哈尔滨工业大学不锈钢的激光焊接工艺.doc

23哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学毕 业 设 计设计题目：对平板对接奥氏体不锈钢的激光焊焊接工艺的研究 系 别 机械工程系 专 业 焊接技术及自动化 班 级 焊接*班 指导教师 * 姓 名 * 学 号 * 2011 2012 学年第一学期前言激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一，又常称为激光焊机、镭射焊机，按其工作方式常可分为激光模具烧焊机（手动焊接机）、自动激光焊接机、激光点焊机、光纤传输激光焊接机，光焊接是利用高能量的激光脉冲对材料进行微小区域内的局部加热，激光辐射的能量通过热传导向材料的内部扩散，将材料熔化后形成特定熔池以达到焊接的目的。目前，激光焊接主要应用于以下几个焊接领域。1、制造业应用激光拼焊(TailoredBlandLaserWelding)技术在国外轿车制造中得到广泛的应用，据统计，2000年全球范围内剪裁坯板激光拼焊生产线超过100条，年产轿车构件拼焊坯板7000万件，并继续以较高速度增长。国内生产的引进车型Passat，Buick，Audi等也采用了一些剪裁坯板结构。日本以CO2激光焊代替了闪光对焊进行制钢业轧钢卷材的连接，在超薄板焊接的研究，如板厚100微米以下的箔片，无法熔焊，但通过有特殊输出功率波形的YAG激光焊得以成功，显示了激光焊的广阔前途。日本还在世界上首次成功开发了将YAG激光焊用于核反应堆中蒸气发生器细管的维修等，在国内苏宝蓉等还进行了齿轮的激光焊接技术。2、粉末冶金领域随着科学技术的不断发展，许多工业技术上对材料特殊要求，应用冶铸方法制造的材料已不能满足需要。由于粉末冶金材料具有特殊的性能和制造优点，在某些领域如汽车、飞机、工具刃具制造业中正在取代传统的冶铸材料，随着粉末冶金材料的日益发展，它与其它零件的连接问题显得日益突出，使粉末冶金材料的应用受到限制。在八十年代初期，激光焊以其独特的优点进入粉末冶金材料加工领域，为粉末冶金材料的应用开辟了新的前景，如采用粉末冶金材料连接中常用的钎焊的方法焊接金刚石，由于结合强度低，热影响区宽特别是不能适应高温及强度要求高而引起钎料熔化脱落，采用激光焊接可以提高焊接强度以及耐高温性能。3、汽车工业20世纪80年代后期，千瓦级激光成功应用于工业生产，而今激光焊接生产线已大规模出现在汽车制造业，成为汽车制造业突出的成就之一。德国奥迪、奔驰、大众、瑞典的沃尔沃等欧洲的汽车制造厂早在20世纪80年代就率先采用激光焊接车顶、车身、侧框等钣金焊接，90年代美国通用、福特和克莱斯勒公司竟相将激光焊接引入汽车制造，尽管起步较晚，但发展很快。意大利菲亚特在大多数钢板组件的焊接装配中采用了激光焊接，日本的日产、本田和丰田汽车公司在制造车身覆盖件中都使用了激光焊接和切割工艺，高强钢激光焊接装配件因其性能优良在汽车车身制造中使用得越来越多，根据美国金属市场统计，至2002年底，激光焊接钢结构的消耗将达到70000t比1998年增加3倍。根据汽车工业批量大、自动化程度高的特点，激光焊接设备向大功率、多路式方向发展。在工艺方面美国Sandia国家实验室与PrattWitney联合进行在激光焊接过程中添加粉末金属和金属丝的研究，德国不莱梅应用光束技术研究所在使用激光焊接铝合金车身骨架方面进行了大量的研究，认为在焊缝中添加填充余属有助于消除热裂纹，提高焊接速度，解决公差问题，开发的生产线已在奔驰公司的工厂投入生产。4、电子工业激光焊接在电子工业中，特别是微电子工业中得到了广泛的应用。由于激光焊接热影响区小加热集中迅速、热应力低，因而正在集成电路和半导体器件壳体的封装中，显示出独特的优越性，在真空器件研制中，激光焊接也得到了应用，如钼聚焦极与不锈钢支持环、快热阴极灯丝组件等。传感器或温控器中的弹性薄壁波纹片其厚度在0.05-0.1mm，采用传统焊接方法难以解决，TIG焊容易焊穿，等离子稳定性差，影响因素多而采用激光焊接效果很好，得到广泛的应用。5、生物医学生物组织的激光焊接始于20世纪70年代，Klink等及jain13用激光焊接输卵管和血管的成功焊接及显示出来的优越性，使更多研究者尝试焊接各种生物组织，并推广到其他组织的焊接。有关激光焊接神经方面目前国内外的研究主要集中在激光波长、剂量及其对功能恢复以及激光焊料的选择等方面的研究，刘铜军进行了激光焊接小血管及皮肤等基础研究的基础上又对大白鼠胆总管进行了焊接研究。