羅曄，魏麗華

1.寶鋼中央研究院武鋼有限技術(shù)中心 湖北武漢 430080

2.北京中機(jī)天達(dá)科技發(fā)展有限公司 北京 100036

3.北京·埃森焊接與切割展覽會(huì)組委會(huì) 北京 100036

1 序言

不銹鋼具有優(yōu)異的耐腐蝕性能和力學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于家用電器、廚具、汽車、核能等領(lǐng)域[1-3]。特別是奧氏體不銹鋼具有優(yōu)異的加工性和焊接性，溫度在900K左右也具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度，因此可用于核能工業(yè)結(jié)構(gòu)物的結(jié)構(gòu)材料、覆管材等。而核電工業(yè)大型結(jié)構(gòu)物大多采用焊接制作，主要采用SMAW、TIG等電弧焊工藝。電弧焊具有經(jīng)濟(jì)性，最大優(yōu)點(diǎn)就是沒(méi)有接合材料厚度的限制。但由于熱源能量密度低，形成傳導(dǎo)型焊透，且焊透深度淺，因此厚板材料的焊接往往需要多焊道，從而導(dǎo)致對(duì)材料的熱輸入量變大[4]。奧氏體不銹鋼與普通碳素鋼相比，熱膨脹系數(shù)高約1.5倍，熱導(dǎo)率低至1/3，是一種要求低熱輸入焊接的材料。熱輸入量過(guò)大時(shí)，焊縫可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的熱變形和殘余應(yīng)力[5-9]，形成較寬的熱影響區(qū)，從而導(dǎo)致焊縫的質(zhì)量和強(qiáng)度降低。

為了解決這些熱輸入的問(wèn)題，近年來(lái)業(yè)內(nèi)開始采用激光焊接。激光焊接使用集束于狹窄范圍的激光束作為熱源，因此熱源的能量密度非常高，利用鎖孔（Keyhole）機(jī)制可以發(fā)生焊透。借助鎖孔機(jī)制發(fā)生焊透時(shí)，因?yàn)闊醾鲗?dǎo)小，所以用相對(duì)較少的熱輸入量就能實(shí)現(xiàn)深度焊透。因此，盡管熱影響范圍有限，也可以獲得高質(zhì)量的全焊透區(qū)[10，11]，并實(shí)現(xiàn)高速焊接，在生產(chǎn)效率方面也有優(yōu)勢(shì)[12，13]。

YAN等[14]曾在304不銹鋼上進(jìn)行TIG焊接、激光焊接和激光-TIG混合焊接，并研究了焊縫的顯微組織和拉伸性能。報(bào)道稱，激光焊接和激光-TIG混合焊接時(shí)，焊縫表現(xiàn)出細(xì)微組織和良好的拉伸性能。除此之外，相關(guān)研究人員也曾對(duì)奧氏體不銹鋼的電弧焊與激光焊接開展過(guò)很多比較研究[15，16]，并報(bào)道稱，在激光焊接中表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能，但并未對(duì)其他拉伸性能進(jìn)行細(xì)致研究。為了評(píng)估焊縫的牢固性，依據(jù)ASME第九卷焊接和釬焊評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施拉伸、彎曲和沖擊試驗(yàn)[17]。

本研究采用奧氏體不銹鋼的代表鋼種即304L不銹鋼，進(jìn)行激光焊接和TIG焊接，并對(duì)焊縫的顯微組織，以及彎曲和沖擊性能進(jìn)行了比較和分析。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)材料

本研究中使用厚度6mm的304L不銹鋼板材。TIG采用豫林公司φ1.2mm的ER308焊絲，化學(xué)成分見表1。對(duì)激光焊試樣的接合面進(jìn)行了銑削，以盡量減少材料之間的間隙；TIG焊接試樣采用45°坡口，組對(duì)間隙為3.2～3.5mm，便于熔敷金屬的滲透。

表1 原材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

2.2 焊接

焊接采用對(duì)接接頭，氬氣保護(hù)。激光焊采用最大功率16kW碟片激光器（Trumpf TruDisk18002），將試樣固定在試驗(yàn)臺(tái)上，然后移動(dòng)激光束進(jìn)行焊接。TIG焊使用填充金屬，與激光焊一樣，將試樣固定在試驗(yàn)臺(tái)后移動(dòng)電弧進(jìn)行焊接。TIG焊的拉伸和彎曲試樣分別按照ASME第九卷QW-462.1(a)和QW-462.3(a)制作。采用HYWEL-305A模型，為實(shí)現(xiàn)完全焊透，采用4道焊[17]。焊接工藝模型如圖1所示，焊接參數(shù)見表2。

