304不锈钢激光搭接焊接头的组织及力学性能

陈英杰，朱加雷，焦向东

（北京石油化工学院 机械工程学院,北京 102617）

304不锈钢激光搭接焊接头的组织及力学性能

陈英杰，朱加雷，焦向东

（北京石油化工学院 机械工程学院,北京 102617）

采用脉冲激光焊技术焊接304不锈钢薄板。利用光学显微镜、扫描电镜、万能试验机等分析检测手段，研究304不锈钢焊接接头的微观组织特点及激光功率对接头组织及力学性能的影响规律。结果表明，焊缝中心为细小的等轴晶，焊缝边缘为柱状晶组织，热影响区不明显。随着激光功率的增加，焊缝抗拉强度增大。激光功率为2.6 kW时，焊缝抗拉强度达到最大值491.7 MPa。继续增加激光功率，焊缝组织粗化，焊接接头抗拉强度降低。拉伸试样均在焊缝处发生断裂，焊缝中心是焊接接头最薄弱的部位。

激光焊；304不锈钢；激光功率；微光组织；力学性能

0 前言

不锈钢具有强度高、耐腐蚀性强，免涂装、耐高温、重量轻、维护少等优点，广泛应用于城轨车辆[1]。不锈钢车体侧墙主要采用骨架加蒙皮的结构，二者之间采用搭接方式。由于不锈钢热导率低、线膨胀系数大，为了减小焊接变形，焊接过程中要采用线能量较小的焊接工艺。目前，不锈钢车体的制造主要有电阻点焊、熔焊、激光焊接等工艺方法。传统的电阻点焊能有效降低车体的焊接变形，但焊点处残留的压痕极大降低了车体的外观质量。激光焊作为一种高能束焊接方法，具有焊接速度快、热影响区小、工件变形小、焊道表面质量好、焊缝强度高等优点。与成熟的电阻焊工艺相比，激光焊成形良好，焊缝组织更加均匀、细小，力学性能更好，焊后车体变形小，且侧墙外表面没有明显的焊道痕迹，极大改善了车体外观质量，节约了生产成本[2-3]。

本研究针对不锈钢薄板进行搭接焊试验，通过分析焊接接头的微观组织特征及力学性能，探索激光功率对焊接接头质量的影响规律。

1 试验材料、设备及方法

实验材料为冷轧SUS304奥氏体不锈钢板，钢板尺寸300 mm×40 mm×1.5 mm。实验设备为美国IPG YLS-4000型光纤激光器，额定输出功率4 kW，光束波长1 070 nm，光纤芯径0.2 mm，焦距300 mm。

实验采用连续脉冲激光焊，利用激光的高热输入对1.5 mm厚不锈钢板进行搭接焊实验。焊前用砂纸清理表面，用丙酮除油。焊接过程中采用纯氩气侧向加气保护，气体流量20 L/min。

利用控制单一变量的方法研究激光功率对焊缝成形、微观组织和抗拉强度的影响，激光搭接焊工艺参数见表1。焊接完成后，用线切割截取焊缝横截面，利用金相显微镜进行微观组织分析，利用扫描电镜观察焊缝及断口微观形貌，利用万能拉伸试验机进行拉伸试验。

表1 激光焊接工艺参数Table 1 Laser welding parameters

2 试验结果分析

2.1 不同激光功率下的焊缝宏观形貌

焊接速度为3 m/min，激光功率分别为2.2 kW、2.4 kW、2.6 kW、2.8 kW、3.0 kW时焊缝的正面和背面宏观形貌如图1所示。由图1可知，焊缝接头成形良好，焊缝较窄，焊道美观，飞溅较少。激光功率为2.2 kW时，焊缝正面成型良好，背面未熔透；随着激光功率增大，焊接线能量提高，激光功率为2.8kW时，背面开始出现熔透位置；激光功率为3.0 kW时，焊缝完全熔透，焊缝背面出现明显的黑色焊道痕迹。