激光焊接方法与传统的缝合方法比较，激光焊接具有吻合速度快，愈合过程中没有异物反应，保持焊接部位的机械性质，被修复组织按其原生物力学性状生长等优点将在以后的生物医学中得到更广泛的应用。6、其他领域在其他行业中，激光焊接也逐渐增加特别是在特种材料焊接中国内进行了许多研究，如对BT20钛合金、HEl30合金、Li-ion电池等激光焊接，德国玻璃机械制造商GlamacoCoswig公司与IFW接合技术与材料实验研究院合作开发出了一种用于平板玻璃的激光焊接新技术。目 录前 言 01 激光焊 一、激光焊概述 05二、激光焊原理 05二、激光焊接的主要特性 09三、激光焊焊接过程中的几种效应 10四、激光焊工艺参数 12奥氏体不锈钢焊接工艺要点一、焊前准备 13二、焊接方法选择 13 三、奥氏体不锈钢焊接常见问题 13四、防止奥氏体不锈钢产生热裂纹的主要措施 14五、焊接接头的晶间腐蚀 16六、应力腐蚀开裂（SCC）18奥氏体不锈钢的激关焊接工艺一、试验设计（图）19二、试验母材19三、试验设备19四、试验方法19五、正交试验设计 19六、拉伸试验21七、试验结果分析21八、确定焊接工艺参数 22九、焊缝质量的检测 22参考文献 23激光焊一、激光焊概述激光的最初中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词的头一个字母组成的缩写词。意思是通过受激发射光扩大。激光的英文全名已完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。 激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。它的亮度为太阳光的50亿倍。它的原理早在 1916 年已被著名的物理学家爱因斯坦发现，但要直到 1958 年激光才被首次成功制造。激光是在有理论准备和生产实践 迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的 出现。激光可使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果，从而促进了生产力的发展。 激光是物质受激辐射产生的光束，激光焊的焊接热源是高能激光束。 激光具有好的单色性、方向性、和高亮度。1、 单色性激光的谱线宽度窄、波振面形状不随时间变化，有良好的时间和空间相干性，激光这一性质使其在检测和通信领域得到了广泛应用。2、 方向性方向性好意味着光束的发散角小。发散角小的激光，其束斑尺寸小，功率密度高，适合于激光焊。高质量激光器输出激光的发散角全角一般在（13）10rad，上述激光刻意进行远离激光器的抵港进行激光焊操作。3、 高亮度激光的高亮度表明激光的功率密度高，这正是材料激光焊所需要的。激光的模式有纵模和横模之分，通常所说的模式均值横模。横模代表谐振腔内光波场的横向分布规律（垂直于光的传播方向），时一个重要的激光参数，对焊接效果有很大影响。横模通常用TEMmn来表示，其中TEM代表横电磁波，m、n为垂直于光传播方向平面上x、y两个方向上的横模序数。M或n的序数判断，习惯上以x、y方向上能量分布曲线中谷（节点）的个数来决定。m、n一般为小正整数，有时称他们为阶次。二、激光焊原理激光焊接是激光加工材料加工技术应用的重要方面之一。70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接过程属于热传导型，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。由于激光焊接作为一种高质量、高精度、低变形、高效率和高速度的焊接方法，随着高功率CO2和高功率的YAG激光器以及光纤传输技术的完善、金属钼焊接聚束物镜等的研制成功，使其在机械制造、航空航天、汽车工业、粉末冶金、生物医学微电子行业等领域的应用越来越广。目前的研究主要集中于C02激光和YAG激光焊接各种金属材料时的理论，包括激光诱发的等离子体的分光、吸收、散射特性以及激光焊接智能化控制、复合焊接、激光焊接现象及小孔行为、焊接缺陷发生机理与防止方法等，并对镍基耐热合金、铝合金及镁合金的焊接性，焊接现象建模与数值模拟，钢铁材料、铜、铝合金与异种材料的连接，激光接头性能评价等方面做了一定的研究。按激光器输出能量方式的不同，激光焊分为脉冲激光焊和梁旭激光焊（包苦熬高频脉冲连续激光焊）；按激光聚焦后光斑上功率密度，激光焊可分为传热焊和深熔焊。1. 