楊濤，汪遠(yuǎn)，莊園，楊瑞欣，曾俊諺，李桓玉

(1.西南交通大學(xué),成都,610031；2.成都四威高科技產(chǎn)業(yè)園有限公司,成都,610097)

0 序言

奧氏體不銹鋼被廣泛應(yīng)用于下一代地鐵的輕量化材料設(shè)計(jì)體系，其高強(qiáng)度以及高延展性[1]是保證地鐵安全運(yùn)行的關(guān)鍵.在不銹鋼地鐵結(jié)構(gòu)制造過(guò)程中，為提高焊接效率并獲得成形效果好的焊縫常常采用激光-電弧復(fù)合焊接制造工藝[2].在激光電弧復(fù)合焊接過(guò)程中，激光通過(guò)等離子體相互作用對(duì)電弧進(jìn)行穩(wěn)定和壓縮提高了電弧能量的集中，造成電弧區(qū)熱量的積累[3]，熱量的積累容易使焊縫晶粒粗大，導(dǎo)致焊接接頭強(qiáng)度及斷后伸長(zhǎng)率的弱化[4]，而強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率的降低會(huì)顯著影響焊接結(jié)構(gòu)的使用壽命，降低地鐵行車的安全性和可靠性.為了明晰焊接接頭強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率的弱化機(jī)制，Subashini 等人[5]對(duì)比了馬氏體不銹鋼激光與激光-熔化極惰性氣體保護(hù)(metal-inert gas welding,MIG)復(fù)合焊，發(fā)現(xiàn)激光-MIG 復(fù)合熱源下焊縫晶粒更粗大且強(qiáng)化相析出物更少，接頭強(qiáng)度更低.Chu 等人[6]和Jiang 等人[7]發(fā)現(xiàn)焊縫織構(gòu)強(qiáng)度隨焊接熱源的熱輸入增加而增加，但過(guò)大的織構(gòu)強(qiáng)度會(huì)使材料的斷后伸長(zhǎng)率降低，這是由于焊接接頭的熱輸入影響了焊縫晶粒的尺寸及織構(gòu)強(qiáng)度，改變了位錯(cuò)滑移的阻礙作用最終造成接頭的強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率的變化.另外，劉穎等人[8]發(fā)現(xiàn)焊縫晶粒的形狀、尺寸和取向因素決定了接頭的各向異性,而各向異性對(duì)材料的強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率有不利影響.大角度界面由于對(duì)解理裂紋的擴(kuò)展具有抑制作用，有利于材料斷后伸長(zhǎng)率的提升[9].以上研究表明焊接過(guò)程中熱源的熱作用決定了焊接接頭微觀組織的尺寸形貌及焊縫的冶金性能，而材料的微觀組織最終決定焊接接頭的力學(xué)性能[10].因此需要從微觀晶體學(xué)角度來(lái)揭示激光電弧復(fù)合焊焊接接頭力學(xué)性能弱化機(jī)制與激光-電弧協(xié)同熱作用之間的關(guān)系，得出激光-電弧協(xié)同熱作用下復(fù)合焊接接頭強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率的弱化機(jī)制.

結(jié)合三維熔池溫度模型與力學(xué)性能測(cè)試，闡明了激光與電弧協(xié)同熱作用對(duì)接頭強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率的影響規(guī)律，揭示了接頭力學(xué)性能弱化機(jī)制與激光電弧熱作用之間的關(guān)系.利用電子背散射衍射(electron backscatter diffraction,EBSD)來(lái)研究接頭的微晶特征，包括晶粒取向分布、施密特因子(schmidt factor,SF)、晶粒尺寸和晶界取向差分布.該工作對(duì)不銹鋼激光電弧復(fù)合焊焊接工藝與接頭性能之間的匹配關(guān)系具有指導(dǎo)意義.

