隨著稀有金屬鎳、鉬、釩等價(jià)格的上漲，奧氏體不銹鋼的應(yīng)用和發(fā)展面臨成本問(wèn)題，并且?jiàn)W氏體不銹鋼的焊接接頭易出現(xiàn)晶間腐蝕、縫隙腐蝕和點(diǎn)蝕等問(wèn)題，而影響其使用性能。鐵素體不銹鋼（Ferrite Stainless Steel，簡(jiǎn)稱(chēng)FSS）相對(duì)奧氏體不銹鋼來(lái)說(shuō)，不含鎳成分，且具有優(yōu)良的耐高溫氧化和氯化物腐蝕的性能，其低的成本，小的線膨脹系數(shù)小和優(yōu)良的耐熱疲勞性能，使得鐵素體不銹鋼可在多種腐蝕介質(zhì)環(huán)境下替代奧氏體不銹鋼使用。但由于鐵素體不銹鋼在焊接過(guò)程中不發(fā)生相變，晶粒在加熱后會(huì)發(fā)生顯著長(zhǎng)大，因而采用傳統(tǒng)的焊接方法會(huì)導(dǎo)致其焊接接頭晶粒的嚴(yán)重粗化，從而引起接頭脆化、接頭裂紋等問(wèn)題，嚴(yán)重影響其使用性能。因此，有必要尋找新的焊接方法解決上述問(wèn)題，滿(mǎn)足其使用性能。
激光焊接作為高效、環(huán)保的焊接方式，近年來(lái)受到越來(lái)越多的重視。激光焊與傳統(tǒng)的MIG焊相比，具有高能量密度和小光斑尺寸的特點(diǎn)，因此在焊接過(guò)程中具有輸入的熱輸入小、焊接速度快、深寬比大和焊接變形小等優(yōu)點(diǎn)，故其焊接熔化區(qū)體積小于MIG焊，熔池暴露于氧化環(huán)境里的表面積也因此而大大減小。另外，激光焊接速度比MIG焊快2-3倍，熔池暴露于氧化環(huán)境的時(shí)間也可以大大縮短，加之激光焊的熱影響區(qū)很小，使熱影響區(qū)受熱產(chǎn)生的危害程度可降至最低。
目前最常用的激光焊接方法為激光自熔焊接，焊接過(guò)程中并不填充焊絲，只通過(guò)對(duì)母材的加熱熔化從而凝固形成接頭。激光自熔焊焊接過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致母材中一些合金成分的蒸發(fā)，從而導(dǎo)致接頭成形不良，甚至產(chǎn)生裂紋和氣孔等缺陷。另外，由于激光聚焦光斑很小，因而激光自熔焊對(duì)接頭裝配間隙和錯(cuò)邊量要求非常高，通常小于 0.1mm。激光填絲焊接技術(shù)可以解決以上激光自熔焊接的局限性，它是通過(guò)填充焊絲或焊料的方式，控制焊縫合金成分和改善接頭顯微組織，最終提高其使用性能。
主要研究了2mm厚430鐵素體不銹鋼鋼帶激光填絲焊的焊縫成形、組織和性能，以及相對(duì)于激光焊對(duì)焊縫性能和裝配要求的改善程度，為激光填絲焊接應(yīng)用于鐵素體不銹鋼鋼帶焊接提供理論支持。
1 試驗(yàn)材料、方法及設(shè)備
1.1 試驗(yàn)材料
試驗(yàn)材料為2mm厚430鐵素體不銹鋼鋼帶，鋼帶成品尺寸為12000×140×2 mm。采用對(duì)接連接方式焊接，試驗(yàn)前打磨試件邊緣，保證對(duì)接間隙均勻一致，并用丙酮清洗對(duì)接部位。填充焊絲為308LSi焊絲，直徑1.0 mm。母材和焊絲的化學(xué)成分如表1所示。
表1 430鐵素體不銹鋼的化學(xué)成分（wt.%）
1.2 試驗(yàn)方法
為對(duì)比激光填絲焊與激光自熔焊的區(qū)別，首先在保證對(duì)接裝配間隙小于0.1 mm的情況下進(jìn)行激光自熔焊試驗(yàn)。鋼帶原始狀態(tài)為成卷保存，如圖1所示，焊前需要通過(guò)切割獲得所需鋼帶長(zhǎng)度，然后將鋼帶兩端拼接到一起進(jìn)行焊接形成焊縫。
由于激光自熔焊對(duì)焊接裝配要求很高，傳統(tǒng)的剪板機(jī)切割得到的鋼帶板材容易扭曲，拼接起來(lái)難以保證上、下表面獲得一致的拼縫間隙，為獲得高質(zhì)量的工件拼縫，保證拼縫間隙和錯(cuò)邊量均控制在0.1mm以?xún)?nèi)，焊前采用激光切割設(shè)備代替?zhèn)鹘y(tǒng)的剪板機(jī)切割鋼帶，然后進(jìn)行激光焊接。
