激光扫描速度对304不锈钢薄板组织和性能的影响

郭国林 ，戴国洪 ，周自强 ，徐正亚

（1．常熟理工学院 机械工程学院，江苏 常熟 215500；

2．江苏省机电产品循环利用技术重点实验室，江苏 常熟 215500）

1 引言

随着我国制造产业的发展，奥氏体不锈钢由于其性能的优异性，广泛应用与各个领域。而激光焊接，也因为它的功率密度高、精度高、焊接扫描速度快、自动化程度高、焊缝窄、变形程度小、残余应力小的优点，使用的频率也越来越多。文献[1]通过YAG固体激光焊和TIG焊两种焊接方法对比对304不锈钢的耐腐蚀性做了研究，对实践具有一定的指导意义。文献[2]分析了在不同激光焊接工艺参数下，316L不锈钢超薄板（0．1mm）接头的组织和性能，确定了采用小电流、大脉宽、高速度焊接的原则。文献[3]采用脉冲激光焊，对紫铜和316L不锈钢薄板搭接焊缝的微观组织和力学性能做出研究，填补了国内的空缺，为工程应用提供了理论依据。采用YAG脉冲激光焊对0．6mm厚的304不锈钢薄板搭接焊缝进行实验研究。

2 实验材料与方法

实验采用厚度 0．6mm，尺寸为（100×40）mm 的 304 不锈钢薄板，304不锈钢属于奥氏体不锈钢，化学成分为（8～10）%Ni，（17．5～19．5）%Cr，余量为 Fe（质量分数）。采用 HAN SLAER WF300 激光焊机对试样进行搭接试验，保护气体为纯氩气。实验前，将试样打磨抛光，用丙酮清洗干净后吹干。通过预实验，选用激光功率5kW，离焦量+3mm，脉冲宽度5ms，脉冲频率9Hz，激光扫描速度分别为 48mm/min、72mm/min、96mm/min、120mm/min 的工艺参数对试样进行焊接。焊接完成后，用线切割加工试样，通过镶嵌、磨制、抛光、腐蚀，在OLYMPUS GX51光学显微镜下观察组织；采用HVT-1000显微硬度计测量硬度，试验力100gf，保持时间15s，沿焊缝横截面压点，压点之间间隔0.2mm。利用WEW-600型号微机控制万能材料试验机对试样进行拉伸实验。

3 实验结果及分析

3.1 不同激光扫描速度下焊接接头表面形貌

激光功率 5kW，扫描速度 48mm/min、72mm/min、96mm/min、120mm/min时的焊缝宏观形貌，如图1所示。激光焊接过程中，扫描速度是激光焊接主要参数之一。适当降低扫描速度可以增大熔深，有利于提高接头的质量。扫描速度过慢时，焊缝金属可能会出现过度熔化的现象，焊缝元素少损，表面出现凹坑，影响接头的性能。

图1 不同扫描速度下的焊缝表面形貌Fig.1 Surface Morphology of Welding Seam with Different Scanning Speeds

扫描速度较慢时的焊缝外观形貌，如图1（a）所示。可以看出，焊缝正面出现凹坑，背面烧穿，热影响区域大，表面纹理不清晰，有少许飞溅。适当提高扫描速度至72mm/min，焊缝金属冷却凝固后，表面成型良好，无飞溅，热影响区变窄，背面无烧穿现象。当扫描速度增加到96mm/min、120mm/min时，焊缝正面出现咬边现象，热影响区小，焊缝背面未焊透。随着扫描速度的增加，单位时间功率密度减小，材料的输入能量减少，焊接熔透性会降低，熔池的液态流动性能和润湿性也差，不利于焊缝成型。当扫描速度过高时，小孔尾部熔化金属强烈流动，但由于热源移动过快，液态金属来不及重新分布便已经开始冷却，因此焊缝两侧在凝固成型后，会产生咬边的现象。另外，虽然扫描速度快，熔池短，但是高温区范围大，受到空气影响区域也大，对侧吹保护气体要求也较高[4-6]。

3.2 焊接接头显微组织分析

扫描速度48mm/min时接头的显微组织，如图2所示。从图2（a）焊缝全貌图可以看出，焊缝较宽且完全熔透。焊缝区大致分为三层，分层现象是由于脉冲激光焊的脉冲间隔导致。从图2（b）观察到，焊缝区与母材分界处存在热影响区。由于脉冲激光焊接的瞬间温升快，冷却快，温度梯度大，在熔合线附近焊缝区一侧，出现明显的枝晶状组织，从熔合线向焊缝中心方向延伸。从图2（c）中可以看出，焊缝中心有明显的等轴晶组织且区域较大，由于焊接速度较慢，焊缝中心区域线能量大，温度高，冷却速度慢造成的。

图2 扫描速度为48mm/min时接头的显微组织Fig.2 Microstructure of Welded Joint with Scanning Speed of 48 mm/min

