褚巧玲，曹齊魯，謝志剛，杜 治，曹 凱，常 哲

（1.西安理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710048；2.西安飛行自動控制研究所，西安 710054；3.西安益通熱工技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司，西安 710032；4.西安熱工研究院有限公司，西安 710054）

0 前 言

1J50 軟磁合金在低磁場下具有很高的磁導(dǎo)率和很低的矯頑力，其價格較低、防銹能力和加工性能都比較出色，可以制作成形狀和尺寸極為精密的元器件，廣泛應(yīng)用于電器、空間和超導(dǎo)體領(lǐng)域[1]。0Cr18Ni9 奧氏體不銹鋼，具有良好的耐蝕性、耐熱性，綜合力學(xué)性能良好[2]，在化工、醫(yī)療器械和船舶配件等行業(yè)獲得廣泛應(yīng)用[3-4]。隨著現(xiàn)代工業(yè)對零部件性能提出更高的要求，單一的材料有時并不能滿足現(xiàn)有領(lǐng)域使用要求。與同種材料焊接相比，異種材料焊接難度更大、機理更復(fù)雜，在實際的工程焊接中, 異種金屬焊接的需求也非常多[5]?，F(xiàn)有的1J50 合金與0Cr18Ni9 不銹鋼焊接接頭采用手工鎢極氬弧焊工藝（TIG）制備，兩種材料的熱物理性能及冶金性能的差異會在很大程度上影響兩者之間的焊接性[6]。1J50 軟磁合金電阻率較低、線膨脹系數(shù)是0Cr18Ni9 的2 倍，對冷作變形應(yīng)力和熱應(yīng)力比較敏感；1J50 中Ni 含量達到50%，遠高于0Cr18Ni9；在氬弧焊工藝下，1J50 側(cè)熱影響區(qū)有過熱傾向，易出現(xiàn)晶粒的長大，不僅會降低焊接接頭力學(xué)性能，更會影響1J50 的各項性能。針對以上問題，開展1J50 與0Cr18Ni9 焊接過程中顯微組織影響規(guī)律、力學(xué)性能研究，對滿足產(chǎn)品各種性能要求、節(jié)約各種貴重金屬材料、降低成本具有重要的工程實際意義。

焊接接頭的性能對產(chǎn)品的使用壽命具有直接影響。普通鎢極氬弧焊（TIG）作為傳統(tǒng)的焊接方法，其焊接難度較大, 焊接熱輸入較大，質(zhì)量不夠穩(wěn)定, 且工作效率低[7-8]。采用TIG 焊焊接0Cr18Ni9 薄板時，因焊接熱輸入較大，常引起焊縫金屬力學(xué)性能下降，導(dǎo)致接頭性能達不到技術(shù)要求而失效[9]。CMT 焊接工藝具有熱輸入量小、變形小、制造靈活等特點，更適合薄板材料的精密焊接，在實際生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用[10-11]。冷焊是指通過機械力、分子力或電力使焊材熔覆到材料表面，從而提高材料硬度、強度、耐磨性能、耐蝕性能的一種焊接方法；其焊后焊縫熱影響區(qū)很小，變形量微小，非常適用于薄板焊接和輕型材料的焊接[12-13]。激光焊強度高、精度高、焊接殘余應(yīng)力和變形較小，相比于傳統(tǒng)焊接方法，激光焊接不銹鋼器件的焊接質(zhì)量更好[12-13]。

本研究針對射流管伺服閥力矩馬達產(chǎn)品研制過程中出現(xiàn)的零偏故障（外界環(huán)境發(fā)生變化時，伺服閥零位發(fā)生變化），對其磁路組件與馬達殼體之間的焊接質(zhì)量開展理論和試驗研究。采用現(xiàn)有TIG焊接工藝進行焊接試驗，發(fā)現(xiàn)焊點的尺寸及熱影響區(qū)寬度對焊點有效承載能力存在明顯影響。因此，以1J50 和0Cr18Ni9 對接試件模擬磁路組件與馬達殼體之間的焊接連接，采用CMT、冷焊和激光焊三種不同焊接工藝對1J50 和0Cr18Ni9 進行改進焊接，借助現(xiàn)代分析測試技術(shù)，系統(tǒng)研究焊接接頭微觀組織組成、元素分布、力學(xué)性能特征，從而為磁路組件與馬達殼體焊接優(yōu)化提供依據(jù)。

1 試驗材料與方法

圖1為熱處理后1J50試樣和Cr18Ni9試樣的顯微組織，兩種材料均為單相奧氏體組織，晶界清晰，部分晶?？梢杂^察到孿晶結(jié)構(gòu)。圖2為射流馬達產(chǎn)品件實物圖，從圖2可以看出，兩側(cè)的1J50通過點焊與中間的0Cr18Ni9實現(xiàn)連接。針對實際產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點，所設(shè)計的焊接尺寸如圖3 所示，1J50試板尺寸為15 mm×6 mm×10 mm（抗拉強度561 MPa），0Cr18Ni9 試板尺寸為15 mm×15 mm×1.1 mm（抗拉強度623 MPa），焊接試樣均未開坡口。

