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不锈钢焊接研究现状和发展趋势摘要 不锈钢具有多种优点，且焊接性良好，但是传统的焊接方法由于种种原因导致其接头缺陷严重，因此新的焊接方法的研发迫在眉睫。本文主要分析了不锈钢传统焊接方法的各种优缺点，进而对激光-MIG复合焊焊接不锈钢这一新的焊接方法做了一定的研究，分析了国内外的研究进展，并对其发展做了展望。关键词 不锈钢、激光-MIG复合焊、研究现状、发展趋势0 引言不锈钢由于其表面光洁，具有不锈和耐蚀性并有其他许多优良性能，在许多工业领域、装饰业以及日常生活中得到了广泛的应用。而近年来迅速发展起来的铁素体不锈钢由于其价格 经济，综合性能优良和表面更加光亮等日益受到钢铁制造企业及用户的重视。但是由于工艺不当、材料有缺陷等原因会对不锈钢焊接接头造成种种缺陷。如：焊接接头的脆化、焊缝的均匀腐蚀、接头的点蚀、应力腐蚀破裂、易产生热裂纹，由于导热系数小线膨胀系数大，易于形成联生结晶方向性强的柱状晶的焊缝组织，焊缝组织成分复杂1。以上问题都极大的限制了不锈钢的应用。于是发展新型焊接工艺尤其是新型的焊接方法迫在眉睫。因此各种各样新型焊种应运而生，如搅拌摩擦焊、激光焊等。此处我们的研究项目是激光焊接不锈钢。1 不锈钢的焊接性分析不锈钢作为现代工业中一种重要的材料，已有100多年的历史。因不锈钢具有高强度、可焊接性、抗腐蚀性、易加工性和表面具有光泽性等许多优异的特性，在宇航、化工、汽车、食品机械、医药、仪器仪表、能源等工业及建筑装饰方面得到了广泛而重要的应用。但随着石油化工工业、军事工业及海洋开发的迅速发展，对不锈钢提出了更高的要求，传统的不锈钢已经适应不了特殊行业和特殊功能领域的使用要求，因此，不锈钢材料也逐步向功能性和特殊性方向发展，出现了超级不锈钢和满足各种特殊功能要求的功能性不锈钢。铁素体不锈钢含铬量在1130，具有体心立方晶格结构，在使用状态下以铁素体组织为主。铁素体 不锈钢与奥氏体不锈钢(如AISI304等)相比，具有强度高，冷加工硬化倾向较低，导热系数大、线膨胀系数小等优点。传统的铁素体不锈钢由于钢中的C和N等间隙元素含量比较高，因此存在韧性差，耐蚀性和焊接性差等缺点，因此其应用范围极其有限。近年来，由于不锈钢精炼技术的发展，AOD、VOD等工艺的应用，已经能生产出低碳、氮和氧的超纯铁素体不锈钢，使得上述铁素体不锈钢的缺点得到了一定程度的改善并进一步发展了许多新的焊接性好、加工性能优良的新 品种。这类铁素体不锈钢的特点就是中、高铬，不含或含少量镍，同时添加了有益金元素铌、钛、钼等该 类不锈钢成形性、耐蚀性和焊接性优良2。奥氏体铬镍不锈钢的使用是最广泛的，良好的耐蚀性是这类不锈钢的特点，它也可被用于需要其低导磁率、良好的零下低温韧性 、高的高温强度等场合。奥氏体不锈钢成功焊接的一个重要部分是通过选择焊缝金属的类型、焊接工艺和焊后热处理来控制其成分和显微组织。当这类钢的成分变得复杂、断面更大或使用条件要求更广时就会产生一系列的问题。为了解决这些问题，就需要有较多的冶金知识。虽然这些问题很少发生，但对材料的消耗和重要的焊接件来说，应尽早解决这些问题3。2 不锈钢的焊接研究现状2.1 不锈钢的手工钨极氩弧焊连接手工钨极氩弧焊电弧热量集中且操作灵活方便，适宜应用于焊接情况复杂多变的石油、化工 野外现场施工中。