陳英杰，朱加雷，焦向東

（北京石油化工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,北京 102617）

304不銹鋼激光搭接焊接頭的組織及力學(xué)性能

陳英杰，朱加雷，焦向東

（北京石油化工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,北京 102617）

采用脈沖激光焊技術(shù)焊接304不銹鋼薄板。利用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)等分析檢測(cè)手段，研究304不銹鋼焊接接頭的微觀組織特點(diǎn)及激光功率對(duì)接頭組織及力學(xué)性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，焊縫中心為細(xì)小的等軸晶，焊縫邊緣為柱狀晶組織，熱影響區(qū)不明顯。隨著激光功率的增加，焊縫抗拉強(qiáng)度增大。激光功率為2.6 kW時(shí)，焊縫抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值491.7 MPa。繼續(xù)增加激光功率，焊縫組織粗化，焊接接頭抗拉強(qiáng)度降低。拉伸試樣均在焊縫處發(fā)生斷裂，焊縫中心是焊接接頭最薄弱的部位。

激光焊；304不銹鋼；激光功率；微光組織；力學(xué)性能

0 前言

不銹鋼具有強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)，免涂裝、耐高溫、重量輕、維護(hù)少等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于城軌車輛[1]。不銹鋼車體側(cè)墻主要采用骨架加蒙皮的結(jié)構(gòu)，二者之間采用搭接方式。由于不銹鋼熱導(dǎo)率低、線膨脹系數(shù)大，為了減小焊接變形，焊接過程中要采用線能量較小的焊接工藝。目前，不銹鋼車體的制造主要有電阻點(diǎn)焊、熔焊、激光焊接等工藝方法。傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊能有效降低車體的焊接變形，但焊點(diǎn)處殘留的壓痕極大降低了車體的外觀質(zhì)量。激光焊作為一種高能束焊接方法，具有焊接速度快、熱影響區(qū)小、工件變形小、焊道表面質(zhì)量好、焊縫強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。與成熟的電阻焊工藝相比，激光焊成形良好，焊縫組織更加均勻、細(xì)小，力學(xué)性能更好，焊后車體變形小，且側(cè)墻外表面沒有明顯的焊道痕跡，極大改善了車體外觀質(zhì)量，節(jié)約了生產(chǎn)成本[2-3]。

本研究針對(duì)不銹鋼薄板進(jìn)行搭接焊試驗(yàn)，通過分析焊接接頭的微觀組織特征及力學(xué)性能，探索激光功率對(duì)焊接接頭質(zhì)量的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料、設(shè)備及方法

實(shí)驗(yàn)材料為冷軋SUS304奧氏體不銹鋼板，鋼板尺寸300 mm×40 mm×1.5 mm。實(shí)驗(yàn)設(shè)備為美國(guó)IPG YLS-4000型光纖激光器，額定輸出功率4 kW，光束波長(zhǎng)1 070 nm，光纖芯徑0.2 mm，焦距300 mm。

實(shí)驗(yàn)采用連續(xù)脈沖激光焊，利用激光的高熱輸入對(duì)1.5 mm厚不銹鋼板進(jìn)行搭接焊實(shí)驗(yàn)。焊前用砂紙清理表面，用丙酮除油。焊接過程中采用純氬氣側(cè)向加氣保護(hù)，氣體流量20 L/min。

利用控制單一變量的方法研究激光功率對(duì)焊縫成形、微觀組織和抗拉強(qiáng)度的影響，激光搭接焊工藝參數(shù)見表1。焊接完成后，用線切割截取焊縫橫截面，利用金相顯微鏡進(jìn)行微觀組織分析，利用掃描電鏡觀察焊縫及斷口微觀形貌，利用萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

