304不銹鋼薄板激光焊搭接接頭組織及性能

霍宏偉，胡海軍，李治國(guó)，周靈軍

（蘭石換熱設(shè)備有限責(zé)任公司，甘肅蘭州730310）

304不銹鋼薄板激光焊搭接接頭組織及性能

霍宏偉，胡海軍，李治國(guó)，周靈軍

（蘭石換熱設(shè)備有限責(zé)任公司，甘肅蘭州730310）

研究0.8 mm厚度304不銹鋼薄板的搭接連續(xù)激光焊工藝，分析接頭的顯微組織和部分力學(xué)性能。與電阻縫焊接頭進(jìn)行比較，結(jié)果表明：激光焊成形良好，在適當(dāng)?shù)墓に囈?guī)范下，激光焊和電阻縫焊的水壓試驗(yàn)都可以達(dá)到8.0 MPa；激光焊的熱影響區(qū)更窄并且焊縫中組織為奧氏體；較電阻縫焊焊縫呈更均勻、細(xì)小的柱狀晶；兩種焊接方法的拉伸剪切試驗(yàn)的斷裂位置均位于母材。

板式換熱器；304不銹鋼薄板；激光焊

0　前言

焊接式板式換熱器由于換熱效率高、結(jié)構(gòu)可靠、工作壓力高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于化工、食品等行業(yè)。其原理是將成型板片組合焊接成為板對(duì)，再將板對(duì)組裝成換熱芯體，這樣就形成了板對(duì)內(nèi)和板對(duì)間兩側(cè)流道，不同的換熱介質(zhì)分別流經(jīng)兩側(cè)流道以達(dá)到熱交換的目的。成型板片由耐腐蝕材料的薄板（通常小于等于1 mm）壓型而成。304不銹鋼作為奧氏體不銹鋼的一種，耐腐蝕性優(yōu)良、無磁性、具有韌性和塑性較高等特點(diǎn)，大量應(yīng)用于容器、機(jī)械、航空航天、醫(yī)療器械、核工業(yè)等領(lǐng)域[1]，是焊接式板式換熱器成型板片的常用材料，板對(duì)的焊接要兼顧效率和焊接質(zhì)量。焊接式板式換熱器板對(duì)焊接結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　焊接式板式換熱器板對(duì)焊接結(jié)構(gòu)Fig.1Welded plate heat exchanger set welding structure

在焊接式板式換熱器的板對(duì)焊接中，電阻縫焊是應(yīng)用成熟的工藝方法。電阻縫焊能夠滿足薄板搭接接頭的力學(xué)性能、較小的焊接變形，但對(duì)工藝規(guī)范敏感性高，電極壓力、焊接電流、預(yù)熱電流、電極厚度等工藝參數(shù)稍有偏差就會(huì)影響接頭質(zhì)量。對(duì)一些特殊材料的焊接尚無能為力。在應(yīng)用中存在保護(hù)問題——焊道表面呈紫黑色；隨著板式換熱器產(chǎn)品的升級(jí)，要求焊接設(shè)備大型化，而電阻縫焊設(shè)備需要水冷卻系統(tǒng)來控制焊接變形問題，水冷卻系統(tǒng)要求整條生產(chǎn)線零部件為不銹鋼材質(zhì)，成本高；焊接過程不環(huán)保、自動(dòng)化程度較低，在焊接之前需要大量的人工干預(yù)；也存在焊縫不夠美觀、焊接效率較低等方面的問題。基于以上原因，迫切需要更好的焊接方法應(yīng)用于焊接式板式換熱器板對(duì)的焊接中。

隨著激光器的價(jià)格降低，激光焊技術(shù)越來越成熟，為激光焊在板對(duì)焊接中的應(yīng)用提供了條件。激光焊技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)[2]：熱輸入量小，熔池深寬比大，熱影響區(qū)小，工件收縮變形較小；焊接具有連續(xù)性和可重復(fù)性；焊道窄表面質(zhì)量好，焊縫強(qiáng)度高；對(duì)于準(zhǔn)確定位的焊縫易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；激光控制器比較靈活，焊接速度快，后續(xù)處理工序簡(jiǎn)單。因此，激光焊工藝在換熱器板對(duì)的焊接中應(yīng)用有很大的潛力。