分別在0.1mm和0.3mm對(duì)接間隙下進(jìn)行激光填絲焊焊接試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中，焊絲伸出長(zhǎng)度約10-15mm。送絲落點(diǎn)位于激光光斑二分之一處，即一部分激光作用在母材上，一部分作用在焊絲上。激光離焦量f取+10mm，此時(shí)光斑直徑約1.1mm，略大于焊絲直徑。利用旁軸吹送氬氣進(jìn)行焊縫表面保護(hù)，氣體流量為25L/min。采用前置送絲，送絲角度θ（焊絲與激光束的夾角）為45o。
送絲速度可以根據(jù)需填充的間隙和焊接速度來(lái)確定。為獲得均勻一致的焊縫成形，送絲速度可以根據(jù)焊絲填充量等于所填充間隙的體積來(lái)確定。即
綜合考慮，優(yōu)化的激光自熔焊和激光填絲焊焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表2。
采用顯微鏡對(duì)焊接接頭不同區(qū)域進(jìn)行微觀組織分析。顯微組織的侵蝕采用腐蝕液為：5g FeCl3、10ml HCl與20ml H2O混合溶液。實(shí)驗(yàn)采取顯微維氏硬度測(cè)試，所用試驗(yàn)條件為：加載力0.98N，加載時(shí)間10s，在試樣表面以下0.5mm處，從母材至焊縫中心每隔0.1mm取點(diǎn)，各取三個(gè)點(diǎn)進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，取其平均值，從而獲得焊接接頭各個(gè)位置的顯微硬度值。母材與焊接接頭的室溫拉伸試驗(yàn)試樣形狀尺寸設(shè)計(jì)參考GB/T228.2002國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，焊縫位于試樣的中心，拉伸試驗(yàn)在WDW-200E微機(jī)控制電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，最大載荷2.5 t，加載速率2 mm/s。
1.3 試驗(yàn)設(shè)備
1.3.1 激光器
試驗(yàn)所用激光器為IPG公司生產(chǎn)的型號(hào)為YLS-10000的光纖激光器，如圖2(a)所示。其最大輸出功率為10.0 kW，輸出模式為T(mén)EM00，連續(xù)輸出，激光波長(zhǎng)為1070 nm，采用芯徑為0.2 mm光纖進(jìn)行傳輸。型號(hào)YW52的激光焊接頭為Precitec公司生產(chǎn)，如圖2(b)所示。準(zhǔn)直鏡和聚集鏡的焦距分別為125 mm和300 mm，激光焦斑處光斑直徑約為0.48 mm。
1.3.2 夾具
由于鋼帶原始狀態(tài)呈卷制，在焊前拼縫時(shí)不如平直板容易控制裝配間隙和錯(cuò)邊量，因而對(duì)焊接裝配夾具要求非常高，如圖3所示為現(xiàn)場(chǎng)焊接所使用的切割和焊接夾具。
1.3.3 送絲機(jī)
送絲機(jī)為Fronius TPS4000數(shù)字化焊機(jī)，由主機(jī)和送絲頭組成，可以實(shí)現(xiàn)電流、電壓和送絲速度一體化調(diào)節(jié)。送絲機(jī)主機(jī)和送絲頭如圖4所示。送絲速度調(diào)節(jié)范圍為0.5-22 m/min。送絲頭是通過(guò)自制固定裝置固定在激光焊接頭上的。為便于調(diào)整送絲位置和送絲角度，送絲頭固定裝置的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)三維調(diào)整。
2 試驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1 焊縫宏觀形貌
圖5為采用傳統(tǒng)MIG焊得到的焊縫正面和背面熔寬均較大，熱影響區(qū)較大，這是由于傳統(tǒng)MIG焊焊速較慢，相對(duì)激光焊來(lái)說(shuō)，熱輸入會(huì)更大，呈寬而淺的焊縫特征。從圖6和7中可以看到，采用激光焊得到的焊縫外觀均勻且一致，采用激光自熔焊得到的焊縫正面有輕微的凹陷，背面較為飽滿(mǎn)，而采用激光填絲焊得到的焊縫正面和背面均較為飽滿(mǎn)。
