SUS304不锈钢脉冲激光焊接头的缺陷及防止措施.doc

不锈钢薄板脉冲激光焊工艺气孔的产生机理及防止措施李庆，余圣甫，王皓（华中科技大学 材料学院 湖北 武汉 430074）摘要：采用不同的工艺参数对SUS304不锈钢薄板进行脉冲激光焊焊接，使用金相显微镜和扫描电镜观察焊缝金相组织和气孔形貌，并对接头进行拉伸试验和微观硬度测试。结果表明：不锈钢激光脉冲焊一般不产生冶金气孔，不当的焊接工艺可产生不规则的和圆锥形两种尺寸较大的工艺气孔，严重降低接头成形质量。适当增大脉冲频率和脉宽可以有效提高焊缝质量，当脉冲频率为15Hz，脉宽为3ms时，焊缝中气孔基本消除。关键词：SUS304不锈钢；脉冲激光焊；工艺气孔；工艺参数中图分类号：TG40 文献标志码：AProduction mechanism and prevention measurement of the technical porosity in stainless steel sheet pulsed laser weldingLiqing，Yu Shengfu， Wanghao(College of Material Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)Abstract: The SUS304 stainless steel sheet pulsed laser welding was carried out in the different process parameters, with Optical Microscope (OM) and Scanning Electron Microscopy (SEM) to observe metallurgical structure and porosity morphology of welding seam, and then the tensile examination and microhardness testing were performed. The results show that, in general, there is no metallurgical porosity in the SUS304 stainless steel sheet pulsed laser welding processing , if the welding process is not suitable, the irregular and conic porosity will be produced, which weakening the welding quality. In this work, the welding quality will be improved as enlarging pulse frequency and pulse width. Especially, the porosity will disappear when 15HZ pulse frequency and 3ms pulse width.Keywords: The SUS304 stainless steel sheet; pulsed laser welding; technical porosity; process parameters.0 引言奥氏体不锈钢无磁性，抗腐蚀性能优良，同时具有较高的强度和塑韧性，是应用非常广泛的结构功能一体化材料，但奥氏体不锈钢具有较大的线膨胀系数和较低的热导率 1-3。而脉冲激光焊的热输入小，焊接速度快，具有精密的加工性能4，适合加工不锈钢薄板等附加值和精度要求较高的产品。但由于工艺的不成熟且薄板构件容易失稳，脉冲激光焊接不锈钢薄板时常出现气孔等缺陷5-6。本文研究了脉冲激光焊焊接工艺对气孔等缺陷及力学性能的影响，提出了最大程度上防止常见焊接缺陷的焊接工艺方案。1 试样制备与试验方法试验采用SUS304奥氏体不锈钢板，其化学成分如表1所示，屈服强度Rp0.2=294MPa，抗拉强度Rm=709MPa，A=40%。试板尺寸为60mm40mm1mm。平板对接焊，焊前接头经砂纸打磨并用丙酮清洗，烘干去除水分。试验使用500W的脉冲Nd：YAG激光焊机，光斑直径为0.3-1.0mm。为保证焊缝成形质量，脉冲激光焊接时须综合考虑各参数，共分3个试验组，结合实验结果分析各参数对成形质量的影响，优化焊接工艺，焊接参数见表2。表1 试验用SUS304不锈钢的化学成分合金元素CSiCrMnNiPSCu含量（wt%）0.071.0017.00-19.002.008.00-11.000.0350.0301.00-3.00表2 焊接工艺参数试验组焊接电流I/A焊接速度v/mmmin-1脉冲频率f/Hz脉宽l/ms离焦量h/mmI180800132.5-1II180800142.5-1III180800143-1采用光学显微镜和扫描电镜研究接头的微观组织及焊缝形貌；用电子万能试验机对接头进行拉伸试验，每组做三个试样，取平均值；用HV-1000显微硬度计测量的焊接接头的显微硬度。 