1　試驗(yàn)方法

使用0.8 mm厚度的304不銹鋼薄板，采用平板搭接方式，其化學(xué)成分如表1所示。施焊前用丙酮去除表面油污，干燥后用細(xì)砂紙輕微打磨去除試樣接頭的氧化膜。

表1　試驗(yàn)用304不銹鋼化學(xué)成分Tab.1Chemical composition of 304 stainless steel％

使用的進(jìn)口激光器標(biāo)準(zhǔn)輸出功率為3 kW。通過改變工藝參數(shù)，以獲得最佳的焊接質(zhì)量。綜合考慮焊接成形和背面熔透量，選擇的焊接規(guī)范參數(shù)：功率P=1 300 W，焊接速度v=2 m/min，離焦量f=0 mm。將接頭制成試樣，采用金相顯微鏡進(jìn)行組織分析，并焊接水壓試樣和拉伸剪切試樣。

2　試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1焊接接頭顯微組織

利用金相顯微鏡觀察焊接接頭的金相組織形貌，如圖2、圖3所示。由圖2可知，304母材是完全的奧氏體組織。由圖3可知，焊縫熱影響區(qū)非常窄，經(jīng)測(cè)量熱影響區(qū)寬度10～15 μm。在熱影響區(qū)與母材間不存在晶粒粗大的現(xiàn)象，焊縫的物相組成為奧氏體，呈鑄態(tài)組織，沿著熔池最大溫度梯度方向生長(zhǎng)的柱狀晶，均勻細(xì)小。

圖2　304母材的顯微組織Fig.2Micro structure of 304 stainless steel

圖3　激光焊焊縫的顯微組織Fig.3Micro-structure of weld joint LBW

在激光焊過程中，由于激光加熱范圍小，溫度梯度較大，熱量主要靠熱傳導(dǎo)作用向外擴(kuò)散。因此焊縫冷卻速度快，焊縫金屬處于一個(gè)快速熔合和冷卻凝固的過程，熔池的液態(tài)金屬的溫度梯度和過冷度很大。激光焊過程中，焊縫金屬由固態(tài)加熱至液態(tài)后，高溫停留時(shí)間短，限制了奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，使得焊縫晶粒細(xì)小。文獻(xiàn)[3]認(rèn)為焊縫中心等軸晶的合金元素含量較母材熔合線處含量小，因而中心部位的過冷度較大，有利于等軸晶的形成。

304不銹鋼在電阻縫焊工藝下獲得的焊縫形貌為扁而長(zhǎng)的橢圓形熔核，其焊縫組織為柱狀晶組織，如圖4所示，這種焊縫截面形貌是由電阻焊的熱源特點(diǎn)所決定的。電阻焊是由電流通過母材產(chǎn)生熱量，屬于內(nèi)部熱源，它使整個(gè)焊接區(qū)域發(fā)熱，開始時(shí)受到邊緣效應(yīng)的影響，貼合面處溫度首先升高，通電一段時(shí)間后該區(qū)域溫度繼續(xù)升高，這是由于電阻的增大。焊接區(qū)域各處由于加熱不均勻產(chǎn)生繞流現(xiàn)象而使電流場(chǎng)形態(tài)發(fā)生改變。z方向上靠近電極區(qū)域的金屬受到電極的強(qiáng)烈冷卻作用，溫度升高較小，這樣使貼合面上的一些接觸點(diǎn)發(fā)生熔化。繼續(xù)通電，電流通過熔化金屬附近的母材，繼續(xù)對(duì)焊接區(qū)中心部位加熱，同時(shí)此區(qū)域因散熱困難繼續(xù)升溫。延長(zhǎng)通電加熱時(shí)間，由于熱傳導(dǎo)的結(jié)果，焊接溫度場(chǎng)進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，最終獲得橫截面為橢圓形的熔核[4]。由電阻縫焊焊縫的金相照片可以看出，在橢圓長(zhǎng)周方向上，兩側(cè)的熱影響區(qū)寬度很大，經(jīng)測(cè)量可以達(dá)到240μm，而此處熱影響區(qū)與母材過渡區(qū)域存在明顯的粗晶區(qū)。從熔核長(zhǎng)軸方向到z方向，熱影響區(qū)呈寬度減小的趨勢(shì)，最小處寬度30～50 μm，粗晶區(qū)也越來越不明顯。根據(jù)晶體生長(zhǎng)理論，晶體生長(zhǎng)方向總是沿著焊接熔池中溫度梯度最大的方向，垂直于熔合線。電阻縫焊時(shí)內(nèi)部熱量增多溫變升高，晶體在生長(zhǎng)時(shí)側(cè)面受到彼此的限制不能側(cè)向生長(zhǎng)，只能沿著散熱方向生長(zhǎng)，從而形成相對(duì)粗大的奧氏體柱狀晶。

