304不锈钢薄板激光焊搭接接头组织及性能

霍宏伟，胡海军，李治国，周灵军

（兰石换热设备有限责任公司，甘肃兰州730310）

304不锈钢薄板激光焊搭接接头组织及性能

霍宏伟，胡海军，李治国，周灵军

（兰石换热设备有限责任公司，甘肃兰州730310）

研究0.8 mm厚度304不锈钢薄板的搭接连续激光焊工艺，分析接头的显微组织和部分力学性能。与电阻缝焊接头进行比较，结果表明：激光焊成形良好，在适当的工艺规范下，激光焊和电阻缝焊的水压试验都可以达到8.0 MPa；激光焊的热影响区更窄并且焊缝中组织为奥氏体；较电阻缝焊焊缝呈更均匀、细小的柱状晶；两种焊接方法的拉伸剪切试验的断裂位置均位于母材。

板式换热器；304不锈钢薄板；激光焊

0　前言

焊接式板式换热器由于换热效率高、结构可靠、工作压力高等特点，广泛应用于化工、食品等行业。其原理是将成型板片组合焊接成为板对，再将板对组装成换热芯体，这样就形成了板对内和板对间两侧流道，不同的换热介质分别流经两侧流道以达到热交换的目的。成型板片由耐腐蚀材料的薄板（通常小于等于1 mm）压型而成。304不锈钢作为奥氏体不锈钢的一种，耐腐蚀性优良、无磁性、具有韧性和塑性较高等特点，大量应用于容器、机械、航空航天、医疗器械、核工业等领域[1]，是焊接式板式换热器成型板片的常用材料，板对的焊接要兼顾效率和焊接质量。焊接式板式换热器板对焊接结构如图1所示。

图1　焊接式板式换热器板对焊接结构Fig.1Welded plate heat exchanger set welding structure

在焊接式板式换热器的板对焊接中，电阻缝焊是应用成熟的工艺方法。电阻缝焊能够满足薄板搭接接头的力学性能、较小的焊接变形，但对工艺规范敏感性高，电极压力、焊接电流、预热电流、电极厚度等工艺参数稍有偏差就会影响接头质量。对一些特殊材料的焊接尚无能为力。在应用中存在保护问题——焊道表面呈紫黑色；随着板式换热器产品的升级，要求焊接设备大型化，而电阻缝焊设备需要水冷却系统来控制焊接变形问题，水冷却系统要求整条生产线零部件为不锈钢材质，成本高；焊接过程不环保、自动化程度较低，在焊接之前需要大量的人工干预；也存在焊缝不够美观、焊接效率较低等方面的问题。基于以上原因，迫切需要更好的焊接方法应用于焊接式板式换热器板对的焊接中。

随着激光器的价格降低，激光焊技术越来越成熟，为激光焊在板对焊接中的应用提供了条件。激光焊技术具有以下优点[2]：热输入量小，熔池深宽比大，热影响区小，工件收缩变形较小；焊接具有连续性和可重复性；焊道窄表面质量好，焊缝强度高；对于准确定位的焊缝易于实现自动化；激光控制器比较灵活，焊接速度快，后续处理工序简单。因此，激光焊工艺在换热器板对的焊接中应用有很大的潜力。

1　试验方法

使用0.8 mm厚度的304不锈钢薄板，采用平板搭接方式，其化学成分如表1所示。施焊前用丙酮去除表面油污，干燥后用细砂纸轻微打磨去除试样接头的氧化膜。

表1　试验用304不锈钢化学成分Tab.1Chemical composition of 304 stainless steel％

使用的进口激光器标准输出功率为3 kW。通过改变工艺参数，以获得最佳的焊接质量。综合考虑焊接成形和背面熔透量，选择的焊接规范参数：功率P=1 300 W，焊接速度v=2 m/min，离焦量f=0 mm。将接头制成试样，采用金相显微镜进行组织分析，并焊接水压试样和拉伸剪切试样。

2　试验结果和分析

2.1焊接接头显微组织

利用金相显微镜观察焊接接头的金相组织形貌，如图2、图3所示。由图2可知，304母材是完全的奥氏体组织。由图3可知，焊缝热影响区非常窄，经测量热影响区宽度10～15 μm。在热影响区与母材间不存在晶粒粗大的现象，焊缝的物相组成为奥氏体，呈铸态组织，沿着熔池最大温度梯度方向生长的柱状晶，均匀细小。