圖1 兩種試樣熱處理后母材顯微組織

圖2 射流馬達產(chǎn)品件實物圖

1J50、0Cr18Ni9試板以及焊絲的化學(xué)成分見表1，焊接工藝參數(shù)見表2。本試驗由于零件尺寸較小，若使用CMT 與冷焊進行連續(xù)焊接或焊透會導(dǎo)致焊后零件發(fā)生變形，導(dǎo)致產(chǎn)品無法使用；若采用激光焊接進行點焊，由于光斑過小，焊后焊點有效承載能力無法達到使用要求。因此，在保證零件無較大變形前提下，三種焊接方法下均采用未焊透形式，CMT 與冷焊進行點焊，激光焊進行連續(xù)焊接。

表1 試板及焊絲化學(xué)成分 %

表2 焊接工藝參數(shù)

焊后從焊點中心截取橫截面，如圖3 紅色虛線所示；對焊縫利用80#至3 000#砂紙逐級打磨并拋光，先用腐蝕劑1 mL HNO3+4 mL HCl+5 mL H2O 腐蝕焊縫與0Cr18Ni9 母材，后用4%硝酸酒精腐蝕1J50 母材，獲得金相組織；對截取試樣進行顯微組織觀察、元素分布測試、顯微硬度測試；圖4 為拉伸試驗試樣結(jié)構(gòu)示意圖，對焊接后的試樣進行加長處理，即在1J50和0Cr18Ni9 試板外側(cè)分別進行試板（0Cr18Ni9）的加長焊接，室溫拉伸性能測試在萬能試驗機（型號MTS810） 上進行，采用0.5 mm/min應(yīng)變速率。

圖4 拉伸樣品示意圖

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 宏觀形貌

圖5 為三種焊接方法下的焊接接頭宏觀形貌?？梢钥闯觯煌附臃椒▽更c尺寸有較大影響。CMT 和冷焊焊點形貌接近圓形；激光焊焊縫寬度均勻，焊縫表面成形美觀。從宏觀上看，三種焊接接頭均未出現(xiàn)裂紋等缺陷。三種焊接方法焊點尺寸分別為2.6 mm（CMT）、2.3 mm（冷焊）和1.2 mm（激光焊），激光焊焊點的尺寸明顯小于CMT 和冷焊工藝下焊點的尺寸。

圖5 不同焊接方法下1J50和0Cr18Ni9焊接接頭宏觀形貌

2.2 顯微組織

圖6～圖8 為不同焊接方法下接頭的顯微組織，圖中紅色虛線表示1J50 側(cè)熱影響區(qū)和0Cr18Ni9 側(cè)融合線。從圖中可以看出，不同焊接方法下，焊縫與兩側(cè)母材融合均較好。三種焊接方法得到的焊縫均未觀察到缺陷，組織為單相奧氏體，晶粒粗大，晶界清晰可見，呈柱狀樹枝晶，與1J50 一側(cè)母材呈現(xiàn)聯(lián)生生長形貌，并且組織沿垂直于界面方向凝固，這是因為焊接時熔池?zé)崃肯蚰覆姆较驍U散，垂直于界面的溫度梯度最高。三種焊接方法下，1J50 為細小等軸奧氏體晶粒，靠近焊縫熱影響區(qū)晶粒均出現(xiàn)粗化現(xiàn)象；而0Cr18Ni9 為粗大的塊狀奧氏體，熱影響區(qū)晶粒粗化不明顯。三種焊接方法下，1J50 側(cè)熱影響區(qū)寬度均較小，CMT、冷焊及激光焊獲得的熱影響區(qū)寬度分別為0.041 mm、0.039 mm、0.051 mm（見表3），熱影響區(qū)的寬度差異不明顯。

表3 不同焊接方法下焊點尺寸統(tǒng)計數(shù)據(jù)

圖6 1J50和0Cr18Ni9 CMT焊焊接接頭顯微組織

圖7 1J50和0Cr18Ni9冷焊焊接接頭顯微組織

圖8 1J50和0Cr18Ni9激光焊焊接接頭顯微組織

不同焊接方法所獲得的焊接接頭的形狀、尺寸都不相同。通過測量獲得了不同焊接方法下焊點的熔深、余高和熱影響區(qū)的寬度，測量數(shù)據(jù)見表3。

經(jīng)CMT 焊接工藝得到的焊縫余高比較大，余高為0.72 mm，熔深最淺，為0.09 mm，造成該現(xiàn)象的原因可能是由于焊接熱輸入較低，導(dǎo)致母材無法得到充分融化；冷焊工藝所得到的焊縫熔深較小，熔深為0.42 mm，基本上沒有余高；激光焊工藝所得焊縫呈現(xiàn)V 形，基本沒有余高，熔深接近0Cr18Ni9 板厚度，即0.90 mm。

