沈 林，陳 輝，徐力棟，車小莉

(西南交通大學 材料科學與工程學院，成都 610031)

20世紀70年代末英國學者Steen首次提出激光復(fù)合焊接技術(shù)[1]，該技術(shù)與傳統(tǒng)熔焊相比具有焊接速度快，焊接變形小，焊縫深寬比大，自動化程度高，可有效提高生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量等優(yōu)點[2-3]，成為近年來國內(nèi)外學者研究的熱點.

SUS301L奧氏體不銹鋼具有強度高、可焊性好、耐腐蝕性強、全壽命周期成本低等優(yōu)點已成為國內(nèi)外城軌客車不銹鋼車體制造的首選材料[4-5].目前不銹鋼車體構(gòu)件的連接方式以焊接為主，但奧氏體不銹鋼的熱導(dǎo)率低、線膨脹系數(shù)大，采用傳統(tǒng)熔化焊時存在焊接變形大、接頭組織晶粒粗大、熱裂紋等問題[6].采用激光-MAG復(fù)合焊接方式焊接不銹鋼可有效避免上述問題.但由于焊接熱循環(huán)的作用，使得焊接接頭各區(qū)域組織性能變化大，尤其是激光-MAG復(fù)合焊接接頭熔合線和熱影響區(qū)寬度狹窄且組織性能急劇變化，影響焊接接頭的總體強度.同時焊接接頭在成分、組織和性能上的不均勻性對其斷裂行為有重要影響[7]，因此，研究焊接接頭各微區(qū)材料力學性能尤為必要.而運用常規(guī)的拉伸試驗、彎曲試驗和缺口沖擊試驗等力學性能測試方法只能得到接頭的整體強度，難以準確測出焊接接頭各區(qū)域的強度和塑性，無法為焊接結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供詳細的力學性能參數(shù)[8-9].

微型剪切試驗和微拉伸試驗方法特別適合測試焊接接頭各區(qū)域的力學性能，試驗結(jié)果能夠準確地反映接頭各區(qū)域的機械性能及其變化規(guī)律，同時這些方法具有成本低、操作簡單、數(shù)據(jù)分散性小等優(yōu)點，這為新型焊材的研制、優(yōu)化焊接工藝參數(shù)提供了一種簡單、高效的試驗方法[10].但目前國內(nèi)外關(guān)于激光復(fù)合焊接接頭各微區(qū)性能的研究還鮮有報道，為此，本文將采用硬度試驗、微型剪切試驗和微拉伸試驗等方法，測試不銹鋼激光-MAG復(fù)合焊接接頭各微區(qū)力學性能并分析接頭不同區(qū)域的斷裂機制，為下一代城軌列車的研發(fā)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù).

1 試 驗

試驗材料為4 mm厚SUS301L-HT奧氏體不銹鋼板材，焊接試板規(guī)格為150 mm×100 mm；選用直徑為Ф1 mm的ER308L的焊絲作填充材料.母材及焊絲的化學成分見表1，SUS301L-HT不銹鋼的力學性能見表2.焊接方式為沿試板長度150 mm方向?qū)?

試驗使用的設(shè)備為RUMPF TruDisk10002型光纖激光器，最大激光功率10 kW，采用焦距為350 mm的透鏡，光纖芯徑為400 μm.試驗采用福尼斯TransPuls Synergic 4000型焊機配ABB IRB6640型機器人.焊接時采用激光在前電弧在后的旁軸復(fù)合焊接方式，激光復(fù)合焊示意圖如圖1所示 .光絲間距DLA=3 mm，焊槍與工件表面夾角為68°，激光入射角度為80°，離焦量Δf=0 mm.焊接前打磨并用酒精清洗試件表面，焊接試板不開坡口，在裝配時留0.5 mm間隙，單面焊雙面成型.試驗所用保護氣體為5%CO2+95%Ar的混合氣體，保護氣流量為30 L/min.相關(guān)焊接工藝參數(shù)如表3所示.