图2　304母材的显微组织Fig.2Micro structure of 304 stainless steel

图3　激光焊焊缝的显微组织Fig.3Micro-structure of weld joint LBW

在激光焊过程中，由于激光加热范围小，温度梯度较大，热量主要靠热传导作用向外扩散。因此焊缝冷却速度快，焊缝金属处于一个快速熔合和冷却凝固的过程，熔池的液态金属的温度梯度和过冷度很大。激光焊过程中，焊缝金属由固态加热至液态后，高温停留时间短，限制了奥氏体晶粒的长大，使得焊缝晶粒细小。文献[3]认为焊缝中心等轴晶的合金元素含量较母材熔合线处含量小，因而中心部位的过冷度较大，有利于等轴晶的形成。

304不锈钢在电阻缝焊工艺下获得的焊缝形貌为扁而长的椭圆形熔核，其焊缝组织为柱状晶组织，如图4所示，这种焊缝截面形貌是由电阻焊的热源特点所决定的。电阻焊是由电流通过母材产生热量，属于内部热源，它使整个焊接区域发热，开始时受到边缘效应的影响，贴合面处温度首先升高，通电一段时间后该区域温度继续升高，这是由于电阻的增大。焊接区域各处由于加热不均匀产生绕流现象而使电流场形态发生改变。z方向上靠近电极区域的金属受到电极的强烈冷却作用，温度升高较小，这样使贴合面上的一些接触点发生熔化。继续通电，电流通过熔化金属附近的母材，继续对焊接区中心部位加热，同时此区域因散热困难继续升温。延长通电加热时间，由于热传导的结果，焊接温度场进入准稳态，最终获得横截面为椭圆形的熔核[4]。由电阻缝焊焊缝的金相照片可以看出，在椭圆长周方向上，两侧的热影响区宽度很大，经测量可以达到240μm，而此处热影响区与母材过渡区域存在明显的粗晶区。从熔核长轴方向到z方向，热影响区呈宽度减小的趋势，最小处宽度30～50 μm，粗晶区也越来越不明显。根据晶体生长理论，晶体生长方向总是沿着焊接熔池中温度梯度最大的方向，垂直于熔合线。电阻缝焊时内部热量增多温变升高，晶体在生长时侧面受到彼此的限制不能侧向生长，只能沿着散热方向生长，从而形成相对粗大的奥氏体柱状晶。

图4　电阻缝焊焊焊缝的显微组织Fig.4Micro-structure ofweldjointresistanceseamwelding

2.2水压试样和拉伸剪切试验

对于两张板叠加的搭接接头，在实际工况下需要一定的承压能力，分别对两种焊接方法进行水压试验。试样制备如图5所示，将两块150mm×150 mm试板叠加在一起，在上面一块板中央先钻孔，将试件沿周边焊接以密封试件间空隙，在上面板孔上焊接一个管接头。在试件间空隙中以水加压。

图5　水压试样Fig.5Hydrostatic test sample

激光焊工艺和电阻缝焊工艺的水压试验均可达到8.0 MPa，如图6、图7所示，说明两种接头能够满足一些承压产品的要求。

图6　激光焊水压试验Fig.6Hydrostatic test sample of LBW

图7　电阻缝焊水压试验Fig.7Hydrostatic test sample of resistance seam welding

拉伸剪切试样按图8制备，试样采用线切割加工，并用砂纸打磨，以消除线切割加工对试验的影响。使用万能试验机分别对激光焊和电阻缝焊的试样进行拉伸剪切试验。断裂位置均位于母材，见图9、图10。

图8　拉伸剪切试样Fig.8Tensile shear test sample

3　结论

（1）对于0.8 mm厚度的304不锈钢薄板激光焊搭接接头，其焊缝与母材熔合良好，是完全的奥氏体组织，具有相对电阻缝焊更为均匀细小的柱状晶形态，热影响区窄。

图9　电阻缝焊拉伸剪切试验Fig.9Tensile shear test sample of resistance seam welding

图10　激光焊拉伸剪切试验Fig.10Tensile shear test sample of LBW

（2）对于焊接式板式换热器的板对焊接来说，激光焊搭接焊缝足以替代电阻缝焊，水压试验均能达到8.0 MPa，拉伸剪切试验断裂位置均位于母材处。

[1]张维哲.基304薄板激光焊接技术研究[D].大连：大连理工大学，2009.

[2]刘其斌.激光加工技术及其应用[M].北京：冶金工业出版社，2007.

[3]阎小军,杨大智，刘黎明.316L不锈钢薄板脉冲激光焊工艺参数及接头组织特征[J].焊接学报，2004，25（3）：121-123.

[4]雷世明.焊接方法与设备[M].北京：冶金工业出版社，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

霍宏伟(1987—)，男，甘肃人，硕士，主要从事压力容器与板式换热器的焊接工作。