传热焊采用的激光光斑功率密度小于105W/cm2时，激光将金属表面加热到熔点与沸点之间，焊接时，金属材料表面将所吸收的激光能转变为热能，使金属表面温度升高而熔化，然后通过热传导方式把热能传向金属内部，使熔化区逐渐扩大，凝固后形成焊点或焊缝，其熔深轮廓近似为半球形。这种焊接机理称为传热焊，它类似于TIG电弧焊过程，如图1(a)所示。传热焊的主要特点是激光光斑的功率密度小，很大一部分光被金属表面所反射，光的吸收率低，焊接熔深浅，焊接速度慢主要用于薄（厚度1mm）、小零件的焊接加工2、 深熔焊当激光光斑上的功率密度足够大时（106W/cm2），金属在激光的照射下被迅速加热，其表面温度在极短的时间内（10-810-6s）升高到沸点，使金属熔化和气化。当金属气化时，所产生的金属蒸气以一定的速度离开熔池，金属蒸气的逸出对熔化的液态金属产生一个附加压力（例如对于铝，p11MPa；对于钢，p5MPa），使熔池金属表面向下凹陷，在激光光斑下产生一个小凹坑图1(b)。当光束在小孔底部继续加热气化时，所产生的金属蒸气一方面压迫坑底的液态金属使小坑进一步加深，另一方面，向坑外飞出的蒸气将熔化的金属挤向熔池四周。这个过程进行下去，便在液态金属中形成一个细长的孔洞。当光束能量所产生的金属蒸气的反冲压力与液态金属的表面张力和重力平衡后，小孔不再继续加深，形成一个深度稳定的孔而进行焊接，因此称之为激光深熔焊图1(b)。如果激光功率足够大而材料相对较薄，激光焊形成的小孔贯穿整个板厚且背面可以收到部分激光，这种焊接方法也可称之为薄板激光小孔效应焊。从机理上看，深熔焊和小孔效应焊的前提都是焊接过程中存在着小孔，二者没有本质的区别。在能量平衡和物质流动平衡的条件下，可以对小孔稳定存在时产生的一些现象进行分析。只要光束有足够高的功率密度，小孔总是可以形成的。小孔中充满了被焊金属在激光束连续照射下所产生的金属蒸气及等离子体（图2）。这个具有一定压力的等离子体还向工件表面空间喷发，在小孔之上，形成一定范围的等离子体云。小孔周围为熔池所包围，在熔化金属的外面是未熔化金属及一部分凝固金属，熔化金属的重力和表面张力有使小孔弥合的趋势，而连续产生的金属蒸气则力图维持小孔的存在。在光束入射的地方，有物质连续逸出孔外，随着光束的运动，小孔将随着光束运动，但其形状和尺寸却是稳定。用激光束作为热源的焊接方法。焊接时，将激光器发射的高功率密度(1081012 瓦/厘米2 )的激光束聚缩成聚焦光束，用以轰击工件表面，產生热能，熔化工件(见图 激光焊示意图)。 激光束是具有单一频率的相干光束，在发射中不產生发散，可用透镜聚缩为一定大小的焦点(直径为 0.0760.8毫米)。小焦点激光束可用於焊接切割和打孔大焦点激光束可用於材料表面热处理。激光束可利用反射镜任意变换方向，因而能焊接一般焊接方法无法接近的工件部位。如採用光导纤维引导激光束，则更能增加焊接的灵活性。激光器分固体激光器和气体激光器。固体激光器所用材料为红宝石釹玻璃等。固体激光器输出能量小，约为150焦耳，產生脉衝激光，其加热脉衝持续时间极短(小於10毫秒)，因而焊点可小到几十至几百微米，焊接精度高，适於0.5毫米以下厚度的金属箔片的点焊连续点焊或直径0.6毫米以下的金属丝的对接焊，固体激光器广泛用於焊接微型精密排列密集对受热敏感的电子元件和仪器部件。气体激光器所用材料为二氧化碳或氬离子气等，功率大(1525000瓦)，可產生连续激光，能进行连续焊接，可焊0.1212毫米厚的低合金钢不锈钢镍鈦铝等金属及其合金。小功率二氧化碳激光器还可焊接石英陶瓷玻璃和塑料等非金属材料。激光焊件质量高，有时超过电子束焊焊件的质量。激光焊机，特别是大功率激光焊机，成本高，效率甚低，一般只达510，最佳为20，穿透能力也不及电子束。但用激光束可在空气中或保护气体中焊接，比电子束焊方便。二、激光焊接的主要特性与其它传统焊接技术相比，激光焊接的主要优点是：1、速度快、深度大、变形小。2、能在室温或特殊条件下进行焊接，焊接设备装置简单。例如，激光通过电磁场，光束不会偏移；激光在真空、空气及某种气体环境中均能施焊，并能通过玻璃或对光束透明的材料进行焊接。3、可焊接难熔材料如钛、石英等，并能对异性材料施焊，效果良好。4、激光聚焦后，功率密度高，在高功率器件焊接时，深宽比可达5：1，最高可达10：1。5、可进行微型焊接。激光束经聚焦后可获得很小的光斑，且能精确定位，可应用于大批量自动化生产的微、小型工件的组焊中。6、可焊接难以接近的部位，施行非接触远距离焊接，具有很大的灵活性。尤其是近几年来，在YAG激光加工技术中采用了光纤传输技术，使激光焊接技术获得了更为广泛的推广和应用。