在焊接工艺上要求其采用短弧快速的小线能量焊接，尽量减小焊缝过热，以防止焊接接头应力腐蚀开裂和热裂纹的产生。因焊缝过热减小，也就相应减少了焊缝金属 在敏化温度区停留的时间，焊接接头的晶间腐蚀倾向减小。手工钨极氩弧焊焊接不锈钢使用的弧焊电源一般采用普通直流氩弧焊机，在条件允许的情况下最宜采用脉冲氩弧焊机。手工 脉冲氩弧焊工艺对于不锈钢焊件的全位置焊、窄间隙焊以及要求单面焊双面成形的管件、薄件均显示出独特的优越性，是一种高效、优质、经济、节能的先进焊接工艺。奥氏体不锈钢的热导率低，在同样的焊接电流下可获得比结构钢大的熔深。为了获得一定尺 寸的焊缝，同时为了防止过热，焊接电流应比焊接普通低合金钢时小1020，并且倾向于采用细直径的焊丝。这样既可达到所需的溶深，又使得焊道截面相对减小，即焊接电流的相对减小有利于提高焊缝抗裂性能4。2.2 不锈钢的钎焊连接钎焊（Soldering and Brazing）：利用熔点比母材（被钎焊材料）熔点低的填充金属（称为钎料或焊料），在低于母材熔点、高于钎料熔点的温度下，利用液态钎料在母材表面润湿、铺展和在母材间隙中填缝，与母材相互溶解与扩散，而实现零件间的连接的焊接方法。较之熔焊，钎焊时母材不熔化，仅钎料熔化；较之压焊，钎焊时不对焊件施加压力。钎焊形成的焊缝称为钎缝。钎焊所用的填充金属称为钎料。钎焊过程：表面清洗好的工件以搭接型式装配在一起，把钎料放在接头间隙附近或接头间隙之间。当工件与钎料被加热到稍高于钎料熔点温度后，钎料熔化（工件未熔化），并借助毛细管作用被吸入和充满固态工件间隙之间，液态钎料与工件金属相互扩散溶解，冷疑后即形成钎焊接头。陈志林5等人对不锈钢不锈钢钎焊接头电化学行为进行了研究。其结论是：(1)多元合金铁基堆焊层焊态组织主要是马氏体和残余奥氏体，具有较高的抵抗急冷急热软化能力。(2)多元合金铁基堆焊层经500018冷热循环处理后，其硬度值基本不变：经5608冷热循环超过80次后，硬度有所增加，达563HRC；然后，随循环上限温度的升高。经冷热循环处理后，硬度有所降低，当该堆焊层经70018冷热循环120次后，其硬度为425 HRC。张秉刚6等人对铬青铜与双相不锈钢电子束熔钎焊接头形成机制进行了研究。结论是：(1) 采用不等厚接头形式及电子束以一定偏移量作用于铜侧可形成连接性能良好QCrO81Cr21Ni5Ti电子束熔钎接头。(2)铬青铜与双相不锈钢电子束熔钎焊接头的焊缝组 织为宏观均匀的Cu(SSFe)相，熔钎界面上部形成了与焊缝及钢侧母材连接良好的一薄的+相熔合过渡层，下部为钎合面。(3)QCrO8与1Cr21Ni5Ti不等厚偏铜电子束熔钎焊接头形成过程可大致分为四个阶段，匙孔形熔池形成阶段、熔合过渡层形成阶段、钎缝形成阶段、最终组织形成阶段7。2.3 不锈钢的电阻焊连接电阻焊（resistance welding）就是将工件组合后通过电极施加压力，利用电流通过接头的接触面及邻近区域产生的电阻热进行焊接的方法。电阻焊利用电流流经工件接触面及邻近区域产生的电阻热效应将其加热到熔化或塑性状态，使之形成金属结合的一种方法。电阻焊方法主要有四种，即点焊、缝焊、凸焊、对焊。梁海、张玉克8选用先进的中频逆变式直流焊机，采用大电流、短时间和陡升的电流波形前沿的加热规范，以及步进式焊接进给方式，1:10大厚度比电阻缝焊可以形成质量良好的 内部和外部的焊缝，矫正了焊缝熔核偏移现象，焊缝熔核呈环形焊透特征。