焊缝形貌分层更为明显，层数较多且层厚较小，层界存在着向两侧层中心扩展的枝晶组织，如图3（a）所示。层中心为细小的等轴晶组织。由于激光焊接出现脉冲时熔化金属，迅速凝固，下次脉冲时重新熔化，新加热的区域和之前的区域产生了温度梯度，因此层界形成向层中心生长的铁素体枝晶。从图3（b）看到熔合线明显，枝晶较长，方向一致，垂直于熔合线向焊缝中心延伸，母材没有明显长大现象。焊缝区组织等轴晶细小，分布均匀。

图3 扫描速度为72mm/min时的接头显微组织Fig.3 Microstructure of Welded Joint with Scanning Speed of 72 mm/min

从图4（a）可以看出，焊缝形状是一种非常典型的泪滴状熔池，由于提高焊接速度，输入能量减小，焊缝并未焊透，熔焊区分层不规律。从图4（b）中可以看出，熔合线也较为明显，焊缝区熔合线附近组织多为奥氏体，而铁素体较少。文献[7]的研究，在扫描速度过快时，冷却速度非常快，枝晶尖端过冷度非常大的情况下，此时相较于铁素体而言奥氏体作为初析相更加稳定，因此熔合区由初析铁素体转变为初析奥氏体。从图4（c）可以看到焊缝区层界的铁素体枝晶不明显，分布非常杂乱，由于激光脉冲并没能在焊缝区产生足够的热量。

图4 扫描速度为96mm/min时接头的显微组织Fig.4 Microstructure of Welded Joint with Scanning Speed of 96mm/min

从图5（a）看出，焊缝分层较为明显，但是焊缝没有焊透。从图5（b）中可以看出，扫描速度增加，热影响区很小，焊缝边缘的温度梯度相对较大，冷却速度较快，有利于柱状晶的生成[8-9]。接近焊缝中心，晶枝组织数量减少。从图5（c）中可以看出，由于输入线能量降低，焊缝金属各方向冷却速度不同，焊缝中心出现枝晶与等轴晶相互交错的现象。

图5 扫描速度为120mm/min时接头的显微组织Fig.5 Microstructure of Welded Joint with Scanning Speed of 120mm/min

3.3 显微硬度分析

焊接接头的显微硬度随扫描速度的变化曲线，如图6所示。从不同扫描速度下接头硬度的变化趋势可以看出，焊缝区的硬度低于母材硬度，高于熔合区的硬度，因为焊缝中心为细小的等轴晶，因而硬度要更高一点。随着扫描速度的增加，焊缝区的硬度值趋于稳定，焊缝中心的硬度值，呈现出下降趋势，因为焊缝中心的铁素体等轴晶数量随着焊接温度的降低，在不断减少，导致硬度也逐渐下降[10]。

图6 焊接接头的显微硬度随扫描速度变化曲线Fig.6 Microhardness vs Scanning Speed of Welded Joint

3.4 接头抗拉强度分析

焊接接头的抗拉强度随扫描速度变化曲线，如图7所示。扫描速度48mm/min时的接头抗拉强度为493MPa，在焊缝处发生断裂。当扫描速度过低时，焊接过程中发现飞溅现象，使得焊缝处材料较少，焊缝的横截面积小，在拉伸时受到的应力相对集中，导致焊缝处的强度较低。扫描速度为72mm/min时，对接头进行拉伸，断裂在焊缝处，其抗拉强度为509MPa，接近于母材的抗拉强度，由于焊缝刚好熔透，焊缝组织细小而均匀，热影响区小，形成的铁素体数量较少，因而保证了焊接接头的力学性能。随着扫描速度的增加，焊缝金属的热量减少，部分金属熔化，从焊缝宏观形貌也可以看出，焊缝出现未焊透现象，减小了焊缝抗拉截面积和承载能力，导致焊缝抗拉强度大大降低。

图7 焊接接头的抗拉强度随扫描速度变化曲线Fig.7 Tensile Strength vs Scanning Speed of Welded Joint

4 结论

（1）在不同激光扫描速度下，304不锈钢薄板搭接接头的焊缝区出现分层现象，层界存在着向两侧层中心延伸的树枝晶组织，层中心为细小的等轴晶。熔合线附近为树枝晶组织，垂直于熔合线向焊缝中心生长。当扫描速度为72mm/min时，焊缝区组织细小，分布均匀，熔合线清晰，不锈钢薄板之间结合良好。

（2）焊缝区的硬度低于母材硬度，高于熔合区的硬度。随着扫描速度的增加，焊缝区的硬度值趋于稳定，焊缝中心的硬度值，呈现下降趋势。

（3）由于扫描速度不同，焊缝金属热输入差异较大，304不锈钢薄板接头强度也不同。扫描速度为72mm/min时，焊接接头的抗拉强度最优，接近于母材的强度。

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