化學鍍鎳316不銹鋼激光焊接裂紋研究

徐洪濤，齊冠然，張楠楠

（1.河南建筑職業技術學院，河南 鄭州 450064；2.沈陽工業大學，遼寧 沈陽 110870）

316不銹鋼具有耐性強、耐磨性好、強度高等優點，被廣泛應用于電子制造、石油、五金、化工、制藥等領域[1-2]。由于316不銹鋼表面局部鈍化膜薄弱，且表面易產生劃痕，導致其耐蝕性變差，影響其使用[3-5]。為了克服這些問題，擴大316不銹鋼的使用范圍，通常對其表面進行化學鍍鎳處理。低磷化學鍍鎳(P質量分數低于4%)具有較好的可焊性，可在實際生產中大量使用，但在化學鍍鎳過程中引入P等元素容易產生低熔點的共晶物，導致焊縫中容易產生熱裂紋，這些裂紋將大幅降低焊接接頭的剪切強度。

激光焊接具有熱影響范圍小、焊縫深寬比大、焊縫強度高、容易實現自動化生產以及生產加工效率高等優點，已被廣泛應用于304、316不銹鋼以及鋁合金等材料的焊接[6-14]。目前有關鍍鎳不銹鋼激光焊接的報道較少，表面鍍層改變了材料的表面特性，同時也會改變激光焊接時的冶金特征。

本文對鍍鎳316不銹鋼進行激光焊接實驗，研究了其表面化學鍍鎳層的P質量分數對焊縫剪切強度和微觀結構的影響，為實際生產提供參考。

1 實驗

1.1 材料

316不銹鋼試樣厚度0.2 mm，其化學成分(質量分數)為：C 0.08%，Cr 16.0% ～ 18.0%，Ni 10.0% ～14.0%，Mo 2% ～ 3%，Mn≤2.0%，Si≤1.0%，Fe余量。硫酸鎳、磷酸鈉、檸檬酸鈉、乙酸鈉以及硫脲均為化學純，未經特殊處理。

1.2 化學鍍鎳

先用100目的砂紙打磨316不銹鋼，然后浸泡于堿洗液中15 min，再放入超聲清洗器中清洗，最后干燥備用。316不銹鋼化學鍍鎳基礎液的組成為：硫酸鎳(NiSO4)20 g/L，檸檬酸鈉10 g/L，乙酸鈉15 g/L，硫脲3 mg/L。化學鍍鎳的溫度控制在70 ～ 75 °C，pH為4.5 ～ 5.0。在基礎鍍液中分別加入10 g/L、15 g/L以及20 g/L的磷酸鈉，得到P質量分數分別為1.2%、2.3%和3.4%的鎳?磷合金鍍層。

1.3 激光焊接

采用銳科RLF-P100M激光器對316鍍鎳不銹鋼進行焊接實驗，焊接方式為搭接，以自制工裝夾具將待焊工件夾緊。通過大量的預實驗可知：當平均功率低于40 W時，無法焊接上，而當平均功率大于60 W時，焊縫表面有過燒的情況；當脈沖寬度低于30 ns時，由于熱量累積不夠，焊縫熔化不充分，剪切強度較低，而當脈沖寬度高于90 ns時，熱量累積太多，焊縫表面氣化嚴重，剪切強度較低；當焊接速率小于100 mm/s時，熱量累積太大，焊縫表面氣化嚴重，剪切強度較低，而當焊接速率小于100 mm/s時，熱量累積較小，焊縫熔化不夠充分，剪切強度較低。為了達到最大焊縫剪切強度，以焊點的剪切強度作為評價指標，對平均功率、脈沖寬度、焊接速率這3個因素進行正交優化，得到最佳焊接工藝。

1.4 表征與測試

采用日立S-4800掃描電鏡(SEM)觀察鍍層的表面形貌；采用島津EPMA-8050G電子探針顯微分析儀分析鍍層中磷的質量分數；采用北京北極星辰 XJB200金相顯微鏡觀察焊縫的微觀結構。采用華拓WDW-20KN電子拉力試驗機對焊縫進行剪切力測試，試片尺寸為12.5 cm × 2.5 cm × 1.6 mm，單面搭接,搭接面長度(12.5 ± 0.25) mm。以10 mm/min的恒定拉伸速率施加負荷，剪切強度W=F/A(其中F為破壞負荷，即焊縫拉破時的剪切力；A為焊縫搭接面積)。

2 結果與討論

2.1 最佳焊接工藝的確定

由表1的均值分析可知，激光平均功率50 W、脈沖寬度60 ns、焊接速率300 mm/s為最佳工藝參數，正好是表1中試驗5的條件，對應焊點的剪切強度最高。從極差分析可知，對焊縫剪切強度的影響因素由主到次依次為激光平均功率、焊接速率、脈沖寬度。