2 试验结果与分析 a试验组I b试验组II c试验组III 图1 不同焊参数下焊缝截面金相组织2.1 显微组织分析试样在焊接前经砂纸打磨，丙酮擦拭和烘干处理，杂质和水分已经基本消除，又在干燥的氩气保护下进行焊接，几乎不产生冶金型气孔，且冶金型气孔尺寸较小，为内壁光滑的圆球形。少量冶金型气孔对焊接接头力学性能影响很小，不作为本试验的研究重点。图1为各试验组焊接接头截面的金相组织，如图中曲线所示，HAZ与焊缝区有一条明显的熔合线，焊缝区主要由柱状晶组成，柱状晶依附未熔化的母材晶粒向焊缝中心生长，其尺寸较母材和焊缝上层的晶粒粗大；焊缝上层金属冷却很快，形成细小的等轴晶组织，两层之间有明显的分界线。I、II两试验组焊接线能量较小，从图1-a、1-b箭头所指可以看到，在焊缝底部有尺寸较大、形状不规则的气孔，这是典型的小孔效应造成的工艺气孔。深熔焊时，小孔内部处于不稳定的状态，会产生很多金属蒸汽，小孔和熔池又处于剧烈运动中，金属蒸汽向外喷出形成涡流，涡流将部分保护气体卷入熔池中形成气泡，而熔池中不锈钢熔化后流动性很差且冷却速度很快，熔池会在很短的时间内凝固，气泡来不及逸出残留在焊缝中就形成了气孔，其形貌仍保留了涡流的特点。III试验组提高了脉冲频率和脉宽，使焊接线能量增大，气泡有更多的时间上浮逸出，显著降低了焊缝中工艺气孔的含量。图1-c中焊缝形貌良好，几乎没有飞溅和咬边，无肉眼可见的宏观气孔。I试样组脉冲频率低，脉宽较小，造成焊点分离，焊缝不连续，且每个焊点上中心都有小孔洞产生，如图2所示。II、III试样组观察不到表面孔洞。但II试样组沿焊缝轴向打磨后也会出现如图3所示的圆形孔洞，直径F0.22-0.41mm，沿焊缝方向与焊点同心分布。III组无孔洞。II试样组的气孔与I试样组孔洞位置分布相同，形貌特征类似，应有相同的产生机理。从图4的俯视图和剖面图可以判定孔洞为倒圆锥形，内壁有明显的金属冲刷形成的环状闭合线，呈阶梯台阶状分布，与等高线类似，这是因为高能激光束打在金属工件表面，表层金属迅速受热气化成金属蒸汽逸散到空气中去，随着熔池加深和等离子云的阻碍，激光束能量发生衰减，金属熔化面积逐渐变小。气孔内壁上沿有较大瘤状金属附着物，这是飞溅的液态金属冷却后产生的。 图2 I组试样焊缝形貌图3 II试样组焊缝气孔SEM扫描图 a-俯视图 b-剖面图图4 气孔SEM扫描图 a-试验组I b-试验组II c-试验组III图5 拉伸断口形貌SEM扫描图图5是各组试样沿焊缝断裂的拉伸断口形貌SEM扫描图，从图中可以看出不同试验组的气孔变化。I试样组脉冲频率和脉宽都较小，熔池内的液态金属迅速冷却凝固，不足以覆盖金属蒸汽逸散造成的小孔，形成了开放型的孔洞。II试样组增加脉冲频率，热输入变大，熔池液态金属增多，冷却速度变慢，并且相邻焊点的距离变短，给液态金属填充小孔创造了条件，但SUS304不锈钢合金元素含量高，液态流动性差，填充不足从而形成的闭合气孔。III组进一步加大脉宽，提高线能量，有效消除了气孔。2.2 力学性能分析各组试样和母材的抗拉强度和硬度值如表4所示。各组试样的抗拉强度与其母材相比均有所降低，不过当其中第III组试样的抗拉强度明显高于其他三组，能达到母材的95.2%。这是因为气孔减小了前两组试样接头的有效连接面积，气孔尖端容易形成应力集中，产生裂纹源，降低了焊接接头的抗拉强度。各组试样的维氏硬度与母材的维氏硬度相比，均有所提高。表4 各试验组和母材的机械性能组别试验组I试验组II试验组III母材抗拉强度/Mp508.46614.30674.99709.23平均硬度/kgfmm-1209.14209.44225.23179.913 结论（1）奥氏体不锈钢熔池流动性较差，脉冲激光焊时气泡逸出慢，小孔不易被填充，易形成不规则状和倒圆锥状两种工艺气孔，降低接头抗拉强度。（2）调整焊接工艺参数，合理的热输入可以有效的消除工艺气孔缺陷。（3）脉冲激光焊焊SUS304不锈钢1mm厚薄板，焊接电流为180A，焊接速度800mm/min,脉冲频率14Hz，脉宽3ms，离焦量-1mm时可以获得良好的焊接接头组织。参考文献：1 张文俊. A304不锈钢调制脉冲YAG激光焊工艺的研究:硕士论文. 天津:天津理工大学图书馆, 2012.2 杨立军,孙贵铮,王金杰等, A304不锈钢薄板激光焊接工艺试验研究J. 电焊机, 2011, 41(1):6669.3 谢丽初,全亚杰.ZK60镁合金CO2激光焊接头的缺陷及防治措施J.邵阳学院学报,2012,9（3）：4954.4 张旭东,陈武柱,包刚等,激光深熔焊时气孔缺陷控制技术研究.第十一次全国焊接会议论文集,2005.5 Tommi Jokinen, V