高溫高應變率下異種不銹鋼激光焊接件的力學性能＊

魏延鵬，虞 鋼，段祝平

（1.中國科學院力學研究所非線性國家重點實驗室，北京 100080；2.中國科學院力學研究所激光與先進制造工藝實驗室，北京 100080）

隨著異種材料激光焊接技術在工業生產尤其是汽車工業中的廣泛應用，焊接件常常被應用在高溫、沖擊加載等環境中。該結構件材料在各種載荷條件下的變形特征復雜。這里結構件材料是指由2種異質材料與焊縫材料共同組成的一種有結構的材料。為此，焊接結構件材料在高溫沖擊載荷條件下的力學性能和變形特征成了關注的焦點。如何通過調整焊接參數來獲得適用于不同服役環境下的優異的焊接件材料，在工業生產實踐中有重要意義。SHTB動態拉伸試件一般有圓柱狀和扁平狀2種。對于圓柱狀試件大多采用螺紋的連接方式，FU Shun－qiang等［1］采用螺紋式連接研究了聚碳酸酯材料的動態力學性能。這種方式對應力波的傳遞產生一定的影響，但實踐證明，在入射波幅值較大的情況下，這種影響可以忽略。扁平狀的連接方式一般有2種，一種是利用高強膠將扁平狀試件粘貼到波導桿的卡槽中，ZHOU Yuan－xin等［2］利用膠連式的連接方式對碳纖維的動態力學性能進行了測試，這種方式雖能獲得很好的應力波形，但是粘貼工藝復雜，實驗周期長，一發實驗需準備2～3h；另一種連接方式是利用螺紋和銷栓的組合方式進行連接，這種方式雖然實驗效率較高，但由于波導桿頭部存在銷孔和卡槽等應力集中區域，使反射和透射應力波形受很大影響。目前，針對異種材料激光焊接結構件材料動態力學性能的實驗研究還處在初始階段。王成［3］利用艾式沖擊實驗研究了激光焊接參數對焊縫抗沖擊性能的影響，得出：隨激光線能量的增加，焊縫沖擊韌性先增加后下降，激光焊接熱輸入為144J／mm時焊縫沖擊功最高為29J。E.Bayraktar等［4－6］利用沖擊拉伸實驗和表面腐蝕網格法研究了焊接結構件材料的抗沖擊性能、斷裂機制和不均勻變形場分布特征。但用上述2種方法都只能得到焊接結構件材料的沖擊韌性而無法得到應力應變曲線，更不能得到在不同激光焊接參數下，溫度和應變率對結構件材料力學性能的影響規律。

本文中以304和316L不銹鋼為主要研究對象，利用高功率連續二氧化碳激光器獲得焊接結構件，它是由2種異質材料與焊縫組成的一種特殊構件材料。針對焊接結構特征設計適用于SHTB裝置的卡套式連接方式，創建一種研究焊接結構動態力學性能的實驗方法。詳細研究應變率和溫度對結構件材料動態力學性能和塑性流動應力的影響規律，發現不同焊接參數下的結構件材料對應變率和溫度敏感性的差異，并初步研究焊接件變形過程中由塑性功引起的不均勻溫度分布。

1 實驗準備

1.1 材料選擇及激光焊接

圖1 304和316L焊接板Fig.1 Welded sheet of 304and 316L

采用2種組分和力學性能都有差異且焊接性能較好的不銹鋼薄板進行激光焊接，牌號分別為304（0Cr18Ni9）和316L（00Cr17Ni14Mo2），厚度為2mm，304不銹鋼的彈性模量為205GPa，屈服極限為246MPa，抗拉強度為630MPa，延伸率為0.67；316L不銹鋼的彈性模量為205GPa，屈服極限為234MPa，抗拉強度為551MPa，延伸率為0.58。

焊接實驗在3.5kW擴散型二氧化碳激光器上進行。通過改變激光功率P、焊接速度vw、離焦量fd和側吹氦氣速度vs等焊接參數獲得了6組焊接板，焊接參數如表1所示，表中f為焦距，ds為焦斑直徑。焊接后的實驗樣品見圖1。