7、激光束易实现光束按时间与空间分光，能进行多光束同时加工及多工位加工，为更精密的焊接提供了条件。但是，激光焊接也存在着一定的局限性：1、要求焊件装配精度高，且要求光束在工件上的位置不能有显著偏移。这是因为激光聚焦后光斑尺雨寸小，焊缝窄，为加填充金属材料。若工件装配精度或光束定位精度达不到要求，很容易造成焊接缺憾。2、激光器及其相关系统的成本较高，一次性投资较大。二、激光焊接热传导。激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，使金属熔化形成焊接。在激光与金属的相互作用过程中，金属熔化仅为其中一种物理现象。有时光能并非主要转化为金属熔化，而以其它形式表现出来，如汽化、等离子体形成等。然而，要实现良好的熔融焊接，必须使金属熔化成为能量转换的主要形式。为此，必须了解激光与金属相互作用中所产生的各种物理现象以及这些物理现象与激光参数的关系，从而通过控制激光参数，使激光能量绝大部分转化为金属熔化的能量，达到焊接的目的。三、激光焊焊接过程中的几种效应（1）激光焊焊接过程中的等离子体 等离子体的形成 在高功率密度条件下进行激光加工时会出现等离子体。等离子体的产生是物质原子或分工受能量激发电离的结果，任何物质在接收外界能量而温度升高时，原子或分子受能量（光能、热能、电场能等）的激发都会产生电离，从而形成由自由运动的电子、带正电的离子和中性原子组成的等离子体。等离子体通常称为物质的第四态，在宏观上保持电中性状态。激光焊时，形成等离子体的前提是材料被加热至气化。金属被激光加热气化后，在熔池上方形成高温金属蒸气。金属蒸气中有一定的自由电子。处在激光辐照区的自由电子通过逆韧致辐射吸收能量而被加速，直到其有足够的能量来碰撞、电离金属蒸气和周围气体，电子密度从而雪崩式地增加。这个过程可以近似地用微波加热和产生等离子体的经典模型来描述。在107W/cm2的功率下，平均电子能量随辐照时间的加长急剧增加到一个常值（约1cV）。在这个电子能量下，电离速率占有优势，产生雪崩式电离，电子密度急剧上升。电子密度最后达到的数值与复合速率有关，也与保护气体有关。激光加工过程中的等离子体主要为金属蒸气的等离子体，这是因为金属材料的电离能低于保护气体的电离能，金属蒸气较周围气体易于电离。如果激光功率密度很高，而周围气体流动不充分时，也可能使周围气体离解而形成等离子体。 等离子体的行为 高功率 激光深熔焊时，位于熔池上方的等离子体会引起光的吸收和散射，改变焦点位置，降低激光功率和热源的集中程度，可影响焊接过程。等离子体通过逆韧致辐射吸收激光能量，逆韧致辐射是等离子体吸收激光能量的重要机制，是由于电子和离子之间的碰撞所引起的。简单地说就是：在激光场中，高频率振荡的电子在和郭碰撞时，会将其相应的振动能变成无规则运动能，结果激光能量变成等离子体热运动的能量，激光能量被等离子体吸收。等离子体对激光的吸收率与电子密度和蒸气密度成正比，随激光功率密度和作用时间的增长而增加，并与波长的平方成正比。同样的等离子体，对波长10.6m的CO2激光焊的吸收率比对波长1.06m的YAG激光的吸收高两个数量级。由于吸收率不同，不同波长的激光产生等离子体所需的功率密度阈值也不同。YAG激光产生等离子体阈值功率密度比CO2激光的高出约两个数量级。也就是说，用CO2激光进行加工时，易产生等离子体并受其影响，而用YAG激光加工，等离子体的影响则较小。激光通过等离子体时，改变了吸收和聚焦条件，有时会出现激光束的自聚焦现象。等离子体吸收的光能可以通过不同渠道传至工件。如果等离子体传至工件的能量大于等离子体吸收所造成工件接收光能的损失，则等离子体反而增强了工件对激光能量的吸收，这时，等离子体也可看作是一个热源。激光功率密度处于形成等离子体的阈值附近时，较稀薄的等离子体云集于工件表面，工件通过等离子体吸收能量图3(a)，当材料气化和形成的等离子体云浓度形成稳定的平成所谓激光维持的吸收波。在这种情形中，会出现等离子体的形成和消失的周期性振荡图3(b)。这种激光维持的吸收波，容易在激光焊接过程中出现，必须加以抑制。进一步加大激光功率密度（I107W/cm2），激光加工区周围的气体可能被击穿。激光穿过纯气体，将气体击穿所需功率密度一般大于109W/cm2。但在激光作用的材料附近，存在一些物质的初始电离，原始电子密度较大，击穿气体所需功率密度可下降约两个数量级。击穿各种气体所需功率密度大小与气体导热性、解离能和电离能有关。气体的导热性越好，能量的传热导损失越大，等离子体的维持阈值越高，在聚焦状态下就意味着等离子体高度越低，越不容易出现等离子体屏蔽。