表1SUS301L-HT不銹鋼及ER308L焊絲合金成分(質(zhì)量分數(shù)/%)

Table 1 Alloy components of SUS301L-HT stainless steel and ER308L welding wire(wt.%)

材料CSiMnCrNiCuNPSUS301L-HT0.020.391.1217.247.100.0460.100.034ER308L0.020.421.6520.1010.30———

表2 SUS301L-HT不銹鋼的力學性能

圖1 激光復(fù)合焊示意圖

激光功率/kW焊接速度/(m·min-1)送絲速度/(m·min-1)電流/A電壓/V31.56914624.2

焊接完成后，用線切割沿焊縫橫截面方向切取規(guī)格為60 mm×10 mm×4 mm的金相試樣，經(jīng)研磨、拋光制備出無劃痕的金相觀察面，使用苦味酸酒精溶液(鹽酸5 mL+酒精100 mL+苦味酸1 g)對試樣進行腐蝕，在Zeiss-A1M金相顯微鏡下觀察接頭金相組織.接頭硬度測試所用設(shè)備為HVS-30型硬度計，所加載荷為10 kg，加載時間15 s.圖2為微型剪切試驗試件取樣示意圖，在圖2所示位置切取包括焊縫、熱影響區(qū)和母材的規(guī)格為1.5 mm×1.5 mm×50 mm的試樣，然后對試樣焊縫端進行拋光、腐蝕，顯示出焊縫的不同區(qū)域.由于激光-MAG復(fù)合焊接頭熱影響區(qū)窄，剪切采用多試樣變起點方式，準確測試焊接接頭各區(qū)域性能.在微型剪切試驗機上進行剪切，設(shè)定剪切速度1 mm/min，選擇剪切間距0.6 mm.記錄相關(guān)試驗數(shù)據(jù)，繪制剪切曲線，剪切示意圖見圖3.

圖2 微型剪切試件取樣示意圖[11]

圖3 微型剪切示意圖

微拉伸試樣采用非標準試樣，試樣尺寸見圖4，試樣制備時按圖5所示位置分別切取焊接接頭各區(qū)域試樣，然后將試樣雙面打磨至1.5 mm厚，以避免線切割加工而影響材料的力學性能.微拉伸試驗在CMT4304型電子萬能試驗機上進行，測試時設(shè)定拉伸速度為2 mm/min.試驗完成后用JSM-6490LV型掃描電子顯微鏡觀察復(fù)合焊接頭各區(qū)域的剪切斷口和拉伸斷口.

圖4 微拉伸試樣尺寸

圖5 微拉伸試樣取樣位置

2 結(jié)果與分析

2.1 接頭顯微組織

不銹鋼激光-MAG復(fù)合焊接頭組織如圖6所示，可見SUS301L-HT不銹鋼母材組織主要由呈纖維狀的形變奧氏體、粗大的等軸狀奧氏體和分布在奧氏體晶界上形變馬氏體組成.由于焊接熱循環(huán)作用，熱影響區(qū)組織發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶，晶粒與母材相比有一定程度長大.焊縫組織為柱狀奧氏體樹枝晶和少量δ鐵素體組成的混合組織，該組織主要沿焊縫熔合線的法線方向生長，兩側(cè)柱狀晶在焊縫中心相遇，δ鐵素體存在于枝晶間.這是因為在激光電弧復(fù)合焊接過程中，焊接速度快，熔化金屬高溫停留時間短，凝固冷卻速度快，促進了柱狀晶和樹枝晶的形成.