表1 激光焊接工藝參數(shù)Table 1 Laser welding parameters

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同激光功率下的焊縫宏觀形貌

焊接速度為3 m/min，激光功率分別為2.2 kW、2.4 kW、2.6 kW、2.8 kW、3.0 kW時(shí)焊縫的正面和背面宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知，焊縫接頭成形良好，焊縫較窄，焊道美觀，飛濺較少。激光功率為2.2 kW時(shí)，焊縫正面成型良好，背面未熔透；隨著激光功率增大，焊接線能量提高，激光功率為2.8kW時(shí)，背面開始出現(xiàn)熔透位置；激光功率為3.0 kW時(shí)，焊縫完全熔透，焊縫背面出現(xiàn)明顯的黑色焊道痕跡。

圖1 不同激光功率下的焊縫表面形貌Fig.1 Weld join appearance with different laser powers

2.2 焊接接頭微觀組織

304不銹鋼焊接接頭微觀組織照片如圖2所示。由于激光焊接速度快，熔池凝固為非平衡凝固，熱影響區(qū)很窄。熔合區(qū)邊界有明顯的熔合線，焊縫中心晶粒垂直于焊縫中心結(jié)晶生長(zhǎng)。由于焊道窄，冷卻速度快，基體組織重新結(jié)晶形核，液相組織依附于未熔化母材金屬晶粒形核生長(zhǎng)，形成聯(lián)生結(jié)晶，在焊縫中心形成細(xì)小、均勻的等軸晶。焊縫邊緣為柱狀樹枝晶，垂直于熔合線。在熱影響區(qū)，由于焊接熱作用，母材組織發(fā)生再結(jié)晶，形成粗大的等軸晶[4-5]。

激光功率為2.4 kW、2.6 kW、2.8 kW、3.0 kW時(shí)焊接接頭熔合區(qū)的顯微組織如圖3所示。激光功率較低時(shí)，傳熱速度快，主要以熱傳導(dǎo)方式沿母材的負(fù)溫度梯度方向散失，液態(tài)金屬冷卻凝固形成細(xì)小的枝晶組織[6]。隨著激光功率增大，散熱速度減小，過冷度降低，枝晶區(qū)域變大，熔合線附近枝晶粗大，焊縫和母材交界處逐漸出現(xiàn)明顯的熱影響區(qū)，隨著激光功率的增加熱影響區(qū)晶粒明顯粗化[7]。

2.3 焊接接頭的抗拉強(qiáng)度

不同激光功率下焊接接頭抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖4所示。當(dāng)焊接速度一定時(shí)，激光功率是影響焊縫的主要因素。激光功率為2.4 kW時(shí)，線能量較低，不銹鋼板未焊透；當(dāng)激光功率達(dá)到2.6 kW時(shí)，焊縫抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值491.7 MPa；繼續(xù)增大激光功率，焊接線能量增大，不銹鋼板完全熔透，焊縫組織晶粒粗大，如圖5所示，焊縫處的承載能力降低，焊縫抗拉強(qiáng)度降至341.7 MP；焊縫抗拉強(qiáng)度均低于母材，所有拉伸試樣均在焊縫處發(fā)生斷裂。從焊縫斷口形貌可以發(fā)現(xiàn)，焊縫區(qū)域存在大量大小不一的等軸韌窩，為典型的韌性斷裂，且產(chǎn)生了大小不一的氣孔，降低了焊縫處的力學(xué)性能。焊接接頭斷口形貌如圖6所示。

圖2 焊接接頭微觀組織Fig.2 Microstructure of welded joint

圖3 不同激光功率下的焊接接頭熔合區(qū)顯微組織Fig.3 Fusion zone microstructure of welded joints with different laser powers

圖4 不同激光功率下的焊接接頭的抗拉強(qiáng)度Fig.4 Tensile strength of welded joints with different laser powers

圖5 不同激光功率下的焊縫中心顯微組織Fig.5 Microstructure of welding center with different laser powers