圖4　電阻縫焊焊焊縫的顯微組織Fig.4Micro-structure ofweldjointresistanceseamwelding

2.2水壓試樣和拉伸剪切試驗(yàn)

對(duì)于兩張板疊加的搭接接頭，在實(shí)際工況下需要一定的承壓能力，分別對(duì)兩種焊接方法進(jìn)行水壓試驗(yàn)。試樣制備如圖5所示，將兩塊150mm×150 mm試板疊加在一起，在上面一塊板中央先鉆孔，將試件沿周邊焊接以密封試件間空隙，在上面板孔上焊接一個(gè)管接頭。在試件間空隙中以水加壓。

圖5　水壓試樣Fig.5Hydrostatic test sample

激光焊工藝和電阻縫焊工藝的水壓試驗(yàn)均可達(dá)到8.0 MPa，如圖6、圖7所示，說明兩種接頭能夠滿足一些承壓產(chǎn)品的要求。

圖6　激光焊水壓試驗(yàn)Fig.6Hydrostatic test sample of LBW

圖7　電阻縫焊水壓試驗(yàn)Fig.7Hydrostatic test sample of resistance seam welding

拉伸剪切試樣按圖8制備，試樣采用線切割加工，并用砂紙打磨，以消除線切割加工對(duì)試驗(yàn)的影響。使用萬能試驗(yàn)機(jī)分別對(duì)激光焊和電阻縫焊的試樣進(jìn)行拉伸剪切試驗(yàn)。斷裂位置均位于母材，見圖9、圖10。

圖8　拉伸剪切試樣Fig.8Tensile shear test sample

3　結(jié)論

（1）對(duì)于0.8 mm厚度的304不銹鋼薄板激光焊搭接接頭，其焊縫與母材熔合良好，是完全的奧氏體組織，具有相對(duì)電阻縫焊更為均勻細(xì)小的柱狀晶形態(tài)，熱影響區(qū)窄。

圖9　電阻縫焊拉伸剪切試驗(yàn)Fig.9Tensile shear test sample of resistance seam welding

圖10　激光焊拉伸剪切試驗(yàn)Fig.10Tensile shear test sample of LBW

（2）對(duì)于焊接式板式換熱器的板對(duì)焊接來說，激光焊搭接焊縫足以替代電阻縫焊，水壓試驗(yàn)均能達(dá)到8.0 MPa，拉伸剪切試驗(yàn)斷裂位置均位于母材處。

[1]張維哲.基304薄板激光焊接技術(shù)研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2009.

[2]劉其斌.激光加工技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

[3]閻小軍,楊大智，劉黎明.316L不銹鋼薄板脈沖激光焊工藝參數(shù)及接頭組織特征[J].焊接學(xué)報(bào)，2004，25（3）：121-123.

[4]雷世明.焊接方法與設(shè)備[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2004.

Organization and performance of 304 stainless steel sheet laser welded lap joint

HUO Hongwei，HU Haijun，LI Zhiguo，ZHOU Lingjun
（Lanzhou LS Heat Exchange Equipment Co.，Ltd.，Lanzhou 730310，China）

Study on 0.8 mm，304 stainless steel lap continuous laser welding process，analyze joint microstructure and some mechanical properties.Comparing with resistance seam welding joint，the results show that the laser welding forms better，under the proper process parameters，both the laser welding and resistance seam welding can reach 8.0 MPa in Hydrostatic test.The heat affected zone of laser welding is narrower and weld is austenitic.The laser welding has a more even tiny columnar grain than resistance seam welding seam. The fracture position of both methods is in the base metal.

PHE；304 stainless steel sheet；laser welding

TG456.7

B

1001－2303（2016）03－0044-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.03.09

2015-12-10；

2016-01-06

霍宏偉(1987—)，男，甘肅人，碩士，主要從事壓力容器與板式換熱器的焊接工作。