(0.2+2.2 )mm大厚度比不锈钢缝焊组件接头的熔核宽度达到了1.75mm，焊透率大于10%，工艺撕破良好，焊缝外形美观，压痕均匀。焊缝在水中进行1.6MPa压力气密试验2min 不泄漏。以新 型的中频逆变直流电阻缝焊工艺和设备代替了传统的储能式电阻焊工艺和设备，实现了大厚度比电阻缝焊，为推广应用积累了经验。丁成钢9等人对不锈钢电阻点焊的工艺进行了详细的研究。最终得出结论：(1)不锈钢1.5mm薄板点焊时，采用中等偏硬的点焊规范，接头的外观、平滑度及熔核尺寸和力学性能均达到 了相关标准的要求。(2)待焊表面涂抹密封胶后，可使点焊接头产生结合线伸入缺陷，熔核直径和接头的力学性能略有下降，但符合标准的要求；接头的外观、平滑度不受影响。(3)点焊熔核组织呈典型的奥氏体柱状晶形态，待焊表面涂抹的密封胶对接头的组织无不良影响。胡礼木10对电阻对焊接头的性能进行了研究。得出结论：(1)含钼、氢较低的双相钢SAF2304 的电阻对焊接头的tcpt为6 ，比母材的下降了9。(2)含钼、氨较高的3种双相钢SAF2205的电阻对焊接头的为2330。与母材相比下降幅度在10以内。其力学性能也有所下降，下降幅度约为20%，表现出较好的焊接性能和焊后抗点蚀性能。(3)超级取相钢SAF2507的电阻对焊接头的与其母材的相当，高达6568。力学性能略有下降，且热影响区窄，晶粒长大倾向小，表现出极好的焊接性能和焊后抗点蚀性能。2.4 不锈钢的搅拌磨擦焊连接拌摩擦焊（Friction Stir Welding）是由英国焊接研究所（TWI）于1991年提出的专利焊接技术。搅拌摩擦焊问世以来，引起了各国学者和研究机构的广泛重视，成为了国内外的研究热点。搅拌摩擦焊在开发初期主要是应用于铝及其合金系列的材料，目前铝合金的应用已经基本成熟10-11。基于大型铝搅拌摩擦焊结构的成功，并借鉴铝合金对其在焊接机理、工艺、组织性能和搅拌摩擦头方面的研究，国外不锈钢的搅拌摩擦焊正积极进行探讨，许多文章提到了钢的搅拌摩擦焊的可行性,报道了搅拌摩擦焊缝与母材的机械性能，但都还是处于初步研究阶段12-14。不锈钢搅拌摩擦焊具有其他传统焊接方法不具备的优点。FSW低的热量输入（相对熔化焊而言）在热影响区产生很小的冶金学改变和最小的扭曲及残余变形的特点，在焊接厚板时尤其重要比如在造船和车辆工业上。而且，由于FS W过程是固相连接过程，不锈钢中的氢致裂纹问题可能被消除。另外，搅拌摩擦焊的固相特性消除了焊接烟雾。这些优点可能使得不锈钢的搅拌摩擦焊得到广泛应用。不锈钢搅拌摩擦焊在搅拌摩擦焊在未来的发展中是一个新兴的课题，国外对不锈钢搅拌摩擦焊的系统研究还不是很多，只是对304不锈钢进行了初步的研究。在国内，兰州理工大学对不锈钢搅拌摩擦焊进行了探索性研究，已取得初步成果搅拌摩擦焊在不锈钢材料连接工程化应用的关键是：高熔点、高硬度搅拌摩擦头材料的选择，搅拌摩擦头几何形状的优化设计和寿命的有效提高。2.5 不锈钢的埋弧焊连接埋弧焊（含埋弧堆焊及电渣堆焊等）是一种电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法。其固有的焊接质量稳定、焊接生产率高、无弧光及烟尘很少等优点，使其成为压力容器、管段制造、箱型梁柱等重要钢结构制作中的主要焊接方法。