好的焊接加工性，還具有鐵素體的高強(qiáng)度、耐氯化物腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，因此在石油、化工以及核電等行業(yè)中應(yīng)用廣泛[1-2]。雙相不銹鋼的焊接技術(shù)被廣大研究人員所關(guān)注，在焊接過(guò)程中不但要求母材焊接性能好，而且對(duì)于焊接接頭也有較高的性能要求。當(dāng)選用一般焊接方式如電弧焊和熔化焊等，焊接雙相不銹鋼過(guò)程中會(huì)存在焊縫熱影響區(qū)晶粒組織比較粗大、出現(xiàn)軟化等各種焊接缺陷[3-4]。近年來(lái)，隨著激光焊的發(fā)展與成熟，雙相不銹鋼逐漸被應(yīng)用于焊接領(lǐng)域。由于激光焊接具有焊接熱影響區(qū)窄、焊后變形小等優(yōu)點(diǎn)，可以有效減輕雙相鋼焊接遇到的問(wèn)題，且激光焊接生產(chǎn)效率高，有更高的靈活性，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制[5-6]。

本文采用光纖激光焊機(jī)對(duì)3 mm的2205雙相鋼進(jìn)行激光焊接實(shí)驗(yàn)，通過(guò)單變量控制法改變激光功率、焊接速度和離焦量，觀察不同工藝參數(shù)下焊縫宏觀和微觀變化情況，為核電領(lǐng)域中焊接生產(chǎn)的工藝制定提供指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)材料采用2205雙相不銹鋼，試板尺寸為200 mm×100 mm×3 mm，母材各材料成分如表1所示。焊接設(shè)備采用6 000 W光纖激光器系統(tǒng)及其輔助設(shè)備。

表1 2205雙相不銹鋼化學(xué)元素成分

1.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

將試樣板件在鋸床上切開(kāi)，利用線切割加工成尺寸為25 mm×10 mm×3 mm的金相試樣，然后分別選用600#、800#、1 000#和2 000#的金相砂紙和水磨機(jī)依次打磨試塊，拋光至1.5 μm后用酒精和去離子水清洗干凈并吹干，去除表面氧化物和油污等雜質(zhì)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用拼接的焊接形式，對(duì)3 mm的2205雙相不銹鋼板材進(jìn)行激光堆焊工藝試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)選取離焦量、激光功率和焊接速度等工藝參數(shù)為主要控制變量，采用單因素控制變量法探索焊接工藝參數(shù)對(duì)板材焊縫成型的焊接影響情況，然后分析焊縫成型的規(guī)律，從而通過(guò)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，觀察焊接后試樣焊縫的金相組織并測(cè)試其力學(xué)性能[7-8]。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 離焦量對(duì)焊縫質(zhì)量的影響

離焦量是激光焊接實(shí)驗(yàn)中很難調(diào)節(jié)的焊接參數(shù)，表示激光的聚焦點(diǎn)離焊件上表面的距離。聚焦點(diǎn)在板件表面以上為正離焦，位于板件以下為負(fù)離焦。理論上，離焦量越大，光斑直徑越大，聚焦能量越弱；離焦量越小，光斑直徑越小，聚焦能量越大。徐良[9]等認(rèn)為，在焊接過(guò)程中，焦點(diǎn)聚焦的位置位于一定范圍內(nèi)時(shí)板件才能獲到較大的熔深，若超過(guò)或低于這一范圍，焊接熔深可能達(dá)不到要求。

激光功率和焊接速度保持不變時(shí)，在不同離焦量下的焊縫宏觀成型情況如表2所示，焊縫宏觀形貌如圖1所示。從圖1可以看出：當(dāng)離焦量由5 mm慢慢增大到10 mm時(shí)，焊件的焊縫從出現(xiàn)下凸到焊縫熔深剛好焊透，再到未焊透狀態(tài)?？梢?jiàn)，隨著激光離焦量逐漸增大，焊縫熔深逐漸變淺，且隨著激光離焦量的增大，作用在焊件背面的熱量逐漸變小，作用在焊件的面積逐漸變大，導(dǎo)致焊縫的熔深越來(lái)越小，焊縫的熔度越來(lái)越大。當(dāng)離焦量為-10 mm時(shí)，焊縫出現(xiàn)咬邊現(xiàn)象，焊縫熔深突增，表現(xiàn)出激光深熔焊的特性。整體來(lái)看，焊縫熔寬表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)。當(dāng)離焦量為-5 mm時(shí)，焊縫成型良好。綜上所述，激光焊接時(shí)焊接離焦量太大或太小，會(huì)導(dǎo)致焊縫熔深很大或者很小，致使深寬比和焊縫質(zhì)量達(dá)不到要求。

