董偉偉１,林 ?。?許海亮１,符寒光１,雷永平１,王細波２
(１．北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,北京 １００１２４;２．北京宇航系統(tǒng)工程研究所,北京 １０００７６)
摘 要:在不同激光功率(１４０~４２０ W)和焊接速度(１０~３０ mm??s－１)(即不同熱輸入)下對SUS３０４不銹鋼超薄片(厚度０．２mm)進行脈沖激光搭接焊,研究了熱輸入對焊縫成形的影響,并分析了最優(yōu)成形接頭的顯微組織和力學(xué)性能.結(jié)果表明:當(dāng)熱輸入在９~２０J??mm－１時可獲得成形良好的焊縫,其中在激光功率３２０ W、焊接速度２０mm??s－１(熱輸入１６J??mm－１)條件下的成形性能最優(yōu);最優(yōu)成形接頭焊縫中心為等軸晶組織,熔合線處為細小柱狀晶組織,近熔合線的焊縫中形成了胞狀樹枝晶;最優(yōu)成形接頭熔合線處的硬度最高,其次為焊縫區(qū);不同激光功率和焊接速度
所得接頭均在熱影響區(qū)發(fā)生斷裂,最優(yōu)成形接頭的抗拉強度最高,達到７９０．１MPa,接近于母材的,其拉伸斷裂方式為韌性斷裂.
關(guān)鍵詞:３０４不銹鋼超薄片;脈沖激光焊接;力學(xué)性能;搭接接頭;顯微組織
中圖分類號:TG４５６．７ 文獻標志碼:A 文章編號:１０００Ｇ３７３８(２０１９)０５Ｇ００３８Ｇ０５
０ 引 言
３０４奧氏體不銹鋼超薄板(厚度不大于０．２mm)已被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、微電子[１]和醫(yī)療器械等領(lǐng)域.不銹鋼雖然具有良好的焊接性能、耐腐蝕性能、耐熱性能和力學(xué)性能[２Ｇ３],但是其超薄板厚度很小,熱導(dǎo)率低、線膨脹系數(shù)小,因此在采用傳統(tǒng)焊接方式焊接時易出現(xiàn)較大的焊接變形以及燒穿等問題[４].
激光焊接作為一種高能束焊接方法,和傳統(tǒng)焊接方式相比,具有熱輸入小、熱影響區(qū)小、接頭強度高等優(yōu)點,并且激光束聚焦光斑小、定位準確,可通過調(diào)節(jié)脈沖參數(shù)(脈沖頻率和占空比)更精準地控制熱輸入、減小工件變形.這些特點使得脈沖激光焊接更適合于超薄板的精密焊接[５Ｇ７].
近年來,學(xué)者們對不銹鋼超薄板的激光焊接工藝進行了大量研究.陳玉華等[８]采用微型脈沖激光實現(xiàn)了０．２mm 厚３２１不銹鋼片的對接焊,研究了脈沖功率和脈沖頻率對成形性能的影響,結(jié)果表明當(dāng)脈沖功率分數(shù)為１２％時,在較寬的脈沖頻率范圍內(nèi)都能獲得成形良好、無缺陷的焊縫.葉慶豐等[３]研究了０．１mm 厚３２１不銹鋼搭接激光焊工藝,確定接頭焊縫成形及力學(xué)性能均最好的工藝參數(shù)為焊接速度 ０．５ m??min－１、激 光 功 率 １５０ W.陳 俊 科等[９]對０．７ mm 厚 ３０４ 不銹鋼片進行連續(xù)激光焊接,研究了激光功率和焊接速度對焊接質(zhì)量的影響,結(jié)果表明:激光功率對熔深有較大影響,焊接速度對熔寬有較大影響;接頭顯微硬度分布不均勻,呈“M”形變化,熔合區(qū)顯微硬度最大.然而,目前國內(nèi)外有關(guān) SUS３０４不銹鋼超薄片脈沖激光焊接工藝及接頭組織、性能的研究較少,工藝參數(shù)對接頭宏觀形貌及力學(xué)性能的影響規(guī)律尚不清楚.因此,作者對０．２ mm 厚 SUS３０４不銹鋼超薄片進行了脈沖激光搭接焊,探索了形成良好搭接接頭的工藝窗口,確定了接頭最優(yōu)成形時的工藝參數(shù)并對最優(yōu)成形接頭的顯微組織與拉伸性能進行了分析,為SUS３０４奧氏體不銹鋼超薄板激光脈沖焊接工藝研究提供依據(jù).