近年来，虽然先后出现了许多种高效、优质的新焊接方法，但埋弧焊的应用领域依然未受任何影响。从各种熔焊方法的熔敷金属重量所占份额的角度来看，埋弧焊约占10%左右，且多年来一直变化不大。李杰15等人对奥氏体不锈钢埋弧焊拼排焊接进行了一系列实验，取得了一定的进展。从其研究中我们可以知道：（1）在合理的焊接规范及焊接材料下，奥氏体不锈钢自动埋弧焊焊缝质量良好，管屏焊后整体变形小，奥氏体不锈钢采用埋弧焊并排是可行的。（2）厚度为=8mm扁钢必须开坡口，才能完全达到未焊透C值考核要求。（3）选用的GXS-340、TFS-330及CHF601焊剂与GWS-347及TW347焊丝组合均适合奥氏体不锈钢管排埋弧焊并排焊接，但GXS-340脱渣性能比TFS-330及CHF601略差，推荐采用TFS-330及CHF601。邱葭菲16等人对不锈钢埋弧焊工艺进行了实验。其结论是：(1)对奥氏体不锈钢06Crl9Nil0采用埋弧焊工艺焊接，焊接接头的力学性能、工艺性能及耐腐蚀性能能满足焊接生产的需要，可代替焊条电弧焊和钨极氩弧焊。(2)焊剂HJ260及焊剂SJ601配用相应的焊丝进行焊接，均 能满足产品焊接质量要求，但采用SJ601焊剂焊接的接头力学性能要优于采用HJ260的且SJ601焊剂的堆积密度小。相同焊缝焊接时焊剂消耗量小，有利于经济效益的提高。(3)根据 奥氏体不锈钢的物理性能和埋弧焊工艺特点。对奥氏体不锈钢进行埋弧焊时，应采用较小的热输入、快速焊、控制好道间温度，以防止接头过热，提高接头耐腐蚀性能。2.6 不锈钢的激光焊连接激光焊是以聚焦的激光束作为能源轰击焊件所产生的热量进行焊接的一种高效精密的焊接方法。激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一。20世纪70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其独特的优点，已成功应用于微、小型零件的精密焊接中。姜泽东17等人对不锈钢薄板脉冲激光焊焊接热过程数值进行了分析，分析过程中考虑到激光输出功率受激光频率脉宽以及焊接电流等诸多因素的影响,计算时通过分析焊接速度对焊缝成形的影响来阐述了线能量对焊接质量的影响,结论是：（1）在试验的基础上,利用ANSYS有限元软件对304不锈钢薄板脉冲激光焊接热过程进行了数值分析,数值模拟得到的焊缝尺寸与实际焊缝基本吻合。（2）ANSYS计算所得熔池大小与试验结果基本一致，熔池的尺寸随着输入能量的增加熔池长大速度明显变快,计算结果表明,在激光加热0.05 s后材料开始熔化,熔池呈现大幅度增长趋势。（3）焊接速度对熔深和熔宽的影响较为显著熔宽随焊接速度的增加而逐渐减小, 当焊接速度达到0.5 m/min时,熔宽变化速度趋于平缓，焊接熔深几乎与焊接速度成反比,焊接速度过快,难以形成小孔效应,而过低的焊接速度会使材料过渡熔化和烧损,所以焊接时应选择合理的焊接速度计算结果表明,当焊接速度约为0.4 m/min时,熔深为0.5mm以上,能够保证工件熔透,且深宽比可达到2：1。杨立军18等人对不锈钢薄板激光焊工艺进行了一系列实验，结论是：A304不锈钢薄板激光焊在较大的焊接参数范围内都可以将板材熔透激光功率和焊接速度对焊缝是否熔透的影响是不同的，并不完全取决于名义上的热输入的大小；其中激光功率的影响更大，这意味着在不同激光功率条件下，材料熔化对激光能量吸收利用的比例是不同的。