对于电离能较低的氩气，气体流动状况不好时，在略高于106W/cm2的功率下也可能出现击穿现象。气体击穿所形成的等离子体，其温度、压力、传播速度和对激光的吸收率都很大，形成所谓激光维持的爆发波，它完全、持续地阻断激光向工件地传播。一般在采用连续CO2激光进行加工时，其功率密度均应小于107W/cm2。（2）壁聚焦效应 激光深熔焊时，当小孔形成以后，激光束将进入小孔。当光束与小孔壁相互作用时，入射激光并不能全部被吸收，有一部分将由孔壁反射在小孔某处重新汇聚起来，这一现象称为壁聚焦效应。壁聚焦效应地产生，可使激光在小孔内部维持较高的功率密度，进一步加热熔化材料。对于激光焊接过程，重要的是激光在小孔底部的剩余功率密度，它必须足够高，以维持孔底有足够高的温度，产生必要的气化压力，维持一定深度的小孔。小孔效应的产生和壁聚焦效应的出现，能大大地改变激光与物质的相互作用过程，当光束进入小孔后，小孔相当于一个吸光的黑体，使能量的吸收率大大增加。（3）净化效应 净化效应是指CO2激光焊时，焊缝金属有害物质减少或夹杂物减少的现象。产生净化效应原因是：有害物质在钢中可以有两种形式存在夹杂物或直接固溶在基体中。当这些元素以非金属夹杂物存在时，在激光焊时将产生下列作用：对于波长为10.6m的CO2激光，非金属的吸收率远远大于金属，当非金属和金属同时受到激光照射时，非金属将吸收较多的激光使其温度迅速上升而气化。当这些元素固溶在金属基体时，由于这些非金属元素的沸点低，蒸气压高，它们会从熔池中蒸发出来。上述两种作用的总效果是焊缝中的有害元素减少，这对金属的性能，特别是塑性和韧性，有很大好处。当然，激光焊净化效应产生的前提必须是对焊接区加以有效地保护，使之不受大气等的污染。四、激光焊工艺参数(1)功率密度。 功率密度是激光加工中最关键的参数之一。采用较高的功率密度，在微秒时间范围内，表层即可加热至沸点，产生大量汽化。因此，高功率密度对于材料去除加工，如打孔、切割、雕刻有利。对于较低功率密度，表层温度达到沸点需要经历数毫秒，在表层汽化前，底层达到熔点，易形成良好的熔融焊接。因此，在传导型激光焊接中，功率密度在范围在104106W/CM2。(2)激光脉冲波形。 激光脉冲波形在激光焊接中是一个重要问题，尤其对于薄片焊接更为重要。当高强度激光束射至材料表面，金属表面将会有6098%的激光能量反射而损失掉，且反射率随表面温度变化。在一个激光脉冲作用期间内，金属反射率的变化很大。(3)激光脉冲宽度。 脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一，它既是区别于材料去除和材料熔化的重要参数，也是决定加工设备造价及体积的关键参数。(4)离焦量对焊接质量的影响。 激光焊接通常需要一定的离做文章一，因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔。离开激光焦点的各平面上，功率密度分布相对均匀。离焦方式有两种：正离焦与负离焦。焦平面位于工件上方为正离焦，反之为负离焦。按几何光学理论，当正负离焦平面与焊接平面距离相等时，所对应平面上功率密度近似相同，但实际上所获得的熔池形状不同。负离焦时，可获得更大的熔深，这与熔池的形成过程有关。实验表明，激光加热50200us材料开始熔化，形成液相金属并出现问分汽化，形成市压蒸汽，并以极高的速度喷射，发出耀眼的白光。与此同时，高浓度汽体使液相金属运动至熔池边缘，在熔池中心形成凹陷。当负离焦时，材料内部功率密度比表面还高，易形成更强的熔化、汽化，使光能向材料更深处传递。所以在实际应用中，当要求熔深较大时，采用负离焦；焊接薄材料时，宜用正离焦。奥氏体不锈钢，是指在常温下具有奥氏体组织的不锈钢。钢中含Cr约18%、Ni 8%10%、C约0.1%时，具有稳定的奥氏体组织。奥氏体铬镍不锈钢包括著名的18Cr-8Ni钢和在此基础上增加Cr、Ni含量并加入Mo、Cu、Si、Nb、Ti等元素发展起来的高Cr-Ni系列钢。奥氏体不锈钢无磁性而且具有高韧性和塑性，但强度较低，不可能通过相变使之强化，仅能通过冷加工进行强化，如加入S，Ca，Se，Te等元素，则具有良好的易切削性。此类钢除耐氧化性酸介质腐蚀外，如果含有Mo、Cu等元素还能耐硫酸、磷酸以及甲酸、醋酸、尿素等的腐蚀。此类钢中的含碳量若低于0.03%或含Ti、Ni，就可显著提高其耐晶间腐蚀性能。高硅的奥氏体不锈钢浓硝酸具有良好的耐蚀性。由于奥氏体不锈钢具有全面的和良好的综合性能，在各行各业中获得了广泛的应用。