線能量對(duì)304不銹鋼管激光焊接質(zhì)量的影響

 浙江至德鋼業(yè)有限公司為了研究線能量對(duì)304不銹鋼管激光焊接質(zhì)量的影響，采用高功率Nd∶YAG激光器及焊接機(jī)器人對(duì)304不銹鋼管進(jìn)行了激光焊接工藝試驗(yàn)，并使用光學(xué)顯微鏡、顯微硬度計(jì)、拉伸試驗(yàn)機(jī)等儀器重點(diǎn)研究了線能量對(duì)304不銹鋼管激光焊接焊縫成形和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，線能量對(duì)焊縫成形、顯微硬度及力學(xué)性能有較大影響，接頭顯微硬度分布不均勻，低功率時(shí)靜拉伸強(qiáng)度最小值為671.67MPa，高功率時(shí)靜拉伸強(qiáng)度最小值達(dá)780MPa。

 奧氏體不銹鋼具有耐腐蝕、耐高溫、加工性能好等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，其連接方法主要有焊條電弧焊、埋弧自動(dòng)焊、熔化極惰性氣體保護(hù)焊、惰性氣體鎢極保護(hù)焊。和以上焊接方法相比，激光焊接具有熱輸入易控、熱影響區(qū)小、熱傳導(dǎo)所致變形低;不使用電極、無電極污染和損傷顧慮、無接觸、損耗和變形低;在焊接薄材時(shí)不會(huì)像電弧焊有回熔現(xiàn)象;焊接精準(zhǔn)、深寬比大等優(yōu)點(diǎn)，因此激光焊接是焊接不銹鋼薄板的理想焊接方法。但工藝參量對(duì)激光焊接質(zhì)量的影響較大，在不同的工藝參量下焊接質(zhì)量可能會(huì)有較大差別。至德鋼業(yè)本次選擇用線能量作為復(fù)合表征量，以0.7mm厚304不銹鋼管為研究對(duì)象，在高、低兩種激光功率下研究了線能量對(duì)奧氏體不銹鋼激光全熔透焊接的焊縫成形及力學(xué)性能的影響，為奧氏體不銹鋼的激光焊接工藝提供研究數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。

一、試驗(yàn)材料、設(shè)備及方法

 1. 試驗(yàn)材料

 試驗(yàn)材料采用0.7mm厚304不銹鋼管，其化學(xué)成分如表所示。焊接試驗(yàn)樣件尺寸為120mm×120mm，試驗(yàn)前用丙酮擦拭樣件，除去樣件表面的油污。

 2. 試驗(yàn)設(shè)備及方法

 試驗(yàn)中采用HL4006D型4kW Nd∶YAG激光器和KUKA焊接機(jī)器人系統(tǒng)完成。圖為激光焊接過程示意圖。焊接過程中不銹鋼上下板均采用氬氣保護(hù)，分別在低功率和高功率條件下研究線能量對(duì)焊縫質(zhì)量的影響。焊接后將試樣沿垂直焊縫方向切開取樣，經(jīng)鑲嵌、研磨、拋光制備成金相試樣，使用三氯化鐵鹽酸水溶液(76mL水+24mL鹽酸+6g三氯化鐵)腐蝕。采用ME61型體式顯微鏡測(cè)量焊縫熔寬，采用光學(xué)顯微鏡和EVO18型掃描電子顯微鏡觀察焊縫宏觀形貌、微觀組織及斷口形貌，采用MH-60型數(shù)字顯微硬度計(jì)測(cè)量焊縫顯微硬度，采用美國MTS公司生產(chǎn)的810.22M電、液伺服材料試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

二、試驗(yàn)結(jié)果與分析

 1. 線能量對(duì)焊縫成形的影響

 試驗(yàn)中分別研究了低激光功率和高激光功率條件下線能量對(duì)焊縫成形的影響，研究結(jié)果表明，在不同激光功率條件下，線能量對(duì)焊縫成形的影響有很大差異。圖中分別為低功率條件下和高功率條件下焊縫截面形貌，圖中分別為低功率條件下和高功率條件下線能量對(duì)焊縫正面熔寬、背面熔寬及熔合寬度的影響曲線。圖中E為線能量。研究認(rèn)為，激光穿透焊由于熔池上下表面均存在等離子體的熱輻射和熔池流動(dòng)傳熱，當(dāng)焊接熱輸入增加時(shí)，等離子體的熱輻射和熔池流動(dòng)傳熱都呈增強(qiáng)趨勢(shì)，因此在一定范圍隨著線能量的增大，焊縫正背面熔寬及熔合寬度均呈增大趨勢(shì)。但是當(dāng)激光功率不同時(shí)，增大程度有所不同，在低功率(1.5kW)焊接時(shí)，隨著線能量的增大，焊縫正、背面形貌變化較大;在高功率(3.0kW)焊接時(shí)，隨著線能量的增大，焊縫正、背面熔寬相差較小，焊縫截面呈典型的雙Y型，焊縫熔透穩(wěn)定，成形良好。說明在高功率焊接時(shí)焊縫成形影響隨線能量變化的波動(dòng)較小，焊縫成形更加穩(wěn)定，而且獲得成形較好的焊縫所對(duì)應(yīng)的線能量取值較小，因此可以實(shí)現(xiàn)高速焊接。但是在焊接時(shí)激光功率不宜過高，因?yàn)檫^高的功率會(huì)帶來咬邊、凹陷、飛濺等缺陷。