调制脉冲激光焊由于峰值激光功率较大，可以以较小的激光平均功率将试验用工件熔透但其焊缝呈现出明显的分层凝固现象，越靠近焊缝中心，层中的枝晶越粗大。权雯雯19等人对不锈钢低功率脉冲活性激光焊进行了研究，得出的结论是：(1)将活性焊接 技术引人SUS304的低功率脉冲激光焊接中,研究发现单一活性剂的存在使焊缝熔深均有不 同程度的改变。其中,TIO:增加熔深效果最为明显。氧化物活性剂均可使深宽比有不同程度的增加,其增加效果由大到小分别为Cr2O3、TiO2、SiO2。而氟化物对深宽比则无明显增加效果。(2)活性剂涂层可以有效提高激光的利用率,增加焊缝的热输人。此外,氧化物活性剂还通过改变熔池表面张力的分布影响了熔池流动状态,使焊缝深宽比显著增加。(3)焊缝显微组织为柱状晶和等轴晶。活性剂的存在导致焊接热输入增加,从而使得焊缝中的柱状晶区域扩大,等轴晶区域变小。由于气孔会影响其周围的热导率,气孔周围的局部区域出现了等轴晶。韩国明20等人对不锈钢焊接温度场进行了数学建模分析，得出的结论是：(1)在试验的基础上,通过对焊缝形状和激光热源的综合分析,建立了与熔池形状类似的组合体移动热源模型。(2)利用ANSYS有限元软件对激光焊接的焊缝形状进行了模拟仿真,模拟得到的焊缝形状与实际焊缝形状基本吻合。(3)利用ANSYS有限元软件对激光焊接的准稳态三维温度场进行了模拟,在有限元分析时考虑了热物理参数对温度的依赖性,采用了余量控制法,保证了根据选择节点的精确性。仿真结果表明,等温线呈椭圆形,在移动热源的前方等温线密集,温度梯度较大,热源后方的等温线较稀疏,温度梯度小。(4)激光焊接时熔池表面中心附近的温度最高, 熔池 表面附近的金属蒸气最高温度可达13332。黄冬林21等人对超薄不锈钢激光精密缝焊工艺进行了研究，结论是：（1）电流为78 A，频率10 Hz，脉冲宽度1ms，正离焦量2mm时，可对0.15mm超薄304不锈钢实现精密缝焊,能得到光滑美观的焊缝。（2）随着电流的增大，焊缝的宽度增大，焊接过程逐渐出现飞溅，焊缝表面出现氧化现象，并有粗糙感。（3）随脉冲宽度的增大，焊缝的宽度也在增大。脉宽的变化对不锈钢超薄板激光焊接的效果影响非常显著，脉冲宽度的微小增大，都可能导致试样被氧化和烧穿。（4）随脉冲频率的增加，焊点重叠率增大，焊缝宽度先增大，后基本保持不变。在显微镜下观察，焊缝越来越光滑美观，但脉冲频率增加到一定值时，焊接过程飞溅严重，焊缝变得粗糙，并且试样的上下表面都出现氧化现象（5）超薄板材料的激光焊接适宜采用正离焦，在相同离焦量的情况下，正离焦激光焊得到的焊缝表面比负离焦时要光滑美观。樊丁22等人对不锈钢活性激光焊工艺进行了研究，其结论是：（1）各焊缝表面成形良好，波纹过渡均匀，细腻。（2）焊接速度和激光功率对YAG激光焊焊缝成形的影响较大。（3）散焦离焦量和保护气种类对YAG激光焊焊缝成形的影响较小。（4）与硫含量较低的情况相比，活性剂和活性元素硫含量较高的情况下均能使得焊缝熔宽发生明显收缩，随着热输入量的增加，活性剂增加熔深的效果更加明显，活性剂对熔深的影响效果与焊接过程的热输入量有密切联系。毛卫平23等人进行了不锈钢薄板激光对接焊有限元仿真分析。