喷丸和等离子喷涂对不锈钢激光焊接组织和性能的影响

田志平，高海生

（沈阳煤业（集团）机械制造有限公司，辽宁 沈阳 110123）

引言

传统的焊接工艺在焊接效率、高热量输入和焊接熔深方面存在局限性[1]。激光束焊接由于焊接熔深低，热输入低，焊接效率高[2]，因此被用作促进焊接工艺。全奥氏体不锈钢焊接的主要问题是热裂纹和影响产品性能、几何形状的残余应力。

本文采用激光束焊接2 mm厚超奥氏体不锈钢板材喷丸处理的等离子喷涂方法对不锈钢激光焊接组织和性能的影响进行研究。采用激光束焊接超奥氏体不锈钢薄板，获得了较低的热输入、焊接速度和焦距。采用了等离子喷涂方法提高了冶金和机械性能。在熔合区进行拉伸试验，在As焊件、喷丸焊件和等离子喷涂焊件中计算了连接强度。

1 超级奥氏体不锈钢板的实验研究

采用激光束焊接方法对150 mm×150 mm×2 mm厚的超级奥氏体不锈钢（SASS）板材进行了研究。通过激光束焊接在基材的两侧施加低热输入。全穿透深度采用束流功率900 W、焊接速度250 mm/min、焊接焦距8 mm的工艺参数实现。利用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线（EDAX）和X射线衍射技术（XRD），在熔合区、热影响区和基底金属进行了冶金研究。

2 结果和分析

2.1 基材

对于母材奥氏体不锈钢，观察到60%的奥氏体和40%的铁素体。微观结构研究取决于奥氏体和铁素体边界结构。母材C、Cr、Mn、Ni和氧气的化学成分较高，这增加了环境条件下的腐蚀速率。热输入应用于母材，奥氏体α相转化为孪晶界。与铁素体（α）边界相比，奥氏体（γ）边界产生了主要的分裂，而母材上没有形成其他裂纹。

2.2 焊件和喷丸焊件激光焊接的冶金研究

熔合区未形成裂纹。熔合区采用了低热输入，但奥氏体晶界转变为孪晶界和相结构。铁、碳、铬、锰元素是α相的决定因素，因为α+β相转化为α'马氏体结构。在激光焊接过程中，奥氏体生长加快，熔合区和热影响区的铁素体晶界速率逐渐降低。铁素体含量比的相位通过使用母材的低热输入而降低，而基本元素特性没有产生重大变化.在熔合区和热影响区实施的快速冷却方法是形成优质焊接件的氧还原的主要原因。熔合区未形成CrN和Cr2N，晶界增大，材料含氧量降低。喷丸处理后，晶界生长增加，而且粗晶界恢复为孪晶界和α'马氏体。

2.3 等离子涂层焊接件的冶金研究

与喷丸焊接件相比，等离子涂层样品中观察到更多的晶界生长。8 mm喷丸焊件的体积逐渐增加，尽管12 mm PS涂层焊件的尺寸增加了晶粒生长厚度，高热量输入应用于熔合区，而通过α'奥氏体恢复为α'马氏体和B相。PS涂层材料减少了熔合区的氧元素，这是熔合区、热影响区和母材处孔洞和内部裂纹矫正的原因，因为形成了α'马氏体和β'第二相。

2.4 焊件的力学性能

2.4.1 硬度测量

如下页图1所示，作为焊接件，观察到熔合区的硬度值（HV）为235，这是由于奥氏体重新形成孪晶界和粗晶界[3]。热输入使粗晶界坍塌，转变为α'奥氏体显微组织，从而使热影响区的硬度值（HV）降低到210。熔合区的喷丸工艺改善了晶粒生长，并形成了孪晶界，在该孪晶界处，喷丸焊接件的平均熔合区硬度值（HV）在284下获得。热影响区的硬度值（HV）为268，由于热影响区的硬度值降低，奥氏体和孪晶界转变为次级奥氏体。喷丸焊件的硬度值与焊接状态焊件相比提高了11%。

图1 激光束焊接超奥氏体不锈钢焊件、喷丸焊件和等离子涂层焊件的维氏显微硬度

在PS涂层焊件的熔合区，硬度值（HV）达到321。由于在PS焊接件的熔合区和热影响区施加高热量输入，奥氏体转变为马氏体和B相。PS涂层焊接件的硬度值比焊接态焊件的硬度值提高了23%。硬度值测量表明，大部分失效形成于热影响区。

2.4.2 拉伸分析

如图2所示，所有拉伸失效均发生在热影响区，熔合区显示出比热影响区更好的接头强度，因为大部分晶界生长恢复为粗晶界和α'奥氏体结构[4]。焊态焊件的抗拉强度达到856 MPa，表明其延伸强度高于同质结构材料。喷丸焊接件的抗拉强度为955 MPa，熔合区和热影响区未形成其他裂纹和孔洞。如图3所示，在熔合区、热影响区和母材上实施了双面喷丸方法，以减轻材料的内应力，并改善熔合区的机械性能和微观结构。喷丸处理后，熔合区硬度值缓慢增加，奥氏体晶界组织转变为α'马氏体和O相，喷丸焊件的延伸强度比焊接态焊件提高了13%。

图2 激光焊接超奥氏体不锈钢板的残余应力图像

图3 超奥氏体不锈钢薄板的熔合区出现了所有断裂的拉伸

PS涂层焊接件的抗拉强度达到1 012 MPa。与焊态焊接件相比，PS涂层焊接件的延伸强度提高了26%。由于在熔合区、热影响区和母材中应用PS涂层，孔洞和裂纹被清除。喷丸和PS涂层有助于降低内应力，从而增加焊接件的伸长率。

2.4.3 弯曲分析

由于奥氏体晶界转变为α'马氏体和S形，在熔合区和热影响区未观察到裂纹和孔洞的形成。激光焊接的低热输入不影响晶界和相结构，而α'奥氏体强度在熔合区被放大。熔合区的残余压应力增加了熔合区和热处理区的硬度值，影响区和α'奥氏体转变为孪晶界和B相。熔合区、热影响区和母材的严重喷丸处理过程纠正了裂纹、孔洞和韧窝。熔合区的硬度值高于母材的硬度值。等离子涂层焊件在熔合区和热影响区的高热输入使奥氏体晶界完全恢复为α'马氏体和β/β'相,未在熔合区产生CrN和Cr2N。弯曲试验分析观察表明，焊件、喷丸焊件和等离子涂层焊件中未形成其他裂纹。

3 结论

1）激光束焊接的显微组织研究表明，由于在熔合区应用低热量输入，α奥氏体晶界转变为孪晶界和α'马氏体组织。

2）在等离子涂层焊接件中，高热量输入降低了材料的含氧量，粗晶界和α/β奥氏体界转变为B相和O相。

3）等离子涂层焊接件的硬度值在焊接件中显示出23%的提高值，这是由于熔合区铁素体相的变化以及大量热输入将奥氏体结构转化为α'-Cr，α'-Mo层。

4）拉伸失效表明，等离子涂层焊件和喷丸焊件的延伸率分别比焊态焊件提高26%和13%，断口形貌显示微空洞、韧窝和主要空洞。

5）弯曲研究表明，所有焊接件中均未产生其他裂纹和孔洞，因此，喷丸焊接件、PS涂层焊接件和母材中未形成CrN和Cr2N。