 2. 線能量對(duì)顯微硬度的影響

 分別對(duì)兩組試驗(yàn)樣件焊縫上板中央的顯微硬度進(jìn)行了測(cè)試，載荷200克，保載時(shí)間10秒，隔0.1mm采樣一次。測(cè)試結(jié)果顯示，接頭顯微硬度以焊縫中心為軸線呈對(duì)稱分布，母材和焊縫的顯微硬度基本一致，而過渡區(qū)附近顯微硬度呈上升趨勢(shì)，在過渡區(qū)達(dá)到最大值，如圖所示。圖為激光功率為3.0kW、焊接速率為0.045m/s時(shí)焊縫顯微硬度分布曲線。研究認(rèn)為，奧氏體不銹鋼母材和焊縫晶粒較過渡區(qū)晶粒粗大，圖分別為母材、過渡區(qū)、焊縫微觀組織。由晶粒尺寸與顯微硬度的關(guān)系可知，晶粒越細(xì)小，晶界就會(huì)越多，對(duì)位錯(cuò)移動(dòng)的阻礙能力就會(huì)越強(qiáng)，因此抵抗塑性變形的能力增大，從而使該區(qū)域顯微硬度增高。的影響曲線。由圖可見，隨著線能量的增大，焊縫顯微硬度呈先增大后減小趨勢(shì)。在線能量較低時(shí)，由于焊接熱輸入不足導(dǎo)致接頭顯微硬度較低;當(dāng)線能量增大時(shí)，焊接熱輸入逐漸增大，從而顯微硬度呈增大趨勢(shì);當(dāng)顯微硬度增到一定程度后，繼續(xù)增大線能量會(huì)使焊縫熱量輸入增大，冷卻速率減小，焊縫凝固結(jié)晶后得到焊縫組織晶粒尺寸增大，導(dǎo)致焊縫顯微硬度減小。

 3. 線能量對(duì)接頭靜拉伸強(qiáng)度性能的影響

 浙江至德鋼業(yè)有限公司分別測(cè)試了兩組試驗(yàn)樣件的靜拉伸性能，由于熔合寬度的大小會(huì)導(dǎo)致斷裂方式的不同，而這種斷裂方式按定義分別為拉伸和剪切，本文中為了統(tǒng)一說法，均定義為接頭靜拉伸強(qiáng)度。測(cè)試結(jié)果顯示，接頭低功率時(shí)靜拉伸強(qiáng)度最小值為671.67MPa，高功率時(shí)靜拉伸強(qiáng)度最小值達(dá)780MPa，焊縫斷裂方式有母材斷裂和焊縫斷裂，焊縫斷裂均位于熔合線附近。此區(qū)域在焊接過程中處于和母材、熔池接觸的半熔化狀態(tài)，其性能與焊縫有一定的差別，是接頭的薄弱環(huán)節(jié)。

 圖所示為線能量對(duì)接頭靜伸強(qiáng)度的影響曲線。由圖可見，隨著線能量的增大，焊縫熔合寬度增大，因此接頭靜拉伸強(qiáng)度呈增大趨勢(shì)，當(dāng)靜拉伸強(qiáng)度增大到一定值時(shí)，隨著線能量的增加，靜拉伸強(qiáng)度趨于平穩(wěn)趨勢(shì)，這與線能量對(duì)焊縫熔合寬度的影響趨勢(shì)并不完全一致。圖為在線能量相同時(shí)激光功率對(duì)接頭靜拉伸強(qiáng)度大小的影響。由圖可以看出在線能量相同的條件下，激光功率更高時(shí)焊縫靜拉伸強(qiáng)度值更大。圖分別為焊縫斷裂和母材斷裂宏觀形貌，圖為焊縫斷裂樣件的微觀形貌。由圖可以看出，焊縫斷口為大小不一的等軸韌窩，是典型的韌性斷裂。韌窩的形狀主要取決于應(yīng)力狀態(tài)，在正應(yīng)力的作用下形成等軸韌窩。韌窩的形成過程為材料內(nèi)部分離形成空洞，在滑移的作用下空洞逐漸長(zhǎng)大，并和其它空洞連接起來就形成了韌窩斷口。由圖可知，焊縫內(nèi)存在氣孔缺陷，由于氣孔產(chǎn)生不僅影響焊縫的致密性，而且還會(huì)減小焊縫的有效工作面積，造成局部應(yīng)力集中，從而降低了焊縫的力學(xué)性能，是導(dǎo)致焊縫斷裂的原因之一。

三、結(jié)論

 1. 不同的激光功率條件下，線能量對(duì)焊縫成形的影響不盡相同，低功率焊接時(shí)，焊縫成形隨線能量變化的波動(dòng)較大;在高功率焊接時(shí)，焊縫成形隨線能量變化的波動(dòng)較小，且獲得良好焊縫形貌所需要的線能量更低，在焊接時(shí)可選擇高功率高速焊接。

 2. 焊縫顯微硬度分布不均勻，隨著線能量的增大，焊縫顯微硬度呈先增大后減小趨勢(shì)。激光焊接奧氏體不銹鋼接頭拉伸性能良好，斷裂方式為韌性斷裂。隨著線能量的增大，接頭靜拉伸強(qiáng)度呈增大趨勢(shì)，當(dāng)靜拉伸強(qiáng)度增大到一定值時(shí)趨于穩(wěn)定，這與線能量對(duì)焊縫熔合寬度的影響趨勢(shì)并不完全一致。