激光功率对304不锈钢圆管焊缝成形及显微组织影响

刘瑞琳 刘云祺 程 乾 门正兴 蔡昌勇 马亚鑫

(1. 成都航空职业技术学院机电工程学院，四川610010；2. 西南交通大学材料科学与工程学院，四川610031)

304不锈钢因其具有良好的焊接性、耐腐蚀性能和良好的性能而被广泛地应用于航空航天、汽车、船舶和医疗器械等领域。焊接时不可避免地会存在失稳变形的问题，304不锈钢热导率低，线膨胀系数小，采用传统焊接方法时易出现较大的焊接变形或烧穿缺陷[1-3]，因此304不锈钢薄壁件的焊接对焊接热输入很敏感，过高的热输入会使得焊件变形或烧穿，影响零件的外观，过低的热输入又无法保证焊透，降低焊缝的性能。

激光焊[4]与传统电弧焊相比，具有热输入小、热影响区小、接头强度高等优点，且激光光束定位准确，可以通过调节激光功率更好地控制热输入，减小焊件变形。本文采用光纤激光器，针对壁厚1.5 mm的304不锈钢管件进行不同激光功率下的对接焊试验研究，观察其焊缝成型和组织。

1 试验设备与方法

试验所选材料为SUS304不锈钢圆管，圆管壁厚1.5 mm(外径20 mm，内径17 mm)。焊前采用砂纸打磨去除材料表面的氧化膜，并用无水乙醇擦拭吹干。试验采用4 kW激光-电弧复合焊接系统，选择单激光模式，所用的激光器为IPG YLS-4000光纤激光器，激光器通过ABB IRB2600六轴联动的机器人移动，保护气体为99.99%的高纯氩气。焊接线速度为20 mms，保护气体流量30 Lmin，激光角度10°，激光功率如表1所示。304不锈钢圆管采用对接的方式装配在焊接夹具上，焊接时焊件夹具一起转动，激光器和焊枪固定不动，如图1所示。因为激光光斑直径很小，所以装配时保证两圆管之间的间隙尽量小，防止间隙过大，激光光束穿过间隙，造成焊接缺陷。

表1 激光功率Table 1 Laser power

焊后采用金相切割方法垂直于焊缝切取试样，用砂纸逐级打磨后，再抛光至镜面腐蚀，采用JENOPTIK体视显微镜观察焊接接头截面的宏观形貌，采用显微镜进行金相分析，腐蚀液为王水。

(a)1号试样(b)2号试样(c)3号试样

图2 焊缝表面和截面形貌Figure 2 Weld surface and section morphology

图3 焊缝和母材组织(500×)Figure 3 Microstructure of weld and base metal(500×)

BM—母材 HAZ—热影响区 FZ—焊缝
图4 圆管接头维氏硬度分布曲线
Figure 4 Vickers hardness distribution curve of pipe joints

2 试验结果与讨论

2.1 激光功率对焊缝成形的影响

焊缝表面和截面形貌如图2所示，由宏观形貌图可以看出，随着激光功率的增加，焊缝宽度增加，表面激光功率增加，焊缝的热输入也随之增加，且不同激光功率下的焊缝表面平整光亮，无太大区别。激光功率为2200 W时，焊缝呈半圆形，熔深约为1.2 mm，未焊透；激光功率为2400 W，焊缝截面近似上下等宽呈矩形，焊缝焊透。当激光功率为2600 W时，焊缝上部宽下部窄，截面呈倒梯形，焊缝焊透。激光功率太小，焊件焊不透，激光功率太大熔宽增加，不利于焊缝成形和美观，激光功率在2400 W较为合适。

2.2 焊缝组织特征

图3是不同激光功率下的焊缝组织，具有典型的激光重熔后凝固组织特征。在500倍放大镜下观察，从母材到热影响区到焊缝中心，各层的显微组织差异明显，304不锈钢母材是奥氏体组织，焊缝中心为细小的等轴晶组织。激光焊接时，由于激光加热范围小，温度梯度较大，热量主要靠热传导作用向外扩散，因此，液态熔池的温度梯度和过冷度都很大，同时激光焊接时焊接速度快，高温停留时间短，限制了晶粒长大，使得焊缝晶粒细小。熔合线因靠近母材，温度梯度大，柱状晶垂直于熔合线向焊缝中心生长。由于激光焊接时的热输集中且冷却速度快，因此热影响区范围很窄。

2.3 截面硬度分布

圆管接头的维氏硬度分布曲线如图4所示，焊缝打点位置如图2所示,接头母材的平均硬度为203HV，焊缝区平均硬度为185HV，熔合线附

近平均硬度为184HV。母材的硬度稍高于焊缝区，这可能是因为焊缝快速凝固，铁素体来不及发生相变转变为奥氏体组织。根据凝固模式和伪二元相图可知[5-6]，不同的铬镍当量比值CreqNieq对应不同的凝固模式和室温组织，而304奥氏体不锈钢的CreqNieq为2.06[7]，其凝固模式为F模式，室温组织为铁素体+奥氏体。

3 结论

(1)当激光功率在2400 W时，焊缝截面形状为矩形，上下宽度近似相等，焊缝表面和截面成型良好；

(2)焊缝中心为等轴晶组织，熔合线处为柱状晶组织，热影响区范围很窄。