焊接技术要求 不锈钢的激光焊接性能较好。奥氏体不锈钢的导热系数只有碳钢的1/3，吸收率比碳钢略高。因此，奥氏体不锈钢的熔深比普通碳钢深510.Cr-Ni系不锈钢激光焊时，材料具有很高的能量吸收率。用CO2激光焊焊接奥氏体不锈钢时，在功率为5KW，焊接速度为1m/,min，光斑直径为0.6mm的条件下，光的吸收率为85，熔化效率为71.由于焊接速度快，减轻了不锈钢焊接时的过热现象和线膨胀系数的不良影响，热变形和残余应力相对较小，焊缝无气孔、夹杂等缺陷，接头强度与母材相当。实践表明，当钢中Cr/Ni当量大于1.6时，奥氏体不锈钢较适合激光焊；Cr/Ni当量小于1.6时，焊缝中产生热裂纹的倾向明显提高。不锈钢焊接的另一个特点是，用小功率CO2激光焊接不锈钢薄板，可以获得外观成形良好、焊缝平滑美观的接头。奥氏体不锈钢焊接工艺要点一、焊前准备1 下料方法的选择 奥氏体不锈钢中有较多的铬，用一般的氧乙炔切割有困难，可用机械切割、等离子弧切割及碳弧气刨等方法进行下料或坡口加工。2 坡口的制备 激光焊时采用I形坡口。3 焊前清理 为了保证焊接质量，焊前应将坡口两侧2030mm范围内的焊件表面清理干净，如有油污，可用丙酮或酒精等有机溶剂擦拭。4表面防护 在搬运、坡口制备、装配及定位焊过程中，应注意避免损伤钢材表面，以免使产品的耐蚀性降低。绝不允许用利器划伤钢材表面，不允许随意到处引弧等。二、焊接方法选择 奥氏体不锈钢具有较好的焊接性，可以采用激光焊、焊条电弧焊、埋弧焊、钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊、等离子弧焊等进行焊接。三、奥氏体不锈钢焊接常见问题1焊接热裂纹 单相奥氏体不锈钢焊接时，具有较高的热裂纹敏感性，在焊缝及近缝区都有可能出现热裂纹，最常见的是焊缝凝固裂纹，也可能在热影响区（HAZ）或多层焊道间金属出现液化裂纹。2焊接接头产生热裂纹的原因 奥氏体不锈钢具有较大的热裂纹敏感性，主要取决于其化学成分、组织与性能特点：（1）化学成分。奥氏体不锈钢中合金元素较多，尤其是含有一定数量的镍，它易与硫、磷等杂质形成低熔点共晶，如Ni-S共晶熔点为645 ，Ni-P共晶元素为880 ，比Fe-S、Fe-P共晶的熔点更低，危害性也更大。其他一些元素如硅、硼、铌等元素，也能形成有害的易熔晶间层，这些低熔点共晶会促使热裂纹的产生。（2）组织。奥氏体不锈钢焊缝易形成方向性强的粗大柱状晶组织，有利于有害杂质元素的偏析，从而促使形成连续的晶间液膜，增加了热裂纹的敏感性。（3）性能。从奥氏体不锈钢的物理性能看，它具有热导率小、线胀系数大的特点，因而在焊接局部加热和冷却条件下，易产生较大的焊接残余拉应力，进一步促进焊接热裂纹的产生。 从上述三个方面看，热裂纹是奥氏体不锈钢焊接时比较容易产生的一种缺陷，特别是含铬较高的奥氏体不锈钢更容易产生。因此，奥氏体不锈钢产生热裂纹的倾向要比低碳钢大得多。四、防止奥氏体不锈钢产生热裂纹的主要措施1 冶金措施 严格控制焊缝金属中有害杂质元素的含量。钢中镍含量越高，越应该严格控制硫、磷、硼、硒等有害元素的含量。 调整焊缝化学成分。加入铁素体元素，使焊缝金属出现奥氏体-铁素体双相组织，能够有效地防止焊缝热裂纹的产生。如18-8钢焊缝组织中有少量铁素体（）相存在，则抗裂性能大大提高，如图1所示。这是因为相的存在打乱了奥氏体焊缝柱状晶的方向性（见图2）、细化了晶粒，低熔点的杂质被铁素体分散和隔开，避免了低熔点杂质呈连续网状分布，从而阻碍热裂纹扩展和延伸；相能溶解较多的硫、磷等微量元素，使其在晶界上的数量大为减少，从而提高焊缝抗热裂纹的能力。常用铁素体化的元素有铬、钼、钒等。图1相对含量对焊缝热裂倾向的影响图2相在奥氏体基体上的分布 控制焊缝金属中的铬镍比。对于18-8型不锈钢来说，当焊接材料的铬镍比小于1.61时，就易产生热裂纹；而铬镍比达到2.33.2时，就可以防止热裂纹的产生。这一措施的实质也是为保证有一定量的铁素体存在。 在焊缝金属中加入少量的铈、锆、钽等微量元素。这些元素可以细化晶粒，也可以减少焊缝对热裂纹的敏感性。上述冶金因素主要是通过选择焊接材料来达到调整焊缝化学成分的目的。目前我国生产的18-8型不锈钢焊条的熔敷金属，都能获得奥氏体-铁素体双相组织。2工艺措施 焊接时应尽量减小熔池过热程度，以防止形成粗大的柱状晶。此外，液化裂纹主要出现在25-20型奥氏体不锈钢的焊接接头中。为防止液化裂纹的产生，除了严格限制母材中的杂质含量、控制母材的晶粒度以外，在工艺上应尽量采用高能量密度的焊接方法、小热输入和提高接头的冷却速度等措施，以减少母材的过热和避免近缝区晶粒的粗化。