董伟伟１,林 健１,许海亮１,符寒光１,雷永平１,王细波２
(１．北京工业大学材料科学与工程学院,北京 １００１２４;２．北京宇航系统工程研究所,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)(即不同热输入)下对SUS３０４不锈钢超薄片(厚度０．２mm)进行脉冲激光搭接焊,研究了热输入对焊缝成形的影响,并分析了最优成形接头的显微组织和力学性能.结果表明:当热输入在９~２０J??mm－１时可获得成形良好的焊缝,其中在激光功率３２０ W、焊接速度２０mm??s－１(热输入１６J??mm－１)条件下的成形性能最优;最优成形接头焊缝中心为等轴晶组织,熔合线处为细小柱状晶组织,近熔合线的焊缝中形成了胞状树枝晶;最优成形接头熔合线处的硬度最高,其次为焊缝区;不同激光功率和焊接速度
所得接头均在热影响区发生断裂,最优成形接头的抗拉强度最高,达到７９０．１MPa,接近于母材的,其拉伸断裂方式为韧性断裂.
关键词:３０４不锈钢超薄片;脉冲激光焊接;力学性能;搭接接头;显微组织
中图分类号:TG４５６．７ 文献标志码:A 文章编号:１０００Ｇ３７３８(２０１９)０５Ｇ００３８Ｇ０５
０ 引 言
３０４奥氏体不锈钢超薄板(厚度不大于０．２mm)已被广泛应用于航空航天、汽车、微电子[１]和医疗器械等领域.不锈钢虽然具有良好的焊接性能、耐腐蚀性能、耐热性能和力学性能[２Ｇ３],但是其超薄板厚度很小,热导率低、线膨胀系数小,因此在采用传统焊接方式焊接时易出现较大的焊接变形以及烧穿等问题[４].
激光焊接作为一种高能束焊接方法,和传统焊接方式相比,具有热输入小、热影响区小、接头强度高等优点,并且激光束聚焦光斑小、定位准确,可通过调节脉冲参数(脉冲频率和占空比)更精准地控制热输入、减小工件变形.这些特点使得脉冲激光焊接更适合于超薄板的精密焊接[５Ｇ７].
近年来,学者们对不锈钢超薄板的激光焊接工艺进行了大量研究.陈玉华等[８]采用微型脉冲激光实现了０．２mm 厚３２１不锈钢片的对接焊,研究了脉冲功率和脉冲频率对成形性能的影响,结果表明当脉冲功率分数为１２％时,在较宽的脉冲频率范围内都能获得成形良好、无缺陷的焊缝.叶庆丰等[３]研究了０．１mm 厚３２１不锈钢搭接激光焊工艺,确定接头焊缝成形及力学性能均最好的工艺参数为焊接速度 ０．５ m??min－１、激 光 功 率 １５０ W.陈 俊 科等[９]对０．７ mm 厚 ３０４ 不锈钢片进行连续激光焊接,研究了激光功率和焊接速度对焊接质量的影响,结果表明:激光功率对熔深有较大影响,焊接速度对熔宽有较大影响;接头显微硬度分布不均匀,呈“M”形变化,熔合区显微硬度最大.然而,目前国内外有关 SUS３０４不锈钢超薄片脉冲激光焊接工艺及接头组织、性能的研究较少,工艺参数对接头宏观形貌及力学性能的影响规律尚不清楚.因此,作者对０．２ mm 厚 SUS３０４不锈钢超薄片进行了脉冲激光搭接焊,探索了形成良好搭接接头的工艺窗口,确定了接头最优成形时的工艺参数并对最优成形接头的显微组织与拉伸性能进行了分析,为SUS３０４奥氏体不锈钢超薄板激光脉冲焊接工艺研究提供依据.
１ 试样制备与试验方法
１．１ 试样制备
焊接母材为轧制态 SUS３０４不锈钢超薄片(厚度０．２mm),由抚顺特殊钢股份有限公司提供,化学成分见表１.
在SUS３０４不锈钢超薄片上截取尺寸为１００mm×１００mm×０．２mm 的待焊试样,用丙酮清洗焊接面以去除油污[７],酒精清洗并吹干.使用 YLRＧ６０００型光纤激光器进行脉冲激光焊接,焊接方式如图１所示.用气动夹具将待焊试样进行搭接固定,以防止焊接过程中试样发生波状变形;使用高纯氩气对施焊面进行侧向保护,保护气体流量为１５L??min－１.由前期试验结果确定焊接参数为:离焦量０,焦点处光斑直径０．３mm,脉冲频率１５００Hz,占空比５０％,激光功率１４０~４２０ W,焊接速度１０~３０mm??s－１.采用单因素法,基于接头成形性能确定焊接工艺窗口.
