鐵素體不銹鋼低功率光纖激光焊組織與接頭形貌

柳岸敏，陳烜，楊超，李永超，楊勇，4，張軍，朱家澤，樊宇

1.常州信息職業技術學院 江蘇常州 213164

2.常熟天地煤機裝備有限公司 江蘇常熟 2155002

3.中國礦業大學材料與物理學院 江蘇徐州 221116

4.江蘇潤楊汽車零部件制造有限公司 江蘇邳州 221300

1 序言

430鐵素體不銹鋼具備良好的耐腐蝕性能與抗氧化性能[1]，與奧氏體不銹鋼相比，其成本低、線膨脹系數小，在多種腐蝕介質環境下的應用越來越廣泛[2]。當采用激光焊接時，焊縫及熱影響區大多會出現柱狀晶和等軸晶組織；而當采用傳統弧焊工藝時，焊縫及熱影響區大概率會出現柱狀晶組織；通過觀察與對比發現，由于激光焊具有較低的熱輸入，因此其熱影響區晶粒比傳統弧焊相對細小，傳統弧焊易產生接頭處脆化、裂紋等問題，會嚴重影響其使用性能[3]。

由于激光焊具有高效、環保等顯著的特點，近幾年備受專家學者的關注。經過將傳統的弧焊工藝與激光焊進行對比后發現，激光焊的特征是具有高能量密度以及小尺寸焊接光斑，這在焊接過程中的優勢體現為較小的熱輸入、較快的焊接速度、較大的深寬比以及較小的焊接應變等[4]。樊宇等[5]使用激光功率為1500W光纖激光器對316L不銹鋼進行焊接，研究發現激光功率和離焦量對熔深影響較大，而焊接速度則對熔寬具有較大的影響。MOSTAAN等[6]使用Nd：YAG激光器對430鐵素體不銹鋼和304雙相不銹鋼以對接形式進行焊接，分別在鐵素體晶界和鐵素體晶粒內部觀察到FCC晶體結構（即晶界同素異形奧氏體和楔形奧氏體）。結果表明，不規則的晶粒取向會導致激光焊接接頭的強度相對較弱。李翠等[7]對厚度為0.5mm的430鐵素體不銹鋼采取ROFIN光纖激光器進行拼焊，功率規格為4kW，發現當焊接過程中采取較大的離焦量、較高的焊接速度以及較小功率的焊接參數時，往往會獲得成形良好的焊縫；在離焦量、焊接速度和激光功率分別為+10mm、4.8m/min、1000W時，可獲得形貌良好、熱影響區小、無裂紋和氣孔的焊縫。孟云飛等[8]使用YLS-2000光纖激光器對比了激光焊接工藝與傳統MIG焊對厚度為2mm的430鐵素體不銹鋼帶焊接的區別，發現相比于傳統MIG焊，鐵素體不銹鋼激光焊所得焊縫熱影響區更窄，且晶粒尺寸相對更小，焊縫抗拉強度高于母材，顯微硬度相對母材顯著提高。LI等[9]使用MFSC-500W光纖激光焊接機對厚度為1mm的 A304不銹鋼板進行焊接，通過改變焊接功率和焊接速度，發現焊接功率和焊接速度對熔深有較大的影響，而對熔寬、腰寬和腰深影響不大。

作為一種先進的激光器，光纖激光器在近年來發展速度極快且產業化范圍十分寬廣。由于采用了光纖作為一種固體介質來進行激光的傳導，因此激光在傳遞過程中不會受到其他介質的影響而發生分離和變形，仍能產生質量極高的激光。半導體激光器是用固體激光材料作為工作物質的激光器，且所采用的固體激光材料往往是由摻入了能產生受激發射效應的金屬離子的晶體制作而成。光纖激光器散熱好，一般風冷即可。半導體激光器受溫度影響非常大，當功率較大時，則需要水冷[10]。本文采用激光對接焊的方式對厚度為1mm的430鐵素體不銹鋼板進行焊接，經過大量的具有可重復性的試驗和科學對比，闡述激光焊接參數對不銹鋼焊接接頭組織與性能的影響。