图1 不同激光功率下的焊缝表面形貌Fig.1 Weld join appearance with different laser powers

2.2 焊接接头微观组织

304不锈钢焊接接头微观组织照片如图2所示。由于激光焊接速度快，熔池凝固为非平衡凝固，热影响区很窄。熔合区边界有明显的熔合线，焊缝中心晶粒垂直于焊缝中心结晶生长。由于焊道窄，冷却速度快，基体组织重新结晶形核，液相组织依附于未熔化母材金属晶粒形核生长，形成联生结晶，在焊缝中心形成细小、均匀的等轴晶。焊缝边缘为柱状树枝晶，垂直于熔合线。在热影响区，由于焊接热作用，母材组织发生再结晶，形成粗大的等轴晶[4-5]。

激光功率为2.4 kW、2.6 kW、2.8 kW、3.0 kW时焊接接头熔合区的显微组织如图3所示。激光功率较低时，传热速度快，主要以热传导方式沿母材的负温度梯度方向散失，液态金属冷却凝固形成细小的枝晶组织[6]。随着激光功率增大，散热速度减小，过冷度降低，枝晶区域变大，熔合线附近枝晶粗大，焊缝和母材交界处逐渐出现明显的热影响区，随着激光功率的增加热影响区晶粒明显粗化[7]。

2.3 焊接接头的抗拉强度

不同激光功率下焊接接头抗拉强度测试结果如图4所示。当焊接速度一定时，激光功率是影响焊缝的主要因素。激光功率为2.4 kW时，线能量较低，不锈钢板未焊透；当激光功率达到2.6 kW时，焊缝抗拉强度达到最大值491.7 MPa；继续增大激光功率，焊接线能量增大，不锈钢板完全熔透，焊缝组织晶粒粗大，如图5所示，焊缝处的承载能力降低，焊缝抗拉强度降至341.7 MP；焊缝抗拉强度均低于母材，所有拉伸试样均在焊缝处发生断裂。从焊缝断口形貌可以发现，焊缝区域存在大量大小不一的等轴韧窝，为典型的韧性断裂，且产生了大小不一的气孔，降低了焊缝处的力学性能。焊接接头断口形貌如图6所示。

图2 焊接接头微观组织Fig.2 Microstructure of welded joint

图3 不同激光功率下的焊接接头熔合区显微组织Fig.3 Fusion zone microstructure of welded joints with different laser powers

图4 不同激光功率下的焊接接头的抗拉强度Fig.4 Tensile strength of welded joints with different laser powers

图5 不同激光功率下的焊缝中心显微组织Fig.5 Microstructure of welding center with different laser powers

图6 焊接接头断口形貌Fig.6 Tensile fracture appearance of welded joint

3 结论

（1）对304不锈钢板进行脉冲激光搭接焊，其焊缝与母材结合良好，焊缝成形美观。在焊接速度为3 m/min，离焦量为2 mm，激光功率分别为2.4 kW、2.6 kW、2.8 kW、3.0 kW的条件下，304不锈钢薄板搭接焊接头的焊缝中心为细小、均匀的等轴晶，焊缝边缘为柱状晶组织，热影响区不明显。随着激光功率的增加，焊缝晶粒粗化。

（2）不同激光功率下的304不锈钢板接头抗拉强度不同，激光功率为2.6 kW时，焊接接头的抗拉强度达到最大值491.7 MPa，均低于母材强度，拉伸试验均在焊缝处发生断裂，焊缝中心是焊接接头最薄弱的部位。

[1]王雪芳，蒋正光，袁立祥，等.城轨车辆不锈钢车体制造技术研究[J].电力机车与城轨车辆，2012，35（3）：76-78.

[2]朱加雷，徐世龙，焦向东，等.304不锈钢薄板激光搭接焊工艺研究[J].激光与光电子学进展，2015，52（7）：154-158.

