304不锈钢激光-MIG复合焊焊接电流对接头组织性能的影响

宋世达 杨子威 钱美霞 王克鸿

摘要：采用激光-MIG复合焊对厚度6 mm的SUS304不锈钢进行拼接焊，比较不同焊接电流对接头显微组织及其性能的影响。EBSD分析显示焊缝择优取向为<001>方向，焊接电流为220 A的接头织构取向强度大于焊接电流为180 A的。力学性能检测表明接头硬度变化范围为170～195 HV。焊接电流为180 A时接头的强度和塑性大于焊接电流为220 A时的接头且低于母材。

关键词：SUS304不锈钢;激光-MIG复合焊;金相组织;力学性能

中图分类号：TG456.7 文献标志码：A 文章编号：1001-2303（2020）07-0059-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.07.09

0 前言

奥氏体不锈钢具有良好的塑韧性、耐腐蚀性、无磁或弱磁性，是应用最为广泛的一种不锈钢，主要用于制造耐腐蚀设备、运输管道以及钟表外壳制造等[1-2]。304不锈钢作为奥氏体不锈钢的一种，具有良好的焊接性能，近年来工业应用对304不锈钢制品焊接需求量越来越大[3-4]，因此对304不锈钢焊接进行研究十分重要。

MIG焊作为不锈钢焊接常用方法[5]，具有明显的优势，但其热输入较大，因此焊后板材变形较大，热影响区域也较大[6]。激光焊接的能量密度高，与其他焊接方法相比，工件变形小，焊接深宽比（深度/宽度）最高可达10∶1，且焊缝强度高、焊接速度快[7]。然而激光束较窄，光斑直径较小，采用激光自熔焊接时所允许的间隙量最大不超过板厚的10%，且最大值不能超过0.3 mm[8]，因此对工件加工的坡口和装配精度要求较高，从而限制了其应用。英国学者Steen[9]提出了激光-电弧复合焊，相比于纯激光焊接具有一定的优势。激光-电弧复合焊为激光和电弧两个独立热源，且两个热源相互影响，并向工件需焊接部位输送焊丝，使焊丝熔化并填充间隙，与母材熔合，从而实现焊接[10-13]。

文中以6 mm厚304不锈钢为研究对象，分析了激光-MIG复合焊在特定工艺参数下的微观机理及其性能，对实际工程应用具有一定的参考价值。

1 试验材料及方法

采用304不锈钢板材作为焊接试板，尺寸为300 mm×100 mm×6 mm，單面焊双面成型。试验用焊丝为ER308L，直径φ1.0 mm。母材与焊丝的化学成分分别如表1、表2所示。

试验所用激光-MIG复合焊接系统包括IPG公司的YLS-10000光纤激光器、福尼斯公司的TPS5000焊接电源以及水冷焊枪、德国KUKA公司的KR16机器人系统搭载Precitec公司的YW52焊接头、上海孚太的VM191型二元气体配比器。

2 试验过程

采用负离焦对6 mm厚304不锈钢板进行无间隙单道对接焊，焊接方向为激光在前、电弧在后，焊枪与激光束夹角为45°，保护气为氩气（纯度99%），气体流量为20 L/min，外接保护气和底部保护气为质量分数99.9%的氩气，气体流量18 L/min，离焦量

-2 mm，光丝间距1 mm，主要焊接参数如表3所示。焊接后，利用线切割切取金相试样和拉伸试样，拉伸试样尺寸如图1所示。对焊缝形貌和组织进行测试分析。金相试样用10%草酸溶液进行电化学腐蚀后，用日本奥林巴斯（Olympus）生产的GX41倒置及Quanta 250F场发射环境扫描电镜观察焊缝形貌，配套EBSD软件为牛津仪器SEM AztecEnergy 软件。

3 分析讨论

3.1 焊接宏观组织

焊缝宏观形貌及截面形貌分别如图2、图3所示，可以看出，焊缝熔合良好，无气孔、塌陷、毛边等缺陷。经测量，电流180 A的试样焊缝正面熔宽为3.5 mm，焊缝余高1.7 mm;电流220 A的试样焊缝正面熔宽4.2 mm，焊缝余高2.0 mm;改变焊接电流对焊缝根部基本不产生影响。焊缝上部主要受MIG电弧的影响，称为弧焊特征区，焊缝下部主要受激光的影响，称为激光特征区，两个区域比例约为1∶2。