2 試驗

2.1 試驗材料

采用經過冷軋退火處理的厚度為1mm的430鐵素體不銹鋼薄板進行激光對接焊試驗，試件尺寸為105mm×130mm×1mm。430鐵素體不銹鋼的化學成分和力學性能見表1、表2。430不銹鋼母材的組織以鐵素體為主（見圖1），且其母材組織分布不均勻，晶粒尺寸較小，碳化物沿鐵素體晶界分布，并呈黑色，鐵素體晶體內存在少量析出物。室溫組織為全鐵素體+Cr23C6型碳化物[11]。

表1 430鐵素體不銹鋼的化學成分（質量分數） （%）

表2 430鐵素體不銹鋼的力學性能

圖1 430鐵素體不銹鋼母材顯微組織

2.2 試驗設備

焊接設備由5 0 0 W 光纖激光焊接器、德國Precitec焊接頭、10m長的φ200μm光纖、XH-02A水冷機組、焊接工作臺、五軸聯動系統、焊接氣氛分布器系統、阿特拉斯GXE7空壓機、冷干機、伺服運動控制系統及NC1000數控系統等部分組成，激光器主要工作參數見表3，激光器外觀及焊槍如圖2所示。除必要的焊接設備外，采用的測試及分析設備有：倒置式光學顯微鏡、顯微維氏硬度計。試驗設備型號及用途見表4。

表3 激光器主要工作參數

圖2 激光器外觀及焊槍

表4 試驗設備型號及用途

2.3 試驗方法

試驗改變的參數主要有3個，分別為激光功率、焊接速度和離焦量，試驗用焊接參數設計見表5。焊接完成后，觀察試樣是否存在宏觀的焊接缺陷，例如塌陷、未焊透及裂紋等，看情況決定是否需重新焊接。利用線切割方法將焊件切成尺寸為10mm×10mm×1mm的試樣（保證焊縫在中心）。使用甲基丙烯酸甲酯和義齒基托樹脂鑲樣，然后依次用240#、400#、600#、800#、1000#、1200#、1500#砂紙對試樣進行打磨及拋光，使用三氯化鐵溶液（FeCl3∶HCl=10g∶100mL）腐蝕表面約15s。試樣制作完成后，使用倒置式光學顯微鏡觀察焊縫顯微組織及性能。

表5 試驗用焊接參數設計

3 結果和討論

3.1 430鐵素體不銹鋼焊接接頭顯微組織分析

激光對接焊430鐵素體不銹鋼焊接接頭的宏觀形貌如圖3所示。由圖3可很明顯地看出，這是一個典型的焊縫形狀，焊接接頭的橫截面呈V形，組織致密，可以清楚地分辨出母材、焊縫和熱影響區。

圖3 430鐵素體不銹鋼焊接接頭的宏觀形貌

在光學顯微鏡下觀察試樣，得到如圖4所示焊接接頭的微觀組織。由圖4a可以分辨出熱影響區和焊縫區之間的組織轉變（A區域）。在經歷了激光的高溫之后，焊縫邊界的區域顯示出明顯的鐵素體結構。產生這種現象的原因是空冷較快的降溫速度可以阻止鐵素體在較高的溫度條件下轉變為奧氏體，馬氏體相不會在晶界處形成，而且不存在高溫奧氏體，因此該區域的鐵素體晶粒生長會很劇烈。相反，在離開焊縫之后，焊接溫度也會隨之下降，導致鐵素體和殘留奧氏體組織混合物的形成。因此，在該區域的鐵素體晶界就很容易發生奧氏體轉變，在冷卻過程中奧氏體進一步轉變為馬氏體。而高溫下奧氏體的形成對于防止該區域晶粒長大有著重要的作用，一旦奧氏體開始形成，晶界處的晶粒將不會長大。

由圖4b可看出，焊縫主要由柱狀晶組成。在焊縫中心往母材方向晶粒形態則逐漸變成柱狀晶，直到柱狀晶碰到熔合線才停止，且由圖4c能夠明顯發現，相互平行的柱狀晶與熔合線呈90°角，生長方向也朝著焊縫中心。其原因是在焊接結束后剛開始凝固時，焊接接頭晶粒的形核方式為非均質形核，為了降低形核功，晶粒的生長方向天然選擇溫度降低最快的那個方向，也就是晶粒以垂直于熔合線的方向進行生長，直到兩側的柱狀晶碰到熔合線為止。