表2 焊接參數(shù)

圖1 焊接工藝模型

2.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

焊縫的力學(xué)性能通過(guò)硬度、拉伸、彎曲和沖擊試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。硬度采用崧澤MMT-X顯微維氏硬度計(jì)，沿焊縫寬度方向進(jìn)行測(cè)定。壓入載荷為0.2kg（1.96N），壓入時(shí)間為10s，測(cè)定時(shí)考慮到壓痕的大小，在表面600μm以下進(jìn)行測(cè)定。

拉伸和彎曲試驗(yàn)試樣分別按照ASME第九卷QW-462.1(a)和QW-462.3(a)制作[17]。拉伸試驗(yàn)以10mm/min的速率進(jìn)行。彎曲試樣對(duì)焊縫的正面和背面進(jìn)行了180°彎曲。拉伸和彎曲試驗(yàn)采用島津UHF100KNX拉伸試驗(yàn)機(jī)。

沖擊試樣按照ASME第二卷A篇 SA370的夏比V型缺口A制作[17]。缺口在母材、熔合區(qū)、HAZ中分別加工，沖擊試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，圖2所示為試樣。

圖2 力學(xué)試驗(yàn)的試樣模型

3 結(jié)果與討論

3.1 焊縫的形狀

激光焊和TIG焊選取了形成優(yōu)質(zhì)接頭的條件。圖3所示為接頭的外觀和橫截面。激光焊在接頭的正面和背面沒(méi)有出現(xiàn)母材區(qū)域的變色，在橫截面中可觀察到較大寬深比的焊透。

圖3 焊件的外觀和橫截面

由于激光束的能量密度非常高，熔敷金屬在蒸發(fā)的同時(shí)也因鎖孔機(jī)制發(fā)生了滲透[10]。而TIG焊接在焊縫的正面及背面焊道約10mm以內(nèi)的母材區(qū)域出現(xiàn)變色，可見發(fā)生了大量的熱傳導(dǎo)。觀察到TIG焊縫的截面是寬深比相對(duì)較大的半球形焊透。電弧的能量密度相對(duì)較低，據(jù)判斷是由于傳導(dǎo)機(jī)制而發(fā)生了焊透。

3.2 焊縫的顯微組織

圖4a、圖4b所示分別表示激光和TIG焊接接頭的顯微組織，激光焊的接頭可以確認(rèn)熱影響區(qū)很少出現(xiàn)。

圖4c所示為激光焊接的熔合區(qū)附近母材的顯微組織，表明焊接過(guò)程中母材組織沒(méi)有發(fā)生變化，而TIG焊接在熔合區(qū)附近的母材中出現(xiàn)了顯微組織的變化。

圖4d所示為TIG焊接的熔合區(qū)附近母材的顯微組織，與圖4c相比，可以確定晶粒粗大化，這是由于TIG焊接的熱輸入量高和導(dǎo)熱所致。

304L不銹鋼以鐵素體-奧氏體模式凝固，初晶形成δ-鐵素體。304L不銹鋼在緩冷時(shí)發(fā)生δ→ γ的相變，具有γ相組織，但急冷時(shí)，無(wú)法完全發(fā)生相變，導(dǎo)致δ相殘留，從而具有γ+δ相組織。

圖4e、圖4f所示為激光和TIG焊接的熔合區(qū)顯微組織，分別由γ-奧氏體和Skeletal及Lacyδ-鐵素體組成。圖4f出現(xiàn)了相對(duì)較多的δ-鐵素體。通常來(lái)說(shuō)，凝固時(shí)δ-鐵素體的生成量隨冷卻速率和Creq/Nieq升高而增加[18，19]。

TIG焊接的熱輸入量相對(duì)較高，冷卻速率較慢，因此在圖4f中，δ-鐵素體的生成量被認(rèn)為是因?yàn)樘畛洳牧蠈?dǎo)致Creq/Nieq增加所致，兩種焊接工藝的熔合區(qū)由于冷卻速率快，表現(xiàn)出比母材更細(xì)微的晶粒。不過(guò)，圖4f已經(jīng)證實(shí)出現(xiàn)部分粗大化晶粒，這是由TIG焊接的多焊道造成的。