圖8為不同焊接方法得到的430鐵素體不銹鋼焊縫橫截面形貌。從圖中可看到，通過(guò)激光自熔焊和激光填絲焊均獲得了無(wú)裂紋和氣孔，界面結(jié)合優(yōu)良的焊接接頭。激光自熔焊得到的焊縫正面存在最大約0.16mm的凹陷，而激光填絲焊得到的焊縫正面和背面相對(duì)更加飽滿(mǎn)。
如表3所示，激光自熔焊和激光填絲焊得到的焊縫正/背面熔寬均大大小于圖5中在MIG焊下得到的焊縫正背面熔寬。由于激光焊接過(guò)程中輸入的熱輸入小且焊接速度快，因而其焊接熔化區(qū)體積遠(yuǎn)小于MIG焊，熔池暴露于氧化環(huán)境里的表面積和時(shí)間也因此而大大減小，焊縫熱影響區(qū)也很小，熱影響區(qū)受熱產(chǎn)生的危害程度可降至最低。
2.2 接頭顯微組織
圖9為430鐵素體不銹鋼激光自熔焊焊縫顯微組織，從圖中可以看到熱影響區(qū)(HAZ)與熔合區(qū)(FZ)有明顯的分界線，熔合區(qū)晶粒較粗大，相對(duì)于母材(BM)晶粒有顯著地長(zhǎng)大，由于激光焊接過(guò)程中，在單相鐵素體結(jié)晶后，冷卻過(guò)程中并不轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，直接冷卻至室溫，從而導(dǎo)致晶粒粗大。熱影響區(qū)寬度較窄，晶粒略有長(zhǎng)大。焊縫內(nèi)部的晶粒形態(tài)主要為柱狀鐵素體晶粒，這是由于在冷卻過(guò)程中，靠近基體的焊縫部分冷卻速度很快，有著較大的溫度梯度，促進(jìn)柱狀晶的形核與長(zhǎng)大。
圖10為430鐵素體不銹鋼激光填絲焊焊縫顯微組織。從圖10(a)中同樣可以看到熔合區(qū)、熱影響區(qū)和母材之間存在明顯的分界線，熱影響區(qū)晶粒相對(duì)母材有略微長(zhǎng)大。但熔合區(qū)晶粒相對(duì)于母材的長(zhǎng)大程度遠(yuǎn)小于激光自熔焊中熔合區(qū)相對(duì)母材晶粒的長(zhǎng)大程度。如圖10(b)和(c)所示，在熔合區(qū)晶界處析出大量的片狀馬氏體，熱影響區(qū)晶界處也有少量馬氏體析出。
2.3 焊縫力學(xué)性能
圖11為進(jìn)行拉伸試驗(yàn)所得到的結(jié)果，從圖中可以看到，激光自熔焊和激光填絲焊焊縫斷裂位置均位于母材，說(shuō)明焊縫抗拉強(qiáng)度優(yōu)于母材，滿(mǎn)足焊接所需要達(dá)到的抗拉強(qiáng)度要求。雖然激光自熔焊焊縫區(qū)的晶粒明顯長(zhǎng)大，但是其大小的分布很均勻，使得焊縫處的力學(xué)性能沒(méi)有受到多大的影響。
圖12(a)所示為激光自熔焊接頭水平位置的維氏硬度曲線，從母材、熱影響區(qū)至焊縫中心硬度顯著提高，母材硬度為180-200HV，焊縫中心硬度達(dá)到340-370HV，焊縫中心區(qū)域的硬度幾乎為母材硬度的兩倍。焊縫硬度分布曲線與激光焊接工藝以及加熱凝固過(guò)程中焊縫區(qū)凝固特點(diǎn)有關(guān)。激光焊接時(shí)熱輸入小，加熱與冷卻速度快，焊縫中心組織均勻，主要為近似等軸的胞狀晶組織，所以焊縫中心硬度較高。圖12(b)為激光填絲焊接頭水平位置的維氏硬度曲線，熔合區(qū)硬度值最高，達(dá)320HV左右，相對(duì)母材有顯著提升，且熔合區(qū)硬度值分布相對(duì)激光自熔焊更加均勻。接頭的顯微硬度分布與前文中接頭的拉伸斷裂位置是相吻合的。
3 結(jié)論
1、相對(duì)激光自熔焊，激光填絲焊焊接430鐵素體不銹鋼所得到的焊縫晶粒更細(xì)小，焊縫成型更均勻、飽滿(mǎn)且無(wú)凹陷、咬邊等缺陷，接頭抗拉強(qiáng)度優(yōu)于母材，且熔合區(qū)硬度值分布更加均勻，最高可達(dá)320HV左右，相對(duì)母材硬度值有顯著提升。
2、430鐵素體不銹鋼激光填絲焊允許一定程度上的拼縫間隙，因而相對(duì)激光自熔焊，對(duì)焊接生產(chǎn)的裝配條件要求可明顯降低。另外，激光填絲焊可在焊接過(guò)程中通過(guò)填充焊絲或焊料的方式控制焊縫合金成分，有效改善焊縫微觀組織，提高焊縫力學(xué)性能。
3、激光焊接可替代傳統(tǒng)MIG焊，成功應(yīng)用于430鐵素體不銹鋼鋼帶的焊接。
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