１．２ 试验方法
用丙酮和 酒 精 清 洗 焊 缝,采 用 着 色 渗 透 法 检测焊缝裂 纹.选 择 表 面 无 微 观 裂 纹 的 接 头,垂 直于焊接方向 线 切 割 出 横 截 面 金 相 试 样,取 样 位 置如图 １ 所 示,经 热 镶 嵌、硫 酸 铜 溶 液 腐 蚀 后,在OlympusUＧMSSP型光学显微镜上观察截 面 形 貌和显微 组 织.对 热 镶 嵌 试 样 截 面 进 行 磨 抛 处 理后,采用 THVＧ１MD型自动转塔数显显微硬度计测焊缝横截面显微硬度,载荷１．９６１N,保载时间１０s,每隔 ０．１ mm 取 点 测 试. 根 据 GB/T ２２８．１－２０１０,在接头上加工出如图２所示的拉伸试样,取样位置如图１所示,在 CMT５５０４型微机控制电子万能 试 验 机 上 进 行 室 温 拉 伸 试 验,加 载 速 率 为１ MPa??s－１.利用 FEIＧQuanta２００型扫描电镜观察断口形貌.
２ 试验结果与讨论
２．１ 焊接工艺参数的确定
２．１．１ 焊接工艺窗口
热输入的计算公式为
式中:q 为热输入;P 为激光功率;v 为焊接速度.由图３结合式(１)可知,当热输入在９~２０J??mm－１时,能够形成宏观成形良好的搭接接头.当焊接速度为２０mm??s－１且激光功率低于１８０ W 时未能形成搭接接头,而激光功率为４２０ W 时焊缝出现烧蚀现象;当焊接速度为１０ mm??s－１ 时,激光功率 增至２２０ W焊缝就因热输入过大而出现烧蚀现象;当焊接速度为３０ mm??s－１ 时,在较高激光功率下才能得到成形良好的焊接接头.
由４可以看出,着色渗透后焊缝处无红色痕迹出现,表明焊缝表面无裂纹缺陷.
２．１．２ 焊接参数对接头成形性能的影响
由图５(a)~图５(e)可以看出:当焊接速度为２０mm??s－１、激光功率不低于１８０ W 时,接头完全熔透,并且未产生气孔和裂纹等焊接缺陷;熔透焊缝的截面形状分为倒梯形和矩形两种,当激光功率在１８０~２００W 时,焊缝截面上宽下窄,呈倒梯形,当激光功率为３２０ W 时,焊缝截面近似上下等宽,呈矩形,当激光功率高于３２０ W 时,焊缝上部宽度明显增加,中部及背部宽度减小,截面形状仍为倒梯形.对比图５(d)和图５(f)可知,在激光功率３２０ W 下,当焊接速度由２０mm??s－１增至３０mm??s－１时的热输入降低,导致焊缝中部和背部宽度减小,焊缝截面形状由矩形变为倒梯形.
由表２可以发现,在激光功率３２０W、焊接速度２０mm??s－１下焊接后,接头上、中、下部的熔宽相近.由图６可知:随着热输入的增加,接头上部熔宽增大,中部和背部熔宽先增大后减小再增大,当热输入为１６J??mm－１ 时,接头上、中、下 部 的 熔 宽 近 似 相等,接头成形性能最好.综上,在激光功率３２０ W、焊接速度２０mm??s－１(热输入１６J??mm－１)下焊接接头的成形性能最好.
２．３ 截面显微硬度分布
由图８可以看出:接头母材的硬度在２１０ HV左右,焊缝区硬度在２１０~２４０HV 之间,高于母材的;熔合线处硬度最高,越接近于焊缝中心,硬度越低.激光焊接时的冷却速率快,使得焊缝区形成了更细小的组织,因此其硬度高于母材的;而在熔池快速结晶过程中,合金元素向母材区扩散受阻,在熔合线处聚集,导致熔合线处的硬度最高[３].
２．４ 拉伸性能及断口形貌
母材的抗拉强度为７９１．３MPa.不同激光功率和焊接速度所得接头试样均在焊接热影响区发生断裂,说明焊接接头的强度薄弱区在焊接热影响区中,而 焊缝的承载能力较强.由图９可以看出:在焊接由图１０可以看出,接头拉伸断口由细小韧窝组成,韧窝数量多且深,说明接头在断裂前受力均匀,并发生了明显的塑性变形,其塑性和韧性较好,断裂机制为微孔聚集型断裂.在外加载荷作用下,接头组织内的晶界及亚晶界处产生位错堆积,造成应力集中,导致在塑性变形区内形成显微空洞;随后空洞聚集、长大,相互连接后导致断裂[１１].
３ 结 论
(１)当 热 输 入 在 ９~２０J??mm－１ 时 均 可 实 现０．２mm厚SUS３０４不锈钢薄片的脉冲激光搭接焊;当激光功率为３２０ W、焊接速度为２０mm??s－１(热输入１６J??mm－１)时,焊缝截面形状为矩形,上中下的宽度近似相等,接头成形性能最优.
(２)成形性能最优接头的焊缝中心为等轴晶组织,熔合线处为细小柱状晶组织,近熔合线焊缝中则形成了胞状树枝晶;由于激光脉冲焊接时的热输入较小,热影响区范围很窄.
(３)接头熔合线处的硬度最高,焊缝区硬度高于母材的.不同激光功率和焊接速度所得接头均在热影响区发生断裂;随着激光功率的增加,接头的抗拉强 度呈先增后降再增再降的变化趋势;当激光功率为３２０ W、焊接速度为２０mm??s－１时接头的抗拉强度最高,达到７９０．１ MPa,接近于母材的,其拉伸断裂方式为韧性断裂.