五、焊接接头的晶间腐蚀 有些奥氏体不锈钢的焊接接头，在腐蚀介质中工作一段时间后可能发生局部沿着晶界的腐蚀，一般称此种腐蚀为晶间腐蚀，0Cr18Ni9不锈钢晶间腐蚀如图3所示。根据母材类型和所采用焊接材料与焊接工艺不同，奥氏体不锈钢焊接接头可能发生在焊缝区、HAZ敏化去（6001000）和熔合区。 图3 0Cr18Ni9不锈钢晶间腐蚀1晶间腐蚀（1）产生晶间腐蚀的原因。奥氏体不锈钢焊缝和HAZ敏化区的晶间腐蚀，都与敏化过程使晶界形成贫铬层有关。焊缝产生晶间腐蚀可有两种情况：一种是焊态下已有Cr23C6析出，如多层焊缝的重复加热区域；另一种为接头在焊态下无贫铬层，但焊后经过敏化温度区间，因而具有晶间腐蚀倾向。 奥氏体不锈钢在加热到450850 时，对晶间腐蚀最敏感，此温度区间称敏化温度区。这是因为当温度低于450时，碳原子活动能力很弱，Cr23C6析出困难不会形成贫铬层；而当温度高于850时,晶粒内部的铬获得了的动能，扩展到晶界，从而使已形成的贫铬层消失；而在450850温度区间内，既有利于Cr23C6的析出，晶粒内部的铬原子又不能扩散到晶界，最容易形成贫铬层，对晶间腐蚀最敏感。当然，如果在450850温度区间加热足够长的时间，晶内的铬原子也可以扩散到晶界使贫铬层消失。（2）防止焊接接头产生晶间腐蚀的措施工艺措施选择合适的焊接方法，即选择热输入最小的焊接方法，让焊接接头尽可能地缩短在敏化温度区间停留的时间。对于薄件、小型规则的焊接接头，应选用能量集中的激光焊。强制焊接区的快速冷却。对于有的规则的焊缝，在可能的条件下焊缝背面可用纯铜垫，在铜垫上通水或通保护气体等方式进行强迫冷却，有利于防止焊接接头的晶间腐蚀，因为快速冷却可以防止贫铬层的形成。进行固溶处理或稳定化处理。奥氏体不锈钢的热处理方法有固溶处理和稳定化处理。固溶处理是把钢加热到10501150，得到成分均匀的单相奥氏体组织，然后快冷，使高温过饱和固溶体组织状态保持到室温。固溶处理后，奥氏体不锈钢具有最低的强度和硬度，最好的耐蚀性，是防止晶间腐蚀的重要手段。出现敏化现象的奥氏体不锈钢可再次用固溶处理来消除。 稳定化处理是针对含稳定剂的奥氏体不锈钢而设计的一种热处理工艺。奥氏体不锈钢中加稳定剂（Ti或Nb)的目的是让钢中的碳与Ti或Nb形成稳定的TiC或NbC，而不形成Cr23C6,从而防止晶间腐蚀。稳定化处理加热温度高于Cr23C6的溶解温度，低于TiC或NbC的溶解温度，一般在850900，并保温24h。稳定化处理也可用于消除因敏化加热而产生的晶间腐蚀倾向。（1）刀状腐蚀产生的原因。刀状腐蚀简称刀蚀，它是焊接接头中特有的一种晶间腐蚀，只发生在含有Ti、Nb等稳定化元素的奥氏体不锈钢焊接接头中。腐蚀部位沿熔合线发展，处于HAZ的过热区，由于区域很窄（电弧焊一般为1.01.5mm），形状有如刀削切口，故称为刀状腐蚀。高温过热和中温敏化是导致焊接接头过热区产生刀蚀的重要条件。刀蚀产生的原因也与Cr23C6析出沉淀造成贫铬层有关。含有稳定剂的奥氏体不锈钢，钢中的大部分碳与Ti、Nb形成TiC、NbC。焊接时在温度超过1200的过热区，钛和铌的碳化物溶入固溶体中。在高温的作用下，由于碳的扩散能力强，故溶解的碳能迅速向晶界处迁移，冷却后偏聚在晶界附近呈过饱和状态，而钛和铌则因扩散能力低而留于晶内。如果焊接接头在敏化温度区间再次加热时，过饱和的碳将在奥氏体晶界以Cr23C6形式析出，而Ti、Nb由于在奥氏体相里的扩散速度非常慢，很难迁移到晶界与碳再次结合，这样Ti、Nb就失去了稳定化元素的作用，使晶界形成贫铬层，在腐蚀介质的作用下就会产生刀蚀。防止刀蚀的措施降低母材的含碳量。这是防止刀蚀的有效措施，如超低碳奥氏体不锈钢的焊接接头就不会产生刀蚀。采用合理的焊接工艺。在保证焊缝质量的前提下，尽量选择较小的热输入，以减小过热区在高温停留时间，并注意避免在焊接过程中产生“中温敏化”的效果；双面焊时，与腐蚀介质接触的焊缝应尽量最后施焊，如不能实施，则应调整焊接参数及焊缝形状，尽量避免与腐蚀介质接触的过热区再次受到敏化加热，如图5所示；焊接过程中或焊后采用强制冷却的方法，使焊缝快速冷却；焊后矫正时应采用冷矫正方法进行；对腐蚀性能要求较高的焊件，必要时要进行焊后的稳定化处理或固溶处理。图5第二面焊缝的敏化区对刀蚀的影响a图敏化区与腐蚀介质不接触 b图敏化区与腐蚀介质接触六、应力腐蚀开裂（SCC）1应力腐蚀开裂产生原因 应力腐蚀开裂是在拉应力和特定腐蚀介质共同作用下而发生的一种破坏形式。