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)?zāi)覆臑镾US301L-MT 奧氏體不銹鋼板材，試板尺寸為300 mm × 150 mm × 8 mm，填充材料采用ER308LSi 不銹鋼焊絲，焊絲直徑為1.2 mm，母材及焊絲的化學(xué)成分如表1 所示.圖1 為焊接原理示意圖.焊接電流不為0 A 時(shí)，電弧與激光束在一個(gè)共同的熔池中相互作用，為激光-電弧復(fù)合焊，焊接電流為0 A 時(shí)，為常規(guī)激光焊.基于焊縫成形進(jìn)行了一系列試驗(yàn)以優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，選擇兩種焊接方法的最優(yōu)工藝參數(shù)下的接頭進(jìn)行力學(xué)性能和微觀組織的對(duì)比研究.最優(yōu)參數(shù)下，即焊接電流為274 A的能量密度大，焊接效率高，而焊接電流為0 A 的焊接效率較低.此時(shí)焊接電流不為0 A 時(shí)熱輸入為420 J/mm，焊接電流為0 A 時(shí)熱輸入為255 J/mm.在保證激光-電弧復(fù)合焊優(yōu)良焊縫成形的基礎(chǔ)上設(shè)置了電流梯度(274，283，296 A)，用于研究電弧的加入對(duì)接頭強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率的弱化規(guī)律.

圖1 焊接原理示意圖(mm)Fig.1 Schematic diagram of welding principle

表1 母材和焊絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical compositions of base metal and welding wire

通過(guò)WDW3100 型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸拉伸加載試驗(yàn)，測(cè)定接頭的抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能；采用FEI-QUANTA-FEG-250 型掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)對(duì)試樣的斷口形貌進(jìn)行觀察.采用HVS-30 型維氏硬度計(jì)對(duì)激光-MAG 復(fù)合焊接頭進(jìn)行硬度測(cè)試.采用EBSD 分析儀在場(chǎng)發(fā)射SEM 上對(duì)焊接接頭焊縫區(qū)的晶粒取向和晶粒尺寸進(jìn)行觀察分析.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 電弧熱作用對(duì)力學(xué)性能的影響

激光-電弧復(fù)合焊中，由于引入了電弧，使得焊接熱源的能量分布及其熱作用變化，影響焊縫組織的形成并造成接頭強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率的變化[11].為了揭示電弧熱作用對(duì)接頭性能的影響，建立了三維熔池溫度模型解析其溫度分布.通過(guò)拉伸與硬度試驗(yàn)對(duì)接頭綜合力學(xué)性能進(jìn)行了分析，并結(jié)合溫度模型及力學(xué)性能分析闡明了激光與電弧協(xié)同熱作用對(duì)接頭硬度、強(qiáng)度及斷后伸長(zhǎng)率的影響.

圖2 為不同焊接電流下的三維熔池溫度模型.在焊接電流為0 A 時(shí)，由于小激光功率和大離焦量導(dǎo)致熔池淺而寬.在焊接電流不為0 A 時(shí)，整體形態(tài)為深而窄的柱狀熔池，激光和電弧的能量直接作用在電弧區(qū)，電弧區(qū)使上部熔池變得更寬，并產(chǎn)生了熱積累.電弧具有預(yù)熱作用，即電弧對(duì)工件進(jìn)行預(yù)熱，使激光束照射在溫度較高的工件上，這種電弧的預(yù)熱作用導(dǎo)致熔池溫度梯度降低[12].溫度梯度與冷卻速率直接相關(guān)，冷卻速率影響晶粒的尺寸大小，其計(jì)算式[13]為

圖2 三維熔池溫度模型Fig.2 3D molten pool temperature model.(a) Ia=0;(b) Ia≠ 0

式中：C為冷卻速率；G為溫度梯度；V為焊接速度；θ為熔池內(nèi)固液邊界矢量法向與焊接方向的夾角.由式(1)可知，在相同的焊接速度下，較低的溫度梯度會(huì)降低熔池的冷卻速度，延長(zhǎng)冷卻時(shí)間，從而增大晶粒的生長(zhǎng)時(shí)間使晶粒粗大.而晶粒越大晶界數(shù)量越少，導(dǎo)致位錯(cuò)移動(dòng)時(shí)的阻力減少，焊接接頭的強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率便隨之降低.