圖4 焊接接頭的微觀組織

3.2 激光焊接參數對接頭宏觀形貌的影響

（1）焊接功率對接頭熔深和熔寬的影響 在焊接速度為2m/min、離焦量為0的情況下，采取了不同的焊接功率對厚度為1mm的430鐵素體不銹鋼鋼板進行激光焊，得到的焊接接頭焊縫輪廓形貌如圖5所示。由圖5可發現，焊縫的輪廓是釘子形狀，這是典型的激光深熔焊的焊縫外觀，與經典焊縫形狀保持高度一致。激光功率變化對焊縫熔寬、熔深、束腰寬和束腰高的影響如圖6所示。由圖6可發現，使焊縫熔寬增大的直接影響因素在于焊接功率的提高，但焊接功率對熔深、束腰寬和束腰高的影響并不明顯，這與LI等[9]的研究結果一致。

圖5 不同功率下焊接接頭焊縫輪廓形貌 （W為熔寬、P為熔深）

圖6 激光功率變化對焊縫熔寬、熔深、 束腰寬和束腰高的影響

這是因為當激光焊接功率低時，在工件表面形成的是激光熱導焊。在進行功率較低的熱導焊焊接時，處于表面層的金屬會先吸收光能并將其轉化為熱能，從而使表面層金屬受熱進而熔化，下一步就是通過熱傳導的方式逐漸將熱量傳導至內部金屬，然后逐漸擴大熔池區域，并在金屬材料徹底冷卻凝固后形成完整的焊縫[12]。然而，在實際生產活動中發現，較低的功率會使激光傳導焊的激光有很大一部分被表面層金屬反射，造成激光的吸收率很低，從而導致熔池較淺、焊縫最終呈圓錐形。當嘗試提高焊接功率，使焊接形式由熱傳導焊轉變為激光深熔焊時，高能量密度的激光束使材料表面部分直接蒸發，從而獲得一個小而深的孔洞，使金屬材料內部可與高能激光束直接接觸，因此可獲得熔深較大、熔寬較窄的性能優異的焊縫。

（2）焊接速度對接頭熔深和熔寬的影響 在焊接功率為250W、離焦量為0的情況下，選用不同焊接速度對厚度為1mm的430鐵素體不銹鋼進行焊接，不同焊接速度下焊接接頭的焊縫輪廓形貌如圖7所示。不同的焊接速度會導致單位時間內的熱輸入量有所不同，較小的焊接速度往往會帶來燒穿缺陷，主要由于其熱輸入量過大；而較大的焊接速度因其較小的焊接熱輸入則會導致未焊透。由圖7可知，焊縫的形狀為釘子形。焊接速度對焊縫熔寬、熔深、束腰寬和束腰高的影響如圖8所示。隨著焊接速度的降低，熔寬、熔深、束腰寬和束腰高都有明顯增大。當焊接速度為1.2m/min時，剛好能將薄板焊透，以此為分界，當焊接速度＞1.2m/min時，試件未被焊透，而當焊接速度＜1.2m/min時，試件被完全焊透，而且熔寬、束腰寬和束腰高增大明顯。

圖7 不同焊接速度下焊接接頭的焊縫輪廓形貌

造成這種情況的原因在于其熱輸入降低，當采取較大的焊接速度時，不可避免地導致激光接觸母材的時間變短。激光在母材表面某個區域停留的時間取決于在焊接時所采取的焊接速度，焊接速度越慢，靠近母材表面部分熔池就能吸收更多的能量，流動更加劇烈，從而使釘狀焊縫的上半部分截面積更大，而下半部分所代表的熔深則增加不明顯。