随着拉应力的不断加大，发生破坏的时间缩短；当拉应力减小时，腐蚀量也随之减小，甚至不发生破坏。应力腐蚀开裂是奥氏体不锈钢非常敏感且经常发生的腐蚀破坏形式。据有关统计资料表明：应力腐蚀开裂引起的事故占整个腐蚀破坏事故的60%以上。 奥氏体不锈钢由于导热性差、线胀系数大、屈服点低，焊接时很容易变形，当焊接变形受到限制时，焊接接头中必然会残留较大的焊接残余拉应力，加速腐蚀介质的作用。因此，奥氏体不锈钢焊接接头容易出现应力腐蚀开裂，这是焊接奥氏体不锈钢时最不易解决的问题之一，特别是在化工设备中，应力腐蚀开裂现象经常出现。 应力腐蚀开裂的表面特征是：裂纹均发生在焊缝表面上；裂纹多平行且近似垂直焊接方向；裂纹细长并曲折，常常贯穿有黑色点蚀的部位。从表面开始向内部扩展，点蚀往往是裂纹的根源，裂纹通常表现为穿晶扩展，裂纹尖端常出现分枝，裂纹整体为树枝状。严重的裂纹可穿过熔合区进入热影响区。2防止应力腐蚀开裂的措施（1）合理地设计焊接接头。避免腐蚀介质在焊接接头部位聚集，降低或消除焊接接头应力集中。（2） 消除或降低焊接接头的残余应力。焊后进行消除应力处理是常用工艺措施，加热温度在850900之间才可得到比较理想的消除应力效果；采用机械方法，如表面抛光、喷丸和锤击来造成表面压应力；结构设计时要尽量采用对接接头，避免十字交叉焊缝，单V形坡口改用Y形坡口等。（3） 正确选用材料。选用母材和焊接材料时，应根据介质的特性选用对应力腐蚀开裂敏感性低的材料。奥氏体不锈钢的激光焊接工艺研究一、试验设计（图）完成如图1所示的平板对接奥氏体不锈钢的激光焊接工艺图1 激光焊焊件装配图二、试验母材1选取典型奥氏体不锈钢，牌号为1Cr18Ni9。奥氏体不锈钢具有较高的变形能力并不可淬硬，所以焊接性良好。规格为30mm20mm0.2mm。 21Cr18Ni9化学成分和力学性能见表1和表2：表1 1Cr18Ni9的化学成分w（%）牌号CSiMnPSNiCr1Cr18Ni90.081.002.000.0350.0308.0011.0017.0019.00表2 1Cr18Ni9的热处理制度及力学性能牌号热处理0.2MPabMPas1Cr18Ni9固溶10101150快冷2055204060三、试验设备本实验采用JHM-1GXY-300E型脉冲激光焊机。四、试验方法将待焊母材（30mm20mm0.2mm的1Cr18Ni9奥氏体不锈钢片）的对接端面和上表面用砂纸打磨，去除表面氧化层和油污，然后固定在激光焊接工作台上进行焊接。焊接时采用氩气进行保护，氩气流量为5L/min,聚焦镜的焦距为55mm，焊接速度固定为150mm /min,光斑直径为0.3mm，焊接电流、脉冲宽度和脉冲频率根据正交试验表进行组合。五、正交试验设计经上述参数焊接表明，在光斑直径、焊接速度、保护气体种类和流量一定的情况下，影响脉冲激光焊焊接接头质量的主要因素有焊接电流、脉冲宽度、脉冲频率和离焦量。还有，当焊接电流小于80A时产生焊缝未熔合现象，大于84A时焊缝金属气化严重、发生烧穿；减小脉冲频率可减少焊缝单位长度的热量、有助于改善焊缝烧穿，但频率的减少同时降低了焊点之间的搭接量，容易产生未熔合缺陷；脉冲宽度减小，单个脉冲传输给焊缝的热量也减少了，避免烧穿的发生；当脉冲宽度过小，脉冲能量也很小，容易导致未焊透；薄板焊接时，若采用负离焦量，由于激光焦点深入焊件内部，热量集中，很容易产生烧穿；若采用正离焦量，激光焦点距离焊件有一定距离，此时,激光能量自上而下输入，焊件接收能量有一定的层次，热量得到一定的控制，焊缝成形美观，所以应采用正离焦量。在设计正交试验时，把离焦量固定为合适值，主要对焊接电流、脉冲宽度和脉冲频率进行正交试验设计。预试验已经探索出焊接电流的范围为8084A，脉冲宽度范围为1.82.2ms，脉冲频率范围为1822Hz，每个因素确定3个水平，取值如表3所示。采用L9(33)三因素三水平正交表安排试验，正交实验设计方案如表4所示。按表4安排试验，焊后对每个试样进行标号，为后续试验做准备。表3-1 正交试验因素水平表编号焊接电流/A脉冲宽度/ms脉冲频率/Hz1801.8182822.0203842.222表3-2 正交试验设计方案编号设计方案焊接电流/A脉冲宽度/ms脉冲频率/Hz1A1 B1 C1801.8182A1 B2 C2801.8183A1 B3 C3801.8184A2 B1 C2822.0205A2 B2 C3822.0206A2 B3 C1822.0207A3 B1 C3842.2228A3 B2 C1842.2229A3