表1 正交試驗結果和極差分析Table 1 Results of orthogonal test and range analysis

采用最佳工藝參數對鍍鎳層P的質量分數為1.2%、2.3%，和3.4%的316不銹鋼進行焊接實驗，它們的焊點剪切強度分別為242、187和145 MPa。磷的質量分數為1.2%時的焊點剪切強度與未鍍鎳不銹鋼的焊點剪切強度基本一致。

對未鍍鎳及鍍鎳的不銹鋼焊接接頭進行焊縫切片分析，結果見圖 1。當未鍍鎳以及鍍鎳不銹鋼的鍍層磷元素含量為1.2%時，焊縫中未見有裂紋產生，如圖1a所示，當鍍鎳不銹鋼的鍍層磷元素含量為2.3%時，焊縫中有輕微裂紋產生，如圖1b所示，當鍍鎳不銹鋼的鍍層磷元素含量為3.4%時，焊縫中裂紋較明顯。隨著磷在質量分數的增大，焊縫中的裂紋增大，焊點的剪切強度逐漸降低。

圖1 鍍層中磷的質量分數分別為0%或1.2%(a)、2.3%(b)和3.4%(c)時焊縫截面的典型金相照片Figure 1 Typical cross-sectional metallographs of welding seams when there were 0% or 1.2wt.% (a), 2.3wt.% (b), and 3.4wt.%(c) of phosphorus in coating, respectively

2.2 激光焊接微觀結構分析

從圖2可知，鍍層磷質量分數1.2%時，焊縫中未見熱影響區與熔合區之間的熔合線，相對于母材，熱影響區及熔合區的晶粒均顯著細化，由于再結晶后快速冷卻，在熔合區生長的晶粒極細小，并且向熱影響區外延生長，主要由馬氏體、細小鐵素體等組成。鍍層磷質量分數2.3%時，焊縫處熱影響區的晶粒明顯大于熔合區的晶粒，由殘余奧氏體及鐵素體晶粒組成。鍍層磷質量分數3.4%時，焊縫的組織形貌與鍍層磷質量分數2.3%時較接近。隨著鍍層磷質量分數的增大，熔合區晶粒間的結合力降低，且冷卻速率急劇變化，導致焊縫在冷卻凝固過程中易出現裂紋。

圖2 鍍層中磷的質量分數分別為0%或1.2%(a)、2.3%(b)和3.4%(c)時焊縫的典型SEM照片Figure 2 Typical SEM images of weld seams when there were 0% or 1.2wt.% (a), 2.3wt.% (b), and 3.4wt.% (c) of phosphorus in coating, respectively

從圖3可知，鍍層的磷質量分數為1.2%時，焊縫中心的EDS譜圖上有磷峰存在，但不突出，引入到焊縫中的磷較少，其質量分數約為0.7%。鍍層的磷質量分數為2.3%時，焊縫中心EDS譜圖上的磷峰較明顯，較多的磷被引入到焊縫中，此時磷的質量分數約為 1.5%。鍍層中磷的質量分數為 3.4%時，焊縫中心 EDS譜圖上的磷峰非常明顯，大量磷被引入到焊縫中，其質量分數約為 3.5%。在激光加熱焊接過程中，不銹鋼表面鍍層中的磷元素會熔合到焊縫中，與鐵、鎳生成低熔點的共晶物，易使焊縫產生裂紋，進而降低焊縫的剪切強度。

圖3 鍍層中磷的質量分數分別為0%或1.2%(a)、2.3%(b)和3.4%(c)時焊縫中心的典型EDS譜圖Figure 3 Typical EDS spectra for the centers of weld seams when there were 0% or 1.2wt.% (a), 2.3wt.% (b),and 3.4wt.% (c) of phosphorus in coating, respectively

3 結論

(1) 通過調節鍍液中磷酸鈉的質量濃度，在不銹鋼表面化學鍍得到磷質量分數分別為1.2%、2.3%和3.4%的鍍層，再對不銹鋼進行激光焊接。激光焊接的較佳工藝參數為：激光功率50 W，脈沖寬度60 ns，焊接速率200 mm/s。該條件下焊點的剪切強度最高，為243 MPa。

(2) 隨著鍍層磷質量分數的增大，熔合區晶粒間的結合力降低，且冷卻速率急劇變化，導致焊縫在冷卻凝固過程中易產生焊接裂紋。鍍層磷質量分數1.2%時，焊縫中無裂紋，組織結構和焊縫剪切強度與未鍍鎳不銹鋼基本一致。