圖8 焊接速度對焊縫熔寬、熔深、束腰寬和束腰高的影響

（3）激光離焦量對接頭熔深和熔寬的影響 在激光功率為250W、焊接速度為1.6m/min的情況下，通過改變離焦量對厚度為1mm的430鐵素體不銹鋼進行焊接，所得的焊縫輪廓形貌如圖9所示。由圖9可知，厚度為1mm的430鐵素體不銹鋼薄板除了離焦量為-1mm和1mm試件外均未被焊透。焊縫輪廓形貌為釘子形。離焦量對焊縫熔寬、熔深、束腰寬和束腰高的影響如圖10所示。由圖10可得出，離焦量的減小僅會引起熔深和束腰高的明顯變化，而其對熔寬和束腰寬并不會產生明顯影響。

離焦量的變化除了會引起材料表面光斑大小的改變之外，還能改變激光束的入射方向，進而影響焊縫成形后的熔寬、熔深、束腰高和束腰寬[13]。當設置較大的離焦量時，屬于熔深很小的熱傳導焊；當減小離焦量到微孔產生時，此時熔深會發生跨越式的提升。此時需要注意的是，在離焦量絕對值相等的情況下，負離焦量會比正離焦量產生更大的熔深；經過思考可以理解，負離焦量時激光的焦點在金屬內部，材料更容易熔化、氣化，使激光能量更容易集中在工件內部。由圖10可知，離焦量的逐漸變化并不會顯著影響束腰寬的變化趨勢，因此可據此推斷，離焦量并不會對束腰寬產生較大的影響。

圖9 不同離焦量下的焊縫輪廓形貌

圖10 離焦量對焊縫熔寬、熔深、束腰寬和束腰高的影響

3.3 430鐵素體不銹鋼激光焊接頭顯微硬度分析

根據表5使用不同的焊接參數焊接試件，得到焊縫中心處的顯微硬度分布如圖11所示。由圖11可看出，焊接接頭的硬度為400～700HV，而母材的硬度約為200HV。焊縫中心的硬度約為625HV。硬度的最大值出現在熱影響區，可達688HV。硬度最低的位置是母材，其最小值為174HV；焊縫靠近熔合線位置的硬度和焊縫中心的硬度也大致相同，約為625HV。

圖11 使用不同焊接參數時焊件的顯微硬度

激光焊接頭的硬度與材料的形貌之間有著非常緊密的聯系。一般來說，材料的硬度受微觀結構、物相和晶粒尺寸的影響[14]。由于焊縫組織為柱狀鐵素體，母材組織為較粗大的等軸晶鐵素體，因此焊縫硬度高于母材。而熱影響區的硬度更高是因為在激光焊過程中，焊接溫度是由焊縫向外傳導的，在這個熱傳導過程中必然會有某塊區域處于400～600℃，當焊接完成后該區域在空氣中冷卻，相當于對鋼材進行回火，形成低溫熱影響區；焊后的顯微組織為硬脆的鐵素體組織+α-鐵素體+馬氏體+殘留奧氏體，會產生較大的焊接殘余應力，因此熱影響區硬度很高、韌性很差。

4 結束語

試驗采用激光對接焊的方法焊接厚度為1mm的430鐵素體不銹鋼薄板，采取了不同的焊接參數進行對比試驗，研究了不同的焊接功率、焊接速度、離焦量對430鐵素體不銹鋼焊接接頭形貌和力學性能的影響，主要得出以下結論。

1）激光焊接頭表面形貌美觀，得到了結構形態良好的焊縫。焊縫的微觀組織主要為柱狀鐵素體。

2）焊接參數的改變會直接導致熱輸入量發生改變，而熱輸入量變化帶來的就是焊接接頭形貌的變化。熱輸入量越大，焊接接頭氧化程度會越深，熔深由0.58mm加深到1mm，熔寬由0.65mm增大到1.56mm。

3）焊接參數的改變也能夠改變焊接接頭的力學性能，熱輸入量越大，焊縫冷卻時間越長，晶粒長大的時間也越長，導致抗拉強度由450MPa下降到388MPa。

4）焊接參數的改變對焊接接頭的顯微組織和力學性能影響較大，對于厚度為1mm的430鐵素體不銹鋼薄板，應采用合適的焊接功率、焊接速度與離焦量的參數匹配，可得到需要的焊接接頭形貌和力學性能。