激光電弧復(fù)合焊過(guò)程中，當(dāng)焊接電流較小時(shí)，電弧不穩(wěn)定，電磁力較小，熔滴直徑大于焊絲直徑，導(dǎo)致熔滴過(guò)渡到熔池時(shí)間變長(zhǎng)，易產(chǎn)生未焊透、夾渣等缺陷.而焊接電流過(guò)大時(shí)，焊接熱輸入增加，液態(tài)金屬“小橋”爆斷及熔池的溫差會(huì)使焊縫形成飛濺、焊瘤等缺陷.在保證焊縫優(yōu)良成形的工藝區(qū)間，增加了焊接電流，發(fā)現(xiàn)復(fù)合焊接頭屈服強(qiáng)度、極限抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率隨焊接電流的增加而減小，如圖3 所示，這是由于焊接電流越大，焊接熱輸入越大，熔池高溫停留時(shí)間較長(zhǎng)，晶粒長(zhǎng)大及競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)方式明顯，在單向拉伸變形中晶粒的協(xié)調(diào)性變差，接頭強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率降低[14]，焊接電流為274 A時(shí)復(fù)合焊接頭強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率最優(yōu).

圖3 拉伸試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Tensile test results

圖4 為最優(yōu)參數(shù)下兩種焊接接頭的硬度分布曲線，在焊接接頭熔合區(qū)(fusion zone,FZ)均存在軟化現(xiàn)象.而焊接電流不為0 A 時(shí)接頭軟化現(xiàn)象更為嚴(yán)重.與焊接電流為0 A 時(shí)焊接接頭相比，其平均屈服強(qiáng)度降低了35 MPa，極限抗拉強(qiáng)度降低66 MPa，斷后伸長(zhǎng)率降低2%，如圖3 所示.

圖4 接頭顯微硬度Fig.4 Microhardness of joints

圖5 為兩種焊接接頭的斷口形貌，焊接電流為0 A 時(shí)接頭的斷口充滿了大量等軸韌窩以及少量卵形韌窩，這表明接頭具有較好的延展性.而焊接電流不為0 A 時(shí)斷口上的“河流花樣”等特殊形態(tài)意味著接頭延展性較差.材料的微觀結(jié)構(gòu)特征直接決定了其性能的優(yōu)異性，為了進(jìn)一步揭示接頭力學(xué)性能弱化機(jī)制與激光電弧熱作用之間的關(guān)系，有效表征材料的微觀結(jié)構(gòu)具有十分重要的研究意義.

2.2 基于微觀晶體學(xué)的接頭力學(xué)性能弱化機(jī)制

基于上述兩種焊接接頭溫度模型和綜合力學(xué)性能分析，確定了激光與電弧協(xié)同熱作用降低了接頭的強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率，為了揭示激光與電弧協(xié)同熱作用弱化接頭強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率的內(nèi)在機(jī)理，利用EBSD 技術(shù)進(jìn)一步分析了接頭的SF、晶粒尺寸和晶界取向差分布，從材料微觀結(jié)構(gòu)角度解釋了焊接電流不為0 A 條件下的接頭強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率的弱化機(jī)制.

圖6 為最優(yōu)工藝參數(shù)下焊接電流為0 和不為0 A時(shí)FZ 的晶粒取向分布.邊緣柱狀晶粒垂直于熔合邊界生長(zhǎng)，靠近焊縫中心的柱狀晶粒平行于焊接方向生長(zhǎng).當(dāng)焊接電流不為0 A 時(shí)晶粒更容易沿熔合線形核，并向焊縫中心生長(zhǎng)，進(jìn)一步形成擇優(yōu)取向.圖7中的極圖表明，在焊接電流不為0 A 時(shí)，其最大織構(gòu)強(qiáng)度(Imax)為9.72 MUD，而焊接電流為0 A 時(shí)Imax為7.44 MUD.同時(shí)，圖7 中的反極圖也表明，焊接電流不為0 時(shí)(Imax=4.05 MUD)比焊接電流等于0 A 時(shí)(Imax=2.57 MUD)的晶體織構(gòu)強(qiáng)度更強(qiáng).這是因?yàn)樽畲罂棙?gòu)強(qiáng)度與熱輸入成正比，熱輸入越大織構(gòu)強(qiáng)度越強(qiáng).而焊接電流不為0 A 時(shí)的較大熱輸入與熱積累加強(qiáng)了接頭織構(gòu)強(qiáng)度和晶粒的擇優(yōu)取向生長(zhǎng)，因此織構(gòu)強(qiáng)度增加引起的接頭各向異性會(huì)弱化焊接接頭的斷后伸長(zhǎng)率[15].