１ 試樣制備與試驗方法
１．１ 試樣制備
焊接母材為軋制態(tài) SUS３０４不銹鋼超薄片(厚度０．２mm),由撫順特殊鋼股份有限公司提供,化學(xué)成分見表１.
在SUS３０４不銹鋼超薄片上截取尺寸為１００mm×１００mm×０．２mm 的待焊試樣,用丙酮清洗焊接面以去除油污[７],酒精清洗并吹干.使用 YLRＧ６０００型光纖激光器進行脈沖激光焊接,焊接方式如圖１所示.用氣動夾具將待焊試樣進行搭接固定,以防止焊接過程中試樣發(fā)生波狀變形;使用高純氬氣對施焊面進行側(cè)向保護,保護氣體流量為１５L??min－１.由前期試驗結(jié)果確定焊接參數(shù)為:離焦量０,焦點處光斑直徑０．３mm,脈沖頻率１５００Hz,占空比５０％,激光功率１４０~４２０ W,焊接速度１０~３０mm??s－１.采用單因素法,基于接頭成形性能確定焊接工藝窗口.
１．２ 試驗方法
用丙酮和 酒 精 清 洗 焊 縫,采 用 著 色 滲 透 法 檢測焊縫裂 紋.選 擇 表 面 無 微 觀 裂 紋 的 接 頭,垂 直于焊接方向 線 切 割 出 橫 截 面 金 相 試 樣,取 樣 位 置如圖 １ 所 示,經(jīng) 熱 鑲 嵌、硫 酸 銅 溶 液 腐 蝕 后,在OlympusUＧMSSP型光學(xué)顯微鏡上觀察截 面 形 貌和顯微 組 織.對 熱 鑲 嵌 試 樣 截 面 進 行 磨 拋 處 理后,采用 THVＧ１MD型自動轉(zhuǎn)塔數(shù)顯顯微硬度計測焊縫橫截面顯微硬度,載荷１．９６１N,保載時間１０s,每隔 ０．１ mm 取 點 測 試. 根 據(jù) GB/T ２２８．１－２０１０,在接頭上加工出如圖２所示的拉伸試樣,取樣位置如圖１所示,在 CMT５５０４型微機控制電子萬能 試 驗 機 上 進 行 室 溫 拉 伸 試 驗,加 載 速 率 為１ MPa??s－１.利用 FEIＧQuanta２００型掃描電鏡觀察斷口形貌.
２ 試驗結(jié)果與討論
２．１ 焊接工藝參數(shù)的確定
２．１．１ 焊接工藝窗口
熱輸入的計算公式為
式中:q 為熱輸入;P 為激光功率;v 為焊接速度.由圖３結(jié)合式(１)可知,當(dāng)熱輸入在９~２０J??mm－１時,能夠形成宏觀成形良好的搭接接頭.當(dāng)焊接速度為２０mm??s－１且激光功率低于１８０ W 時未能形成搭接接頭,而激光功率為４２０ W 時焊縫出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象;當(dāng)焊接速度為１０ mm??s－１ 時,激光功率 增至２２０ W焊縫就因熱輸入過大而出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象;當(dāng)焊接速度為３０ mm??s－１ 時,在較高激光功率下才能得到成形良好的焊接接頭.
由４可以看出,著色滲透后焊縫處無紅色痕跡出現(xiàn),表明焊縫表面無裂紋缺陷.