3.2 焊缝微观组织

母材显微组织如图4所示，304不锈钢组织为等轴的奥氏体晶粒，其中存在以等轴的奥氏体晶粒为基体沿轧制方向分布的条带状δ铁素体，且存在大量孪晶。

根据 Hammar & Svensson[17]，不锈钢焊缝的凝固模式为A（全奥氏体）、FA（初始析出相为铁素体，凝固终了前形成一些奥氏体）、AF（奥氏体+共晶铁素体）、F（铁素体）[18]，其中常规不锈钢为FA和AF凝固模式，即：

FA：L→L+δ→L+δ+γ→δ+γ→γ

AF：L→L+γ→L+δ+γ→γ+δ

焊缝显微组织如图5所示。由图5可知，焊缝主要由柱状晶构成，在焊接过程中，高温热源熔化母材形成熔池，根据凝固学原理，结晶等温面方向与焊缝熔合线方向垂直，因此，熔池在冷却过程中，晶粒垂直于熔合线向焊缝中心生长，形成柱状晶。304不锈钢原以FA方式凝固，首先析出δ铁素体，剩余液相与δ铁素体发生包晶反应生成奥氏体，最后形成δ+γ的固态组织，但焊接是一个快速冷却的过程，会发生FA→AF凝固模式的转变[18-19]，亚温奥氏体取代δ铁素体直接从液相中析出，剩余液相与奥氏体发生包晶反应，最后形成铁素体与奥氏体的共晶组织。

利用反极图不仅可以直观地表征晶粒取向分布情况，同时也可以看出织构强度，20%～50%的材料性能（接头的强度、硬度、塑性等）受织构的影响。弧焊特征区反极图如图6所示，激光特征区反极图如图7所示，可以看出，晶粒择优取向明显且择优生长方向为<001>方向。焊接电流为220 A的弧焊特征区织构强度大于焊接电流为180 A的弧焊特征区，但激光特征区织构强度两者相差不大。这是因为焊接电流变化只改变MIG电弧的功率，焊接电流增大，热输入增大，织构强度越大，晶粒竞争生长方式越明显，而MIG电弧由于自身限制，能量无法传递到焊缝下部，焊缝下部仍然以激光热源为主导，热输入基本相同，因此焊缝下部织构强度相差不大。

3.3 显微硬度分析

焊缝不同区域的显微硬度如图8所示。可以看出，焊缝显微硬度在175～195 HV之间，低于母材的250 HV。焊接热输入越大，其织构强度越大，焊缝晶粒取向越明显，晶粒尺寸越大。根据Hall-Petch关系可知，对于一般晶粒尺寸材料，晶粒越小，其性能越好，而焊缝均为柱状晶，母材为均匀的等轴晶，所以焊缝硬度低于母材。

3.4 拉伸性能分析

焊接接头的拉伸试样如图9所示。可以看出，焊接电流为180 A和200 A的接头均断裂在焊缝处，其延伸率明显小于母材。焊缝和母材的应力应变曲线如图10所示，可以看出，母材强度大于两种电流下的焊接接头，而从试样的放置示意图（见图11）可知，拉伸方向（RD）与焊缝织构方向（TD）相垂直，这是由于焊接电流为220 A的接头织构强度大，焊缝晶粒主要沿着<001>方向生长，晶粒取向不均匀，从而导致接头力学性能不均匀，在单向拉伸变形中晶粒协调性差，从而导致强度变差。拉伸试样的断口如图12所示，断口主要由细小的韧窝组成，均为韧性断裂。

4 结论

采用激光-MIG复合焊对接焊6 mm厚304不锈钢。得出以下结论：

（1）对于激光-MIG复合焊，改变工艺参数中的电流仅会改变焊缝熔宽与余高，焊缝根部熔宽基本不发生变化。

（2）焊缝晶粒均沿着<001>方向生长，随着焊接电流的增大，弧焊特征区织构强度增大，晶粒取向逐渐不均匀。

（3）焊接电流增大，弧焊特征区的晶粒尺寸和织构强度增大，硬度减小，接头的强度与塑性下降。

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