圖4 對(duì)接接頭的顯微組織

3.3 焊縫的硬度分布

圖5a所示為激光和TIG焊接焊縫水平方向的硬度分布。兩種焊接都觀察到熔合區(qū)上顯著的硬度變化。在激光焊接的熔合區(qū)中，出現(xiàn)了250～300HV的硬度分布，高于母材的233HV。試驗(yàn)中使用的材料是低碳鋼材料，因此碳引起的硬度變化被認(rèn)為是微小的，而硬度上升是因?yàn)榭焖倮鋮s速率引起的晶粒細(xì)化。母材和熔合區(qū)幾乎沒(méi)有出現(xiàn)硬度變化，這意味著幾乎沒(méi)有出現(xiàn)熱影響區(qū)。在TIG焊接的熔合區(qū)中，硬度分布為220～257HV。與母材的硬度值相比，硬化和軟化同時(shí)出現(xiàn)。

在焊道作用下，多數(shù)熱履歷在熔合區(qū)內(nèi)生成了局部軟化區(qū)域。圖5b所示為焊縫在垂直方向的硬度分布。兩種焊接工藝均在表面附近呈現(xiàn)出相對(duì)高的硬度值。這是因?yàn)楸砻娌课焕鋮s相對(duì)較快。TIG焊接垂直方向與水平方向一樣也出現(xiàn)軟化區(qū)域。

圖5 對(duì)接焊的維氏硬度分布

3.4 焊縫的拉伸性能

為測(cè)定焊縫的強(qiáng)度，進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)。表3和圖6所示為拉伸試驗(yàn)的結(jié)果和斷口的形狀。激光焊接時(shí)焊縫的抗拉強(qiáng)度略高于母材，且斷口位于母材。在圖4e中，由于快速冷卻速率而出現(xiàn)細(xì)微的熔合區(qū)晶粒，由此使得強(qiáng)度上升。伸長(zhǎng)率略低于母材，這主要受到了熔合區(qū)內(nèi)硬化組織的影響。TIG焊接焊縫的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率均低于母材，并位于熔合區(qū)。熱影響區(qū)內(nèi)粗大晶粒和熔合區(qū)內(nèi)部分存在的粗大晶粒就是強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率下降的主要原因。熔合區(qū)粗大晶粒發(fā)揮了應(yīng)力集中區(qū)的作用，從而出現(xiàn)裂紋。TIG焊接斷口呈現(xiàn)出撕裂嶺。掃描電鏡觀察TIG焊縫的斷口（見圖7），表現(xiàn)出具有細(xì)微韌窩的延性斷口。

圖6 橫向側(cè)向拉伸試驗(yàn)照片

表3 母材和焊接接頭的拉伸性能

圖7 拉伸試驗(yàn)后TIG焊接試樣的SEM斷口分析

3.5 焊縫的彎曲性能

為評(píng)價(jià)焊縫的彎曲性能，在焊縫的正面和背面進(jìn)行180°彎曲后，對(duì)彎曲部位表面有無(wú)裂紋產(chǎn)生進(jìn)行了考察。圖8所示為試樣的彎曲部位。兩個(gè)焊縫區(qū)都未出現(xiàn)ASME第九卷提及的、超過(guò)3.2mm的不連續(xù)部位。不過(guò)，激光焊縫的正面和背面出現(xiàn)了1mm以下的裂紋，這是因?yàn)楹傅垒^窄，由硬度較高的組織組成，因而出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中。

圖8 橫向側(cè)彎試驗(yàn)照片

3.6 焊縫的沖擊性能

考慮到焊縫的厚度，制作了3.3mm的小尺寸試樣，在室溫下進(jìn)行夏比V型缺口沖擊試驗(yàn)。根據(jù)試樣缺口的加工方向，試樣分別命名為BM、L-F（Laser-FZ）、L-H（Laser-HAZ）、T-F（TIGFZ）和T-H（TIG-HAZ）。圖9所示為室溫沖擊試驗(yàn)的沖擊吸收能量，可見沖擊吸收能量散布因缺口加工位置而略有不同。在材料的力學(xué)性能上，為了提高評(píng)價(jià)精度，采用概率統(tǒng)計(jì)方法，沖擊吸收能量代表統(tǒng)計(jì)變動(dòng)值，而不是確定值。采用雙參數(shù)和威布爾分布進(jìn)行參數(shù)估計(jì)。威布爾分布中表達(dá)式為

