噴丸和等離子噴涂對(duì)不銹鋼激光焊接組織和性能的影響

田志平，高海生

（沈陽煤業(yè)（集團(tuán)）機(jī)械制造有限公司，遼寧 沈陽 110123）

引言

傳統(tǒng)的焊接工藝在焊接效率、高熱量輸入和焊接熔深方面存在局限性[1]。激光束焊接由于焊接熔深低，熱輸入低，焊接效率高[2]，因此被用作促進(jìn)焊接工藝。全奧氏體不銹鋼焊接的主要問題是熱裂紋和影響產(chǎn)品性能、幾何形狀的殘余應(yīng)力。

本文采用激光束焊接2 mm厚超奧氏體不銹鋼板材噴丸處理的等離子噴涂方法對(duì)不銹鋼激光焊接組織和性能的影響進(jìn)行研究。采用激光束焊接超奧氏體不銹鋼薄板，獲得了較低的熱輸入、焊接速度和焦距。采用了等離子噴涂方法提高了冶金和機(jī)械性能。在熔合區(qū)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，在As焊件、噴丸焊件和等離子噴涂焊件中計(jì)算了連接強(qiáng)度。

1 超級(jí)奧氏體不銹鋼板的實(shí)驗(yàn)研究

采用激光束焊接方法對(duì)150 mm×150 mm×2 mm厚的超級(jí)奧氏體不銹鋼（SASS）板材進(jìn)行了研究。通過激光束焊接在基材的兩側(cè)施加低熱輸入。全穿透深度采用束流功率900 W、焊接速度250 mm/min、焊接焦距8 mm的工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)。利用光學(xué)顯微鏡（OM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、能量色散X射線（EDAX）和X射線衍射技術(shù)（XRD），在熔合區(qū)、熱影響區(qū)和基底金屬進(jìn)行了冶金研究。

2 結(jié)果和分析

2.1 基材

對(duì)于母材奧氏體不銹鋼，觀察到60%的奧氏體和40%的鐵素體。微觀結(jié)構(gòu)研究取決于奧氏體和鐵素體邊界結(jié)構(gòu)。母材C、Cr、Mn、Ni和氧氣的化學(xué)成分較高，這增加了環(huán)境條件下的腐蝕速率。熱輸入應(yīng)用于母材，奧氏體α相轉(zhuǎn)化為孿晶界。與鐵素體（α）邊界相比，奧氏體（γ）邊界產(chǎn)生了主要的分裂，而母材上沒有形成其他裂紋。

2.2 焊件和噴丸焊件激光焊接的冶金研究

熔合區(qū)未形成裂紋。熔合區(qū)采用了低熱輸入，但奧氏體晶界轉(zhuǎn)變?yōu)閷\晶界和相結(jié)構(gòu)。鐵、碳、鉻、錳元素是α相的決定因素，因?yàn)棣?β相轉(zhuǎn)化為α'馬氏體結(jié)構(gòu)。在激光焊接過程中，奧氏體生長(zhǎng)加快，熔合區(qū)和熱影響區(qū)的鐵素體晶界速率逐漸降低。鐵素體含量比的相位通過使用母材的低熱輸入而降低，而基本元素特性沒有產(chǎn)生重大變化.在熔合區(qū)和熱影響區(qū)實(shí)施的快速冷卻方法是形成優(yōu)質(zhì)焊接件的氧還原的主要原因。熔合區(qū)未形成CrN和Cr2N，晶界增大，材料含氧量降低。噴丸處理后，晶界生長(zhǎng)增加，而且粗晶界恢復(fù)為孿晶界和α'馬氏體。

2.3 等離子涂層焊接件的冶金研究

與噴丸焊接件相比，等離子涂層樣品中觀察到更多的晶界生長(zhǎng)。8 mm噴丸焊件的體積逐漸增加，盡管12 mm PS涂層焊件的尺寸增加了晶粒生長(zhǎng)厚度，高熱量輸入應(yīng)用于熔合區(qū)，而通過α'奧氏體恢復(fù)為α'馬氏體和B相。PS涂層材料減少了熔合區(qū)的氧元素，這是熔合區(qū)、熱影響區(qū)和母材處孔洞和內(nèi)部裂紋矯正的原因，因?yàn)樾纬闪甩?馬氏體和β'第二相。

2.4 焊件的力學(xué)性能

2.4.1 硬度測(cè)量

如下頁圖1所示，作為焊接件，觀察到熔合區(qū)的硬度值（HV）為235，這是由于奧氏體重新形成孿晶界和粗晶界[3]。熱輸入使粗晶界坍塌，轉(zhuǎn)變?yōu)棣?奧氏體顯微組織，從而使熱影響區(qū)的硬度值（HV）降低到210。熔合區(qū)的噴丸工藝改善了晶粒生長(zhǎng)，并形成了孿晶界，在該孿晶界處，噴丸焊接件的平均熔合區(qū)硬度值（HV）在284下獲得。熱影響區(qū)的硬度值（HV）為268，由于熱影響區(qū)的硬度值降低，奧氏體和孿晶界轉(zhuǎn)變?yōu)榇渭?jí)奧氏體。噴丸焊件的硬度值與焊接狀態(tài)焊件相比提高了11%。