圖6 激光復(fù)合焊接頭顯微組織

Fig.6 Microstructure of laser-hybrid welded joint:(a)welded metal；(b)heat-affected zone；(c)base metal

焊接熱輸入對焊接接頭顯微組織和力學性能有顯著影響.在激光電弧復(fù)合焊接過程中，激光和電弧相互作用的熱輸入大部分釋放在焊接熔池，焊接時在接頭下部區(qū)域由于激光匙孔形成限制了熱量輸入，使得更多熱量積累在電弧作用區(qū)域[12]，從而使得電弧作用區(qū)熔合區(qū)寬度比激光作用區(qū)域?qū)?，如圖7所示.

圖7 激光復(fù)合焊接頭熔合區(qū)

Fig.7 Fusion zone of laser-hybrid welded joint: (a) partial melted zone in laser zone；(b) partial melted zone in arc zone

2.2 接頭硬度分析

圖8為復(fù)合焊接頭維氏硬度測試結(jié)果.由圖8可見，焊縫區(qū)域電弧作用區(qū)比激光作用區(qū)寬，焊縫區(qū)平均硬度最低為175HV10，從焊縫中心到母材區(qū)域的硬度值逐漸上升，熱影響區(qū)寬度約為3 mm.在焊接熱源作用下接頭熔合線附近的晶粒粗化，晶粒發(fā)生了回復(fù)和再結(jié)晶，纖維狀形變奧氏體減少，導(dǎo)致熱影響區(qū)硬度值低于母材[13].母材的硬度值最高，穩(wěn)定在320HV10左右.這是因為SUS301L-HT不銹鋼通過形變強化處理后產(chǎn)生了一定量的形變馬氏體[14]，提高了硬度值.

圖8 激光復(fù)合焊接頭硬度

2.3 接頭微型剪切性能

復(fù)合焊接頭不同區(qū)域剪切性能梯度曲線如圖9所示，由強度曲線可以看出，焊縫區(qū)域的剪切強度最低為410 MPa，熱影響區(qū)的剪切強度逐漸上升，母材區(qū)域的剪切強度最高為560 MPa.這是由于焊縫區(qū)域為典型的鑄態(tài)組織，晶粒生長方向性明顯，熱影響區(qū)晶粒粗大，剪切強度較低，而母材經(jīng)過軋制強化處理，存在加工硬化，所以剪切強度最高.剪切強度變化趨勢和硬度試驗結(jié)果基本一致.從剪切壓入率曲線可知，焊縫區(qū)域壓入率最高，其次是熱影響區(qū)，母材壓入率最低，其分布規(guī)律與剪切強度相反.由于焊接時采用低強匹配，焊縫區(qū)域剪切時形變阻力小，剪切刀頭切入容易，因此，焊縫區(qū)域的塑性較大.

圖9 激光復(fù)合焊接頭各微區(qū)剪切性能曲線

Cr、Ni元素是不銹鋼的主要合金元素，對不銹鋼復(fù)合焊接頭進行EDS成分線掃描，結(jié)果如圖10所示.從焊縫中心到熔合區(qū)Ni元素分布均勻，Cr元素含量呈波動上升趨勢，且焊縫區(qū)域Cr、Ni含量均比母材區(qū)域略高，這是由于焊絲中添加了Cr、Ni元素.Cr是鐵素體形成元素，其含量的增加會導(dǎo)致焊縫組織中δ鐵素體增加，使焊縫區(qū)域強度逐步升高.

2.4 接頭拉伸性能

復(fù)合焊接頭不同區(qū)域材料的微拉伸試驗結(jié)果如表4所示.由表4可以看出，從焊縫中心到熱影響區(qū)，抗拉強度不斷上升，母材區(qū)域抗拉強度最高為1 066 MPa.焊縫區(qū)域強度最低，分析原因為復(fù)合焊過程能量密度集中，焊接速度快，導(dǎo)致焊縫區(qū)域組織冷卻結(jié)晶方向性強，有害元素在焊縫中不均勻分布出現(xiàn)偏析現(xiàn)象，降低了焊縫力學性能[15].同時，焊縫中難以規(guī)避氣孔等缺陷的存在，使得焊縫區(qū)域成為焊接接頭的薄弱地帶.