表1 激光焊接參數Table1 Laser welding parameters

1.2 試樣準備

圖2 扁平狀試件卡套式連接方式示意圖Fig.2 Lock type of connection of flat specimens

圖3 SHTB實驗采集到的典型應變波形Fig.3 Typical strain wave derived from SHTB test

受焊接件形狀的限制，試件只能加工成扁平狀。為了獲得更好的實驗數據，采用自行設計的卡套連接方式，樣品厚2mm，如圖2所示。加溫裝置采用自行設計的柔性控溫箱，溫度在25～1000℃可調。

圖3顯示了利用卡套式夾持方式獲得的SHTB波形，從圖中可以看出，此種連接方式對應力波形影響較小，但是也存在一定的缺點。由于波導桿上的卡套相當于減少了橫截面積，使桿件前端強度降低，雖然對應力集中區域進行了倒角處理，在長時間多次加載的情況下桿件仍會變形，這要視加載幅值而定。這種現象只出現在大應力幅值多次疲勞加載的情況，不會影響本實驗的結果。

2 實驗結果與討論

圖4 No.1參數對應的焊接結構件材料的工程應力－應變曲線Fig.4 Engineering stress－strain curves of weided structure materials with welding parameters 1

2.1 不同參數結構件材料動態強度比較

圖4為典型的焊接結構件材料動態應力應變曲線，由于SHTB測試中，試件兩端的應力經過幾次反射后才達到平衡，使得結構件材料的應力－應變曲線中彈性段測試不準確。從圖中可以看出，結構件材料在動態拉伸過程中存在明顯的模量突變點，工程上將此點處應力值定義為結構件材料的屈服強度，這類屈服強度與真實值有一定差距，但可以通過對突變點應力值的比較來尋找結構件材料剛進入塑性段時的一些變化規律。對于抗拉強度，其值代表結構件材料拉伸過程中所承受的最大工程應力，是準確可靠的。

由表2可以看出，各種參數的焊接結構件材料的動態屈服強度σy和抗拉強度σt都隨應變率的增大而增大，隨溫度的升高而降低；但各種參數結構件材料對于應變率和溫度的敏感程度不同。No.1參數對應的結構件材料雖然具有較低的靜態強度，但抗拉強度對應變率和溫度的敏感性最強，隨應變率的增大，抗拉強度急劇增大，并很快達到所有參數結構件材料的最大值962MPa；隨著溫度的提高，抗拉強度急劇下降，并達到所有參數結構件材料的最小值342MPa。No.2、No.3和No.5參數對應的結構件材料對應變率和溫度的敏感性較弱，屈服強度和抗拉強度都隨應變率的提高平緩上升并隨溫度的提高平緩下降。No.4參數對應的結構件材料具有最差的動態力學性能，在應變率為1500s－1時，其抗拉強度低于準靜態下的抗拉強度，表明此種參數的焊接件不能被使用于高應變率的環境。

綜上所述，除No.4參數對應的結構件材料外，所有參數對應的結構件材料均具有較好的高溫動態力學性能。No.1參數對應的結構件材料對溫度和應變率的敏感性最強，這種材料較適于高應變率加載的環境；由于其溫度敏感性也較強，隨溫度的升高強度降低較快，限制了該材料在高溫環境下的應用。

表2 不同焊接參數參數對應的結構件材料的動態屈服強度和抗拉強度Table2 Dynamic yield strength and tensile strength of welded structure materials with different weld parameters

2.2 溫度效應

溫度對結構件材料塑性流動應力的影響如圖5所示。動態變形過程中，結構件材料中的溫升的產生一般來源于2部分，一部分為初始環境溫度，也就是實驗溫度；另一部分來源于結構件材料發生塑性變形的塑性功轉化導致的溫升，按Taylor的假定，這一部分溫升可表示為

圖5 采用不同的激光參數獲得的焊接結構材料的真實應力－應變曲線Fig.5 True stress－strain curves of welded structure materials with different welding parameters

式中：ρ為材料密度，cV為材料定容熱容，κ為塑性功與熱量的轉化系數，一般為0.97，在大變形的情況下可以近似取1。估算表明，在材料非失穩區，塑性變形引起的溫升和高溫環境下溫度相比可以忽略。