圖1 激光束焊接超奧氏體不銹鋼焊件、噴丸焊件和等離子涂層焊件的維氏顯微硬度

在PS涂層焊件的熔合區(qū)，硬度值（HV）達(dá)到321。由于在PS焊接件的熔合區(qū)和熱影響區(qū)施加高熱量輸入，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體和B相。PS涂層焊接件的硬度值比焊接態(tài)焊件的硬度值提高了23%。硬度值測(cè)量表明，大部分失效形成于熱影響區(qū)。

2.4.2 拉伸分析

如圖2所示，所有拉伸失效均發(fā)生在熱影響區(qū)，熔合區(qū)顯示出比熱影響區(qū)更好的接頭強(qiáng)度，因?yàn)榇蟛糠志Ы缟L(zhǎng)恢復(fù)為粗晶界和α'奧氏體結(jié)構(gòu)[4]。焊態(tài)焊件的抗拉強(qiáng)度達(dá)到856 MPa，表明其延伸強(qiáng)度高于同質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。噴丸焊接件的抗拉強(qiáng)度為955 MPa，熔合區(qū)和熱影響區(qū)未形成其他裂紋和孔洞。如圖3所示，在熔合區(qū)、熱影響區(qū)和母材上實(shí)施了雙面噴丸方法，以減輕材料的內(nèi)應(yīng)力，并改善熔合區(qū)的機(jī)械性能和微觀結(jié)構(gòu)。噴丸處理后，熔合區(qū)硬度值緩慢增加，奧氏體晶界組織轉(zhuǎn)變?yōu)棣?馬氏體和O相，噴丸焊件的延伸強(qiáng)度比焊接態(tài)焊件提高了13%。

圖2 激光焊接超奧氏體不銹鋼板的殘余應(yīng)力圖像

圖3 超奧氏體不銹鋼薄板的熔合區(qū)出現(xiàn)了所有斷裂的拉伸

PS涂層焊接件的抗拉強(qiáng)度達(dá)到1 012 MPa。與焊態(tài)焊接件相比，PS涂層焊接件的延伸強(qiáng)度提高了26%。由于在熔合區(qū)、熱影響區(qū)和母材中應(yīng)用PS涂層，孔洞和裂紋被清除。噴丸和PS涂層有助于降低內(nèi)應(yīng)力，從而增加焊接件的伸長(zhǎng)率。

2.4.3 彎曲分析

由于奧氏體晶界轉(zhuǎn)變?yōu)棣?馬氏體和S形，在熔合區(qū)和熱影響區(qū)未觀察到裂紋和孔洞的形成。激光焊接的低熱輸入不影響晶界和相結(jié)構(gòu)，而α'奧氏體強(qiáng)度在熔合區(qū)被放大。熔合區(qū)的殘余壓應(yīng)力增加了熔合區(qū)和熱處理區(qū)的硬度值，影響區(qū)和α'奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閷\晶界和B相。熔合區(qū)、熱影響區(qū)和母材的嚴(yán)重噴丸處理過程糾正了裂紋、孔洞和韌窩。熔合區(qū)的硬度值高于母材的硬度值。等離子涂層焊件在熔合區(qū)和熱影響區(qū)的高熱輸入使奧氏體晶界完全恢復(fù)為α'馬氏體和β/β'相,未在熔合區(qū)產(chǎn)生CrN和Cr2N。彎曲試驗(yàn)分析觀察表明，焊件、噴丸焊件和等離子涂層焊件中未形成其他裂紋。

3 結(jié)論

1）激光束焊接的顯微組織研究表明，由于在熔合區(qū)應(yīng)用低熱量輸入，α奧氏體晶界轉(zhuǎn)變?yōu)閷\晶界和α'馬氏體組織。

2）在等離子涂層焊接件中，高熱量輸入降低了材料的含氧量，粗晶界和α/β奧氏體界轉(zhuǎn)變?yōu)锽相和O相。

3）等離子涂層焊接件的硬度值在焊接件中顯示出23%的提高值，這是由于熔合區(qū)鐵素體相的變化以及大量熱輸入將奧氏體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為α'-Cr，α'-Mo層。

4）拉伸失效表明，等離子涂層焊件和噴丸焊件的延伸率分別比焊態(tài)焊件提高26%和13%，斷口形貌顯示微空洞、韌窩和主要空洞。

5）彎曲研究表明，所有焊接件中均未產(chǎn)生其他裂紋和孔洞，因此，噴丸焊接件、PS涂層焊接件和母材中未形成CrN和Cr2N。