為驗證微拉伸試驗數(shù)據(jù)可靠性，參照GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗方法》，采用WDW3100微機控制電子萬能試驗機，設(shè)定拉伸速度為5 mm/min，對焊接件進行標準拉伸試驗，結(jié)果見表5.表5結(jié)果表明微拉伸得到的抗拉強度與標準拉伸試驗得到的結(jié)果數(shù)值相近.

圖10 激光復(fù)合焊接頭元素分布曲線

試樣距焊縫中心距離/mm編號抗拉強度Rm/ MPa平均抗拉強度R—m/ MPa W-17280W-2725728W-3732H-18192H-2882851H-3852H-19624H-2981970H-3968B-11 0556B-21 0671 063B-31 069B-11 0698B-21 0741 066B-31 058

表5 復(fù)合焊接頭標準拉伸試驗結(jié)果

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)作出焊接接頭微拉伸強度Rm與微型剪切強度τb和硬度HV10的相互關(guān)系如圖11所示，一次回歸處理后得到相關(guān)表達式如下.

1)微型剪切強度τb與微拉伸強度Rm關(guān)系為

τb=90.28+0.443Rm,

相關(guān)系數(shù)R=0.98.

2)硬度HV10與微拉伸強度Rm關(guān)系為

HV10= -159.56+0.454Rm,

相關(guān)系數(shù)R=0.94.

可見接頭微拉伸強度Rm與微型剪切強度τb及硬度HV10線性相關(guān)性良好.

Fig.11 The relationship between the properties of stainless steel welded joints

2.5 斷口分析

不銹鋼激光-MAG復(fù)合焊接頭各區(qū)域微型剪切和微拉伸斷口形貌見圖12所示，圖12(a)、(b)分別為焊縫和熱影響區(qū)微型剪切斷口形貌，可見斷口上細密分布著大量沿剪切方向而伸長呈拋物線狀的韌窩.韌窩大小形態(tài)各異，證明了焊縫和熱影響區(qū)組織的不均勻性[16].母材微型剪切斷口(圖12(c))被大量細小拉長的韌窩覆蓋，屬于微孔聚合型斷裂.復(fù)合焊接頭各區(qū)域微拉伸斷口(圖12(d)、(e)、(f))微觀形貌相似，斷口中分布著大量韌窩，大韌窩中還有許多小韌窩，說明微拉伸斷裂方式為韌性斷裂.

圖12 激光復(fù)合焊接頭各微區(qū)斷口形貌

Fig.12 Fracture morphology of hybrid welded joint ：(a)the micro-shear of WM；(b)the micro-shear of HAZ；(c)the micro-shear of BM；(d)the micro-tensile of WM；(e)the micro-tensile of HAZ；(f)the micro-tensile of BM

3 結(jié) 論

1)采用激光-MAG復(fù)合焊方式焊接SUS301L-HT奧氏體不銹鋼，得到的焊縫區(qū)域組織主要為柱狀奧氏體樹枝晶+少量的δ鐵素體.焊縫區(qū)平均硬度最低為175HV10，熱影響區(qū)的硬度分布呈上升趨勢且低于母材硬度值320HV10，其寬度約為3 mm.

2)采用維氏硬度、微型剪切和微拉伸試驗?zāi)軠蚀_得到焊接接頭各區(qū)域材料的力學性能參數(shù)，SUS301L-HT不銹鋼激光-MAG復(fù)合焊接頭各微區(qū)的剪切強度和抗拉強度由大到小分別為：母材>熱影響區(qū)>焊縫，接頭各微區(qū)硬度分布規(guī)律與強度變化趨勢一致.

3)SUS301L-HT不銹鋼激光-MAG復(fù)合焊接頭各區(qū)域剪切斷口和微拉伸斷口上均分布大量韌窩，表現(xiàn)為韌性斷裂.