圖7 FZ 的極圖與反極圖Fig.7 Pole figures and inverse pole figures of FZ.(a) Ia=0;(b) Ia≠ 0

根據(jù)滑移臨界分切應(yīng)力定律可知，臨界分切應(yīng)力的值越小，晶粒變形的難度等級(jí)越大，晶粒越難發(fā)生滑移變形，材料斷后伸長(zhǎng)率越好.圖8 為不同焊接電流下SF 的映射關(guān)系.在圖8 左側(cè)圖中易滑移的軟取向紅色晶粒較多，沒(méi)有藍(lán)色晶粒(藍(lán)色晶粒代表SF 值小的硬取向晶粒)；圖8 右側(cè)圖中藍(lán)色晶粒較多，表示晶粒滑移變形困難.由晶粒的SF 分布分?jǐn)?shù)可知，焊接電流為0 A 的SF 均值為0.448，焊接電流不為0 A 的SF 均值為0.434，這表明焊接電流不為0 A 處的接頭較難發(fā)生滑移變形，斷后伸長(zhǎng)率較差.但是激光-電弧復(fù)合焊較大的熱輸入與較低的冷卻速度，促進(jìn)了鐵、碳原子的擴(kuò)散，焊縫中碳化物析出增多，可以強(qiáng)化接頭的斷后伸長(zhǎng)率[16].因此，盡管復(fù)合焊接頭SF 值較小，織構(gòu)強(qiáng)度較大，但由于碳化物析出相的存在還不足以大幅度削弱焊接接頭的斷后伸長(zhǎng)率.

圖8 SF 映射Fig.8 Mapping of SF

從圖9～ 圖11 可以看出，在焊接電流為0 A時(shí)，10 μm 以內(nèi)的晶粒占69.89%，最大晶粒尺寸為251 μm，晶界取向差低于2°的比例為37.8%.15°～60°范圍內(nèi)大角度晶界(high-angle grain boundary,HAGBs)較多.而焊接電流不為0 A 時(shí),HAGBs 較少，晶界取向差低于2°的比例大于41%，10 μm 以內(nèi)的晶粒占61.56%，最大晶粒尺寸為332 μm.電弧介入時(shí)較低的溫度梯度與過(guò)大的熱輸入促進(jìn)了晶粒的長(zhǎng)大，接頭細(xì)晶粒減少，晶粒尺寸更大.晶粒的粗化和晶界取向差的減小不利于抑制位錯(cuò)滑移[17]，這導(dǎo)致了接頭強(qiáng)度的弱化.

圖9 SF 分布Fig.9 SF distribution

圖10 晶粒尺寸分布Fig.10 Grain size distribution

圖11 晶界取向差分布Fig.11 Grain boundary misorientation distribution

3 結(jié)論

(1) 熔池三維溫度模型表明，在焊接電流為0 A時(shí)，熔池較淺但較寬.在焊接電流不為0 A 時(shí)，整體形態(tài)為深而窄的柱狀熔池，電弧熱作用使上部熔池變寬，并產(chǎn)生了熱積累，熔池溫度梯度降低，冷卻時(shí)間延長(zhǎng).

(2) 電弧介入下接頭的晶粒尺寸較大，細(xì)晶粒和大角度晶界較少，SF 值較小，晶體織構(gòu)強(qiáng)度較大，而晶粒的粗化和晶界面積的減小不利于抑制位錯(cuò)滑移，織構(gòu)強(qiáng)度增加引起的接頭各向異性會(huì)弱化焊接接頭的斷后伸長(zhǎng)率.

(3) 由于電弧介入導(dǎo)致熱積累升高與溫度梯度降低，會(huì)強(qiáng)化擇優(yōu)取向和織構(gòu)強(qiáng)度，降低SF 值和HAGBs 數(shù)量，增大晶粒尺寸，最終導(dǎo)致焊接接頭平均屈服強(qiáng)度降低35 MPa，極限抗拉強(qiáng)度降低66 MPa，斷后伸長(zhǎng)率降低2%，并且隨著焊接電流的升高，復(fù)合焊接頭強(qiáng)度及斷后伸長(zhǎng)率繼續(xù)降低.