430鐵素體不銹鋼鋼帶光纖激光填絲焊焊接工藝研究
孟云飛
武漢法利萊切焊系統(tǒng)工程有限公司，湖北 武漢 436070
摘要：分別研究了激光自熔焊和激光填絲焊焊接工藝對2 mm厚430鐵素體不銹鋼鋼帶焊接的影響，分析了鐵素體不銹鋼激光焊接的組織轉(zhuǎn)變以及力學(xué)性能變化規(guī)律。結(jié)果表明，相對于激光自熔焊接，激光填絲焊焊接430鐵素體不銹鋼所獲得的焊縫晶粒更細(xì)小，焊縫成型更均勻、飽滿且焊縫無凹陷、咬邊等缺陷，接頭抗拉強(qiáng)度優(yōu)于母材，熔合區(qū)硬度值分布更加均勻，最高可達(dá)320HV左右，相對母材硬度值有顯著提升。430鐵素體不銹鋼在0.1mm和0.3mm對接間隙下進(jìn)行激光填絲焊均獲得成型良好且力學(xué)性能優(yōu)良的焊接接頭，從而可大大降低對焊接生產(chǎn)裝配條件的要求。
關(guān)鍵詞：鐵素體不銹鋼；鋼帶；激光焊；激光填絲焊；焊接工藝
0 引言
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)展面臨成本問題，并且奧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)蝕等問題，而影響其使用性能[1]。鐵素體不銹鋼（Ferrite Stainless Steel，簡稱FSS）相對奧氏體不銹鋼來說，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[2,3]，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[4]，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[5,6]。但由于鐵素體不銹鋼在焊接過程中不發(fā)生相變，晶粒在加熱后會(huì)發(fā)生顯著長大，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、接頭裂紋等問題，嚴(yán)重影響其使用性能[7,8]。因此，有必要尋找新的焊接方法解決上述問題，滿足其使用性能。
激光焊接作為高效、環(huán)保的焊接方式，近年來受到越來越多的重視。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)[9-11]，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，焊接過程中并不填充焊絲，只通過對母材的加熱熔化從而凝固形成接頭。激光自熔焊焊接過程中會(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，因而激光自熔焊對接頭裝配間隙和錯(cuò)邊量要求非常高，通常小于 0.1mm[12]。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[13-15]。
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，以及相對于激光焊對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。采用對接連接方式焊接，試驗(yàn)前打磨試件邊緣，保證對接間隙均勻一致，并用丙酮清洗對接部位。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。
1.2 試驗(yàn)方法
為對比激光填絲焊與激光自熔焊的區(qū)別，首先在保證對接裝配間隙小于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，焊前需要通過切割獲得所需鋼帶長度，然后將鋼帶兩端拼接到一起進(jìn)行焊接形成焊縫。
圖1 鋼帶原始狀態(tài)
Fig.1 Original state of steel band
由于激光自熔焊對焊接裝配要求很高，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以內(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對接間隙下進(jìn)行激光填絲焊焊接試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，焊絲伸出長度約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確定[16]。即
其中，成形系數(shù)k可根據(jù)焊縫余高的要求來確定，一般可取1.1-1.7之間。因而根據(jù)公式(4)可以計(jì)算出所需要的送絲量。
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)見表2。
采用顯微鏡對焊接接頭不同區(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TEM00，連續(xù)輸出，激光波長為1070 nm，采用芯徑為0.2 mm光纖進(jìn)行傳輸。型號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，因而對焊接裝配夾具要求非常高，如圖3所示為現(xiàn)場焊接所使用的切割和焊接夾具。
(a)激光切割?yuàn)A具 (b)激光焊接夾具
圖3 激光切割和焊接夾具
Fig.3 Laser cutting and welding fixture
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。
(a)送絲機(jī) (b)送絲頭
圖4 送絲機(jī)和送絲頭固定裝置
Fig.4 Wire feeder and Wire feeder head fixed device
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，相對激光焊來說，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，而采用激光填絲焊得到的焊縫正面和背面均較為飽滿。
圖5 MIG焊得到的430鐵素體不銹鋼焊縫宏觀形貌
Fig.5 Macroscopic appearance of 430 ferritic stainless steel weld by MIG welding
圖6激光自熔焊得到的430鐵素體不銹鋼焊縫宏觀形貌
Fig.6 Macroscopic appearance of 430 ferritic stainless steel weld by laser welding
(c)激光填絲焊（0.1mm間隙下）
圖7激光填絲焊得到的430鐵素體不銹鋼焊縫宏觀形貌
Fig.7 Macroscopic appearance of 430 ferritic stainless steel weld by laser welding with filler wire
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，通過激光自熔焊和激光填絲焊均獲得了無裂紋和氣孔，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更加飽滿。
(a)激光自熔焊 (b)激光填絲焊（0.1mm裝配間隙）
(c) 激光填絲焊（0.3mm裝配間隙）
圖8 不同焊接方法得到的430鐵素體不銹鋼焊縫橫截面形貌
Fig.8 Cross-sectional appearance of 430 ferritic stainless steel weld by different welding method
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，相對于母材(BM)晶粒有顯著地長大，由于激光焊接過程中，在單相鐵素體結(jié)晶后，冷卻過程中并不轉(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)晶粒相對母材有略微長大。但熔合區(qū)晶粒相對于母材的長大程度遠(yuǎn)小于激光自熔焊中熔合區(qū)相對母材晶粒的長大程度。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。
(a)焊接接頭 (b)焊縫
(c)焊縫及熱影響區(qū) (d)母材
圖10 430鐵素體不銹鋼激光填絲焊焊縫顯微組織（δ=0.1）
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，說明焊縫抗拉強(qiáng)度優(yōu)于母材，滿足焊接所需要達(dá)到的抗拉強(qiáng)度要求。雖然激光自熔焊焊縫區(qū)的晶粒明顯長大，但是其大小的分布很均勻，使得焊縫處的力學(xué)性能沒有受到多大的影響。
(a)激光自熔焊 (b) δ=0.1mm (c) δ=0.3mm
圖11 拉伸試驗(yàn)結(jié)果
Fig.11 Results of tensile experiments
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，相對母材有顯著提升，且熔合區(qū)硬度值分布相對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、飽滿且無凹陷、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，因而相對激光自熔焊，對焊接生產(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程中通過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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