圖9 室溫下沖擊吸收能量與缺口位置的關(guān)系

其中，α和β分別指形狀參數(shù)和尺度參數(shù)[20]。

圖10所示為不同缺口加工位置的沖擊吸收能量，并以威布爾概率值表示。在概率值上，沖擊吸收能量可用直線表示，因此完全符合威布爾概率分布。威布爾分布中估計(jì)的形狀參數(shù)和尺度參數(shù)，以及算術(shù)統(tǒng)計(jì)得出的標(biāo)準(zhǔn)偏差、平均值和波動(dòng)系數(shù)見表4。由表4可看出，激光和TIG焊接的熔合區(qū)和熱影響區(qū)的幾何參數(shù)都低于BM的形狀參數(shù)(40.9)，分散程度大于BM。值得一提的是，T-F和T-H的形狀參數(shù)分別為16.9和22.7，分散程度嚴(yán)重。

圖10 室溫沖擊吸收能量與缺口位置相關(guān)的威布爾概率分布

表4 室溫沖擊吸收能量的威布爾參數(shù)估計(jì)

尺度參數(shù)表示63.2%的特征壽命。對(duì)于尺度參數(shù)，激光焊接在L-F中出現(xiàn)高于BM的值，而在L-H中則顯示較低的值。激光焊接熔合區(qū)的沖擊吸收能量提高，主要?dú)w因于快速冷卻使得晶粒細(xì)化，加之凝固過(guò)程中生成的δ-鐵素體引起晶界復(fù)雜化。激光焊接的熱影響區(qū)在很窄的范圍內(nèi)生成，從而使得缺口貫穿相界加工而成。相界作為應(yīng)力集中區(qū)，使得L-H具有較低的沖擊韌度。TIG焊接時(shí)，T-F和T-H都出現(xiàn)了低于BM的尺度參數(shù)。TIG焊接的熔合區(qū)具有比BM更細(xì)微的組織，但還包括由多重焊道產(chǎn)生的粗大晶粒。粗大晶粒發(fā)揮了應(yīng)力集中作用，在T-F中表現(xiàn)低沖擊吸收能量。TIG焊接熱影響區(qū)沖擊吸收能量降低歸因于熱輸入量過(guò)大導(dǎo)致晶粒粗大化。如果考慮沖擊吸收能量，激光焊接比TIG焊接更為有利。

為了考察斷口形貌，利用掃描電鏡觀察了沖擊斷口。圖11a所示為在BM上加工缺口的試樣的沖擊斷口，在斷裂部位的中心出現(xiàn)了包含韌窩的延性斷口。圖11b、圖11c分別表示在激光和TIG焊接的熔合區(qū)上引入缺口的試樣的沖擊斷裂部位。兩個(gè)斷口相比圖11a更為細(xì)微，呈現(xiàn)出密集形狀的韌窩，這是因?yàn)榫Я＜?xì)化，具有韌性相對(duì)較高的基體組織。在圖11c中，發(fā)現(xiàn)了相對(duì)偏深、密集度較低的區(qū)域，這是因?yàn)門IG焊接的熔合區(qū)內(nèi)存在延性相對(duì)不足的粗大化組織。

圖11d、圖11e分別表示將缺口引入激光和TIG焊接熱影響區(qū)的試樣斷口。兩種斷口都在斷裂部位的邊緣出現(xiàn)了典型的剪切唇，并表現(xiàn)出具有細(xì)小韌窩的延性斷口。與之相反，在斷裂部位的中心，呈現(xiàn)出與BM相似的斷口，延性相比邊緣有相對(duì)下降的趨勢(shì)。

圖11 夏比沖擊試驗(yàn)后試樣的宏觀和掃描電鏡斷口分析

4 結(jié)束語(yǔ)

1）激光焊接因鎖孔機(jī)制出現(xiàn)焊透，TIG焊接因傳導(dǎo)機(jī)制出現(xiàn)焊透。

2）激光和TIG焊接的熔合區(qū)出現(xiàn)急冷組織，與TIG不同，激光焊接幾乎沒(méi)有出現(xiàn)熱影響區(qū)。

3）激光和TIG焊接的熔合區(qū)硬度值高于母材。TIG焊接時(shí)，存在硬度低于母材的區(qū)域。

4）激光焊接時(shí)焊縫的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率與母材幾乎相似，但TIG焊接時(shí)焊縫則低于母材。

5）彎曲試驗(yàn)時(shí)，激光焊接的焊縫出現(xiàn)1mm以下的小裂紋。

6）對(duì)沖擊吸收能量的威布爾分析結(jié)果顯示，BM出現(xiàn)最小的散布。激光焊接的熔合區(qū)在特征壽命方面具有最佳值。

7）在彎曲試驗(yàn)中，激光焊接的焊縫出現(xiàn)裂紋，但在ASME第九卷中提及的3.2mm的允許值以內(nèi)。除了彎曲性能以外，在拉伸和沖擊性能方面，激光焊接均優(yōu)于TIG焊接。