表2 不同離焦量下的焊縫宏觀成型情況

圖1 不同離焦量下的焊縫宏觀形貌

2.2 激光功率對(duì)焊縫質(zhì)量的影響

湖南大學(xué)的陳根余[10]等利用10 kW光纖激光器對(duì)12 mm厚的SUS304不銹鋼進(jìn)行穿透焊焊接試驗(yàn)，主要研究大功率激光焊接中易產(chǎn)生表面塌陷的原因，分析焊接工藝參數(shù)與表面塌陷之間的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)中，激光功率不同情況下，焊縫宏觀成型情況如表3所示，焊縫宏觀形貌如圖2所示。當(dāng)激光功率為1.5 kw時(shí)，焊件出現(xiàn)未焊透現(xiàn)象。隨著激光功率的增加，焊接熔深逐漸變大，焊縫由未焊透狀態(tài)到達(dá)焊透狀態(tài)，熔寬隨之逐漸變寬。當(dāng)激光功率進(jìn)一步增加時(shí)，上凸慢慢由稍微上凸轉(zhuǎn)變?yōu)橄掳紶顟B(tài)，而下余高由原來(lái)未焊透狀態(tài)先轉(zhuǎn)變?yōu)楹竿笭顟B(tài)再逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橥蛊馉顟B(tài)。當(dāng)激光功率增加至2.5 kW時(shí)，焊縫背面剛好被焊透，處于適度熔透狀態(tài)，焊接成型良好。當(dāng)激光功率增加至2.75 kW時(shí)，焊縫背面出現(xiàn)較大的塊狀焊接腫瘤，此時(shí)焊接背面處于過(guò)度熔透狀態(tài)[11]。

表3 不同激光功率下的焊縫宏觀成型情況

圖2 不同激光功率下的焊縫宏觀形貌

2.3 焊接速度對(duì)焊縫質(zhì)量的影響

楊智華[12]等采用光纖激光器對(duì)1.5 mm厚TRIP590鋼板進(jìn)行對(duì)接焊，觀察接頭的宏觀形貌和顯微組織，測(cè)試其硬度和拉伸性能，分析焊接速度對(duì)焊縫成型、接頭組織與力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：較低和較高的焊接速度導(dǎo)致焊縫表面均有較大的凹陷，均不利于焊縫成型；焊接速度對(duì)組織與性能影響不大。

實(shí)驗(yàn)中，不同焊接速度下的焊縫宏觀成型情況如表4所示，焊縫宏觀形貌如圖3所示。焊接速度越大，激光在單位時(shí)間內(nèi)作用在焊件表面的熱量越少。隨著焊接速度的增大，激光自熔焊由原來(lái)的焊透狀態(tài)逐漸變?yōu)槲春竿笭顟B(tài)，焊縫熔深逐漸降低。從焊縫背面的熔透情況可以看出，當(dāng)焊接速度在0.75～1.5 m·min-1時(shí)，焊縫成型良好。焊縫背部通入保護(hù)氣體后，表面得到了很好的保護(hù)。此外，焊縫熔寬變化較為明顯。隨著焊接速度的增大，焊縫熔寬逐漸變小。下余高隨著焊接速度的增加而逐漸變小[13]。

圖3 不同焊接速度下的焊縫宏觀形貌

表4 不同焊接速度下的焊縫宏觀成型情況

2.4 焊縫接頭微觀組織

不同激光功率下的微觀組織如圖4所示。由圖4可知，焊縫的微觀組織成分主要是由深灰色鐵素體和白色奧氏體組成。在焊接過(guò)程中，焊縫中的組織以鐵素體的形式凝固。隨著激光功率的增加，焊件的熱輸入量逐漸變大。鐵素體組織中會(huì)析出更多奧氏體組織，且隨著熱輸入量的增大，焊縫的冷卻速度變慢，元素的擴(kuò)散速度和晶體的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變更加穩(wěn)定。奧氏體由細(xì)小的條狀逐漸變粗，鐵素體組織也逐漸長(zhǎng)大，即晶體由細(xì)長(zhǎng)的柱狀晶向大塊的等軸晶轉(zhuǎn)變，而鐵素體等軸晶能夠析出更多的奧氏體組織[14]。

圖4 不同激光功率下的微觀組織

3 結(jié)語(yǔ)

本文以2205雙相不銹鋼為研究對(duì)象，探究激光焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫成型及微觀組織的影響規(guī)律，為激光焊接技術(shù)在核電工程領(lǐng)域的廣泛運(yùn)用提供理論和數(shù)據(jù)支撐。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)于3 mm的2205雙相不銹鋼，在離焦量為-5 mm、激光功率為2 kW、焊接速度為0.75 m·min-1和離焦量為-5 mm、激光功率為1.5 kW、焊接速度為0.5 m·min-1時(shí)焊縫成型良好，且接頭的金相組織滿足焊接要求。