在整個結構件材料的變形過程中，溫度對塑性流動應力的影響具有如下特點：（1）相同應變率下，結構件材料變形全過程中的平均塑性流動應力隨環境溫度的提高而明顯下降。（2）環境溫度對結構件材料流動應力的影響呈非線性變化趨勢，環境溫度越高，相同的溫度增量對塑性流動應力的影響越小，以No.4參數對應的結構件材料的應變率為1 600s－1、變形為12%時刻為例，溫度從25～200、200～400、400～500℃，產生的塑性流動應力降幅分別為199、132、26MPa。（3）結構件材料塑性變形產生的溫升隨應變率的提高而提高。這主要是因為，應變率越高，塑性功產生的熱量越大，溫升越明顯。（4）相同應變率和溫度下，變形量越大，塑性變形溫升引起的軟化現象越明顯，這主要是因為變形量越大的情況下，塑性功增加，并且轉化系數η也變大，導致溫升增加，流動應力下降。（5）結構件材料中的絕對溫度場不均勻。雖然具有相同的初始溫度，但是由于材料不同，結構件材料中由于塑性變形產生的溫升不同。如果只考慮單軸拉伸過程，結構件材料處在一維應力狀態，并且結構件材料各部分所受應力相等，那么如式（1），材料由塑性變形引起的溫升只與變形量ε有關。變形量越大，ΔT越大。由于焊縫材料的密度和定容熱容相差無幾，只是晶粒尺寸有所不同，焊縫材料具有硬脆化趨勢，在相同的應力下產生的變形量小，所以焊縫處的塑性溫升也較小，結構件材料的絕對溫度場呈中間低兩邊高的趨勢。

2.3 應變率效應

圖6顯示了不同焊接參數、不同應變率下結構件材料的真實應力應變曲線。從圖中可以看出，塑性流動應力隨應變率的增加而增大，但采用不同的焊接參數獲得的結構件材料對應變率的敏感程度不同，為了比較應變率對流動應力的影響，定義應變率敏感系數

式中：σ1和σ2為應變率和下的流動應力。由圖6可以看出，采用不同的焊接參數得到的結構件材料對應變率的敏感性差別很大，No.1和No.3參數對應的結構件材料的應變率敏感系數較大，隨應變率的增加，流動應力幅值有較大提升。No.2和No.5參數對應的結構件材料敏感系數較小，隨應變率的增加，流動應力幅值變化很小。

另外，從整體效果看，在整個變形過程中溫度軟化效應對流動應力的貢獻大于應變率強化效應，尤其在結構件材料進入大變形階段。

圖6 采用不同的焊接參數獲得的結構件材料的真實應力－應變曲線Fig.6 True stress－strain curves of welded structure materials with different welding parameters

3 結 論

利用SHTB裝置，對304和316L異種不銹鋼激光焊接結構在不同溫度下的動態力學性能進行了實驗研究。實驗研究表明：焊接結構件材料的動態力學性能主要受應變、應變率和溫度的影響：動態屈服強度和抗拉強度隨應變率的提高而增大，隨溫度的提高而降低；溫度對結構件材料流動應力的影響呈非線性變化趨勢；隨應變的增加，流動應力增加，呈硬化趨勢；在整個變形過程中，溫度軟化效應對流動應力的貢獻大于應變率強化效應，尤其在結構件材料進入大變形階段。

［1］FU Shun－qiang，WANG Yang，WANG Yu.Tension testing of polycarbonate at high strain rates［J］.Polymer Testing，2009，28（7）：724－729.

［2］ZHOU Yuan－xin，WANG Yang，XIA Yuan－ming，et al.Tensile behavior of carbon fiber bundles at different strain rates［J］.Materials Letters，2010，64（3）：246－248.

［3］王成.400MPa級超級鋼激光焊接及其焊接性研究［D］.北京：清華大學，2002.

［4］Bayraktar E，Kaplan D，Buirette C，et al.Application of impact tensile testing to welded thin sheets［J］.Journal of Materials Processing Technology，2004，145（1）：27－39.

［5］Bayraktar E，Kaplan D，Grumbach M，et al.Application of impact tensile testing to spot welded sheets［J］.Journal of Materials Processing Technology，2004，153／154：80－86.

［6］Bayraktar E，Kaplan D，Schmiclt F，et al.State of art of impact tensile test（ITT）：Its historical development as a simulated crash test of industrial materials and presentation of new “ductile／brittle”transition diagrams［J］.Journal of Materials Processing Technology，2008，204（1／2／3）：313－326.