圖6 焊接接頭斷口形貌Fig.6 Tensile fracture appearance of welded joint

3 結(jié)論

（1）對(duì)304不銹鋼板進(jìn)行脈沖激光搭接焊，其焊縫與母材結(jié)合良好，焊縫成形美觀。在焊接速度為3 m/min，離焦量為2 mm，激光功率分別為2.4 kW、2.6 kW、2.8 kW、3.0 kW的條件下，304不銹鋼薄板搭接焊接頭的焊縫中心為細(xì)小、均勻的等軸晶，焊縫邊緣為柱狀晶組織，熱影響區(qū)不明顯。隨著激光功率的增加，焊縫晶粒粗化。

（2）不同激光功率下的304不銹鋼板接頭抗拉強(qiáng)度不同，激光功率為2.6 kW時(shí)，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值491.7 MPa，均低于母材強(qiáng)度，拉伸試驗(yàn)均在焊縫處發(fā)生斷裂，焊縫中心是焊接接頭最薄弱的部位。

[1]王雪芳，蔣正光，袁立祥，等.城軌車輛不銹鋼車體制造技術(shù)研究[J].電力機(jī)車與城軌車輛，2012，35（3）：76-78.

[2]朱加雷，徐世龍，焦向東，等.304不銹鋼薄板激光搭接焊工藝研究[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2015，52（7）：154-158.

[3]霍宏偉，胡海軍，李治國(guó)，等.304不銹鋼薄板激光焊搭接接頭組織及性能[J].電焊機(jī)，2016，46（3）：44-47.

[4]王洪瀟，史春元，王春生，等.鐵道客車用SUS301L不銹鋼非熔透型激光搭接焊工藝[J].金屬鍛造焊技術(shù)，2009，38（19）：136-139.

[5]李洪梅，孫大千，王文權(quán)，等.奧氏體不銹鋼絲激光焊接頭的組織與力學(xué)性能[J].焊接學(xué)報(bào)，2009，30（6）：72-74.

[6]楊立軍，孫貴錚，王金杰，等.A304不銹鋼薄板激光焊工藝試驗(yàn)研究[J].電焊機(jī)，2011，41（1）：67-68.

[7]郭國(guó)林，楊莉，柳健，等.激光功率對(duì)304不銹鋼薄板搭接接頭組織和性能的影響[J].熱加工工藝，2016，45（9）：213-215.

發(fā)送消息時(shí)，與其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)議相仿，此處不再贅述。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

編碼完成后，在宿主機(jī)上進(jìn)行交叉編譯，然后下載到飛凌OK335xD目標(biāo)板。試驗(yàn)中測(cè)試以下功能：界面輸入，數(shù)據(jù)庫(kù)查詢，網(wǎng)絡(luò)更新和CAN通信等。經(jīng)過反復(fù)地調(diào)試與修改，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能。

4 結(jié)論

介紹了一種焊接人機(jī)界面的方案。在AM3354有限的硬件資源上，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互界面、數(shù)據(jù)庫(kù)查詢、FTP網(wǎng)絡(luò)升級(jí)和CAN總線通訊等功能。詳細(xì)討論焊接電源人機(jī)界面的實(shí)現(xiàn)方法和Linux系統(tǒng)中的Socket CAN驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)方式。實(shí)驗(yàn)證明，該方案能完成預(yù)期功能，可為相關(guān)工作提供參考。

圖9 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

參考文獻(xiàn)：

[1]Fronius China Trading Co.Ltd.我們的產(chǎn)品［EB/OL］.http：//www.fronius.cn.

[2]楊通，黃延齡，張光先.數(shù)字化的逆變弧焊電源[J].電焊機(jī)，2009，39（2）：11-17.

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

[4]霍亞飛.Qt Creator快速入門[M].北京：北京航空航天大學(xué)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，吳國(guó)偉，畢成龍.深入理解Linux驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)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

國(guó)家自然科學(xué)基金（51205026）

陳英杰（1990—），男，北京人，在讀碩士，主要從事水下焊接技術(shù)及高能束焊接技術(shù)方面的研究。

獻(xiàn)

陳英杰，朱加雷，焦向東.304不銹鋼激光搭接焊接頭的組織及力學(xué)性能[J].電焊機(jī)，2017，47（02）：76-79.