得出的结论是：（1）利用ANSYS有限元软件对激光焊接的温度场进行模拟仿真分析，结果表明，等温线呈椭圆形，在移动热源的前方较密集，温度梯度较大，热源后方相对稀疏，温度梯度较小。（2）在温度场分析的基础上，对焊接残余应力场进行仿真分析，得出残余应力的分布规律，焊缝区呈现残余拉伸应力,而周围区域呈现压应力。（3）利用250W激光焊接机对AISI202不锈钢薄板进行对接焊，分别测量横向和纵向残余应力，并与仿真结果对比，二者具有较好的一致性。当前, 工业焊接生产中常用的钨极惰性气体(tungsten inert gas ,T IG) 焊接工艺具有焊缝成型质量好的优点,但也具有单道焊接熔深浅、 热影响区大、对材料成分的变化敏感、生产效率低的缺点24。我国科学家严军25等人对316L不锈钢激光-钨极惰性气体复合焊接工艺进行了研究。最终得出结论：(1)TIG电弧在小电流条件下不稳定, 激光的加入可以提高其稳定性, 提高焊缝的表面成形质量。复合焊接可以提高焊缝的桥接能力、增大焊接熔深。在激光功P2.5kW时,会产生小孔效应，激光压缩电弧，其对复合焊接熔深影响显著。(2)激光-TIG 焊接中，在电弧电流小于150A时，激光对电弧的压缩作用强，焊接熔宽与两热源的热输入关系密切；当电流大于150A时，激光对电弧的引导作用变弱，等离子膨胀、长大，仅电弧电流是焊接熔宽的决定性因素。(3)激光-TIG焊接中，热源的复合效果对两者间距D十分敏感，存在一个最佳间距 (2mm3mm)，该条件下的焊接熔深是D为试验中其它参数下的1.46倍2.54倍。铁素体不锈钢具有成本低、膨胀系数小、应力腐蚀性能好等优势，广泛应用于家用电器、建筑和装饰中26-28。任平29等人对15Cr铁素体不锈钢性能及焊管开裂进行了分析。结论是：（1）15%Cr铁素体不锈钢板材热轧退火组织晶粒较大且均匀分布，为后续冷轧退火板获得均匀分布的组织提供基础，从而获得良好的机械加工性能。(2)激光焊接接头的焊缝很窄，在焊缝处存在明显的界线。激光焊焊缝在高速焊接的过程中快速冷却形成树枝状的铸态晶体组织，树枝晶的方向与焊接方向约成60。同时焊缝与母材之间为不平直的界面，对其结合性有较佳的贡献。热影响区晶粒略有长大，这是焊管扩管过程中开裂发生在热影响区进而扩展到整个焊缝区的原因。(3)应加大激光焊的焊接热输入，加大实验焊管焊缝处熔深，同时控制柱状晶的长大从而与基体更好的结合，以增大焊缝处的强度。2.7 激光-电弧复合焊自1960年第1台红宝石激光器问世以来，激光技术已经渗透到各行各业，大功率激光的广泛应用已经被很多学者誉为第4次工业革命。激光焊接技术是激光在制造业中应用的典型代表之一 30 。然而，单纯的激光焊和激光填丝焊焊缝粗糙，焊缝处应力集中系数大，而且焊接过程中要求较高接头装配精度（接头装配间隙2的效果，焊接效率、焊接过程稳定性和可靠性、焊接质量等进一步提高。经过近30年的发展，对激光一电弧复合焊接的特点有了较深刻的认识，这种方法也已开始在工业中应用，但是在焊接机制、不同材料的中、厚板焊接工艺技术等方面还有许多问题需要深入研究。参考文献1王四喜.不锈钢的发展及其焊接接头腐蚀问题J.内蒙古石工,2013,8:184-187.2 张心保，连 杰.Trs444铁素体不锈钢的焊接性及其接头的缝隙腐蚀J.太钢科技,2013,1:56-58.3 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