[3]霍宏伟，胡海军，李治国，等.304不锈钢薄板激光焊搭接接头组织及性能[J].电焊机，2016，46（3）：44-47.

[4]王洪潇，史春元，王春生，等.铁道客车用SUS301L不锈钢非熔透型激光搭接焊工艺[J].金属锻造焊技术，2009，38（19）：136-139.

[5]李洪梅，孙大千，王文权，等.奥氏体不锈钢丝激光焊接头的组织与力学性能[J].焊接学报，2009，30（6）：72-74.

[6]杨立军，孙贵铮，王金杰，等.A304不锈钢薄板激光焊工艺试验研究[J].电焊机，2011，41（1）：67-68.

[7]郭国林，杨莉，柳健，等.激光功率对304不锈钢薄板搭接接头组织和性能的影响[J].热加工工艺，2016，45（9）：213-215.

发送消息时，与其他网络协议相仿，此处不再赘述。

3 实验验证

编码完成后，在宿主机上进行交叉编译，然后下载到飞凌OK335xD目标板。试验中测试以下功能：界面输入，数据库查询，网络更新和CAN通信等。经过反复地调试与修改，实现了预期功能。

4 结论

介绍了一种焊接人机界面的方案。在AM3354有限的硬件资源上，实现了人机交互界面、数据库查询、FTP网络升级和CAN总线通讯等功能。详细讨论焊接电源人机界面的实现方法和Linux系统中的Socket CAN驱动程序的实现方式。实验证明，该方案能完成预期功能，可为相关工作提供参考。

图9 实验结果

参考文献：

[1]Fronius China Trading Co.Ltd.我们的产品［EB/OL］.http：//www.fronius.cn.

[2]杨通，黄延龄，张光先.数字化的逆变弧焊电源[J].电焊机，2009，39（2）：11-17.

[3]Texas Instruments Incorporated.AM335x ARMRCortexTMA8 Microprocessors(MPUs)Technical Reference Manual [Z].Dallas：Texas Instruments Incorporated，2013.

[4]霍亚飞.Qt Creator快速入门[M].北京：北京航空航天大学出版社,2012:408-416.

[5]lxr.linux.no.Readme file for the Controller Area Network Protocol Family(aka Socket CAN)［EB/OL］.http://lxr.linux.no/linux+v2.6.34/Documentation/networking/can.txt.

[6]姚琳，吴国伟，毕成龙.深入理解Linux驱动程序设计[M].北京：清华大学出版社，2015：88-89.

Microstructure and mechanical properties of 304 stainless steel sheet laser welded lap joint

CHEN Yingjie，ZHU Jialei，JIAO Xiangdong
（School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Petrochemical Technology，Beijing 102617，China）

The 304 stainless steel sheet were joined by using pulsed YAG laser welding.The microstructure characteristics and influence of laser power parameter on microstructures and mechanical properties were observed by optical microscopy，scanning electronic microscopy and universal mechanical testing machine，et al.Experiment results showed that fine equiaxed crystal in the weld center and columnar crystal in the toe of the weld.With the increase of power input,the tensile strength get increase.The highest tensile strength of the welded joints reaches to 491.7 MPa when the laser power is 2.6 kW.The microstructure of the weld joints have coarsening tendency and the tensile strength get decrease when continue to increase the laser power.The stainless steel sheet broke at the welded joints for all tensile test samples.The weld center is the weakest region of the welded joints.

laser welding；304 stainless steel；laser power；microstructure；mechanical properties

TG456.7

A

1001－2303（2017）02－0076-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.02.14

2016-07-15；

2016-11-02

国家自然科学基金（51205026）

陈英杰（1990—），男，北京人，在读硕士，主要从事水下焊接技术及高能束焊接技术方面的研究。

献

陈英杰，朱加雷，焦向东.304不锈钢激光搭接焊接头的组织及力学性能[J].电焊机，2017，47（02）：76-79.