２．１．２ 焊接參數(shù)對接頭成形性能的影響
由圖５(a)~圖５(e)可以看出:當(dāng)焊接速度為２０mm??s－１、激光功率不低于１８０ W 時,接頭完全熔透,并且未產(chǎn)生氣孔和裂紋等焊接缺陷;熔透焊縫的截面形狀分為倒梯形和矩形兩種,當(dāng)激光功率在１８０~２００W 時,焊縫截面上寬下窄,呈倒梯形,當(dāng)激光功率為３２０ W 時,焊縫截面近似上下等寬,呈矩形,當(dāng)激光功率高于３２０ W 時,焊縫上部寬度明顯增加,中部及背部寬度減小,截面形狀仍為倒梯形.對比圖５(d)和圖５(f)可知,在激光功率３２０ W 下,當(dāng)焊接速度由２０mm??s－１增至３０mm??s－１時的熱輸入降低,導(dǎo)致焊縫中部和背部寬度減小,焊縫截面形狀由矩形變?yōu)榈固菪?
由表２可以發(fā)現(xiàn),在激光功率３２０W、焊接速度２０mm??s－１下焊接后,接頭上、中、下部的熔寬相近.由圖６可知:隨著熱輸入的增加,接頭上部熔寬增大,中部和背部熔寬先增大后減小再增大,當(dāng)熱輸入為１６J??mm－１ 時,接頭上、中、下 部 的 熔 寬 近 似 相等,接頭成形性能最好.綜上,在激光功率３２０ W、焊接速度２０mm??s－１(熱輸入１６J??mm－１)下焊接接頭的成形性能最好.
２．３ 截面顯微硬度分布
由圖８可以看出:接頭母材的硬度在２１０ HV左右,焊縫區(qū)硬度在２１０~２４０HV 之間,高于母材的;熔合線處硬度最高,越接近于焊縫中心,硬度越低.激光焊接時的冷卻速率快,使得焊縫區(qū)形成了更細小的組織,因此其硬度高于母材的;而在熔池快速結(jié)晶過程中,合金元素向母材區(qū)擴散受阻,在熔合線處聚集,導(dǎo)致熔合線處的硬度最高[３].
２．４ 拉伸性能及斷口形貌
母材的抗拉強度為７９１．３MPa.不同激光功率和焊接速度所得接頭試樣均在焊接熱影響區(qū)發(fā)生斷裂,說明焊接接頭的強度薄弱區(qū)在焊接熱影響區(qū)中,而 焊縫的承載能力較強.由圖９可以看出:在焊接由圖１０可以看出,接頭拉伸斷口由細小韌窩組成,韌窩數(shù)量多且深,說明接頭在斷裂前受力均勻,并發(fā)生了明顯的塑性變形,其塑性和韌性較好,斷裂機制為微孔聚集型斷裂.在外加載荷作用下,接頭組織內(nèi)的晶界及亞晶界處產(chǎn)生位錯堆積,造成應(yīng)力集中,導(dǎo)致在塑性變形區(qū)內(nèi)形成顯微空洞;隨后空洞聚集、長大,相互連接后導(dǎo)致斷裂[１１].
３ 結(jié) 論
(１)當(dāng) 熱 輸 入 在 ９~２０J??mm－１ 時 均 可 實 現(xiàn)０．２mm厚SUS３０４不銹鋼薄片的脈沖激光搭接焊;當(dāng)激光功率為３２０ W、焊接速度為２０mm??s－１(熱輸入１６J??mm－１)時,焊縫截面形狀為矩形,上中下的寬度近似相等,接頭成形性能最優(yōu).
(２)成形性能最優(yōu)接頭的焊縫中心為等軸晶組織,熔合線處為細小柱狀晶組織,近熔合線焊縫中則形成了胞狀樹枝晶;由于激光脈沖焊接時的熱輸入較小,熱影響區(qū)范圍很窄.
(３)接頭熔合線處的硬度最高,焊縫區(qū)硬度高于母材的.不同激光功率和焊接速度所得接頭均在熱影響區(qū)發(fā)生斷裂;隨著激光功率的增加,接頭的抗拉強 度呈先增后降再增再降的變化趨勢;當(dāng)激光功率為３２０ W、焊接速度為２０mm??s－１時接頭的抗拉強度最高,達到７９０．１ MPa,接近于母材的,其拉伸斷裂方式為韌性斷裂.