2.3 元素分布

圖9 為三種焊接方法下接頭主要元素（Fe、Ni、Cr）的能譜線掃描檢測結(jié)果，線掃描的方向為1J50 母材-焊縫-0Cr18Ni9 母材。從圖中可以看出，由于CMT 焊縫基本沒有熔深，線掃描只在焊縫區(qū)域進行，因此焊縫中Fe、Ni、Cr 元素呈現(xiàn)均勻分布特征，其中Fe 元素含量最高，其次是Ni 元素，Cr 元素含量最小。冷焊中，F(xiàn)e 元素含量呈不斷上升趨勢；Ni元素在界面處呈減少趨勢，1J50 中部分Ni 元素進入到焊縫中；Cr 元素在1J50 側(cè)界面附近含量明顯增加，其余區(qū)域稍有波動，總體平穩(wěn)。在激光焊中，F(xiàn)e、Cr元素含量呈不斷上升趨勢，而Ni 元素含量呈減少趨勢；激光焊熔池攪拌不充分導(dǎo)致Cr、Ni 元素在焊縫中存在明顯波動。Cr、Ni元素成分值在界面附近產(chǎn)生的局部波動說明元素存在相互擴散。

圖9 不同焊接方法下接頭橫截面EDS線掃描結(jié)果

2.4 顯微硬度

圖10 為三種焊接方法下測得的顯微硬度分布。從圖中可以看出，不同焊接方法下1J50母材與0Cr18Ni9 母材顯微硬度處于140HV0.1～160 HV0.1之間。而不同焊接材料焊接所得焊縫的硬度差異較大，激光焊縫的顯微硬度數(shù)值分布較平緩，處于120HV0.1～130HV0.1之間；冷焊焊縫的顯微硬度數(shù)值波動較大，處于120HV0.1～160HV0.1之間，焊縫中心處與靠近界面處相比顯微硬度較低；CMT 焊縫的顯微硬度處 于150HV0.1～180HV0.1之間。CMT 焊縫 與冷焊焊縫的顯微硬度數(shù)值高于激光焊縫的顯微硬度數(shù)值，這是由于CMT 焊與冷焊熱輸入較小，導(dǎo)致焊縫處稀釋率較低，成分變化?。涣硗?，由于CMT 焊與冷焊熱輸入較小，在焊接同種材料時，兩者散熱速率也比激光焊散熱速率快，焊后形成的組織也相對細小，進一步提高了焊縫的顯微硬度。

圖10 不同焊接方法下接頭顯微硬度分布

2.5 拉伸性能

拉伸試驗中，所有試樣均在測試焊點處開裂。表4為不同焊接方法焊接所得焊縫的拉伸試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，從表4中可以看出，CMT焊、冷焊和激光焊所得焊縫抗拉強度分別為632 MPa、871 MPa和523 MPa，均高于現(xiàn)有TIG 焊工藝抗拉強度423 MPa。同時，CMT焊和冷焊所得焊縫的強度均高于1J50試樣抗拉強度561 MPa，說明兩種焊接方法所獲得的接頭可滿足各母材安全運行的條件；激光焊焊縫抗拉強度達到1J50母材的93%，同樣滿足要求。

表4 不同焊接方法下試樣焊縫拉伸測試結(jié)果

3 結(jié) 論

（1）不同焊接方法下，激光焊焊縫寬度最小，冷焊焊點寬度其次，CMT焊點寬度最大。

（2）焊縫處以柱狀樹枝晶為主，其中柱狀樹枝晶與1J50 一側(cè)母材呈現(xiàn)聯(lián)生生長形貌；1J50一側(cè)熱影響區(qū)晶粒有粗化現(xiàn)象，0Cr18Ni9一側(cè)熱影響區(qū)晶粒粗化不顯著。

（3）CMT焊所得到的焊縫元素分布均勻，其中Fe 元素含量最高，其次是Ni 元素，Cr 元素含量最??；冷焊和激光焊所得到的焊縫中，F(xiàn)e 元素含量最高且呈上升趨勢，Cr 和Ni 元素含量在焊縫中存在波動，在界面處發(fā)生元素擴散。

（4）三種焊接方法下，母材顯微硬度均處于140HV0.1～160HV0.1之間；不同焊接方法焊接所得焊縫的硬度差異較大，激光焊縫的顯微硬度數(shù)值最低，分布較平緩，處于120HV0.1～130HV0.1之間；冷焊焊縫的顯微硬度數(shù)值波動較大，處于120HV0.1～160HV0.1之間；CMT焊縫的顯微硬度最高，處于150HV0.1～180HV0.1之間。

（5）所有接頭均在測試焊點處開裂。三種焊接方法下所獲得的接頭抗拉強度均高于現(xiàn)行工藝TIG 焊。激光焊接頭接近全熔透形式，綜合考慮，為推薦的接頭形式。