高频振动下的不锈钢激光焊接

GXF360 2017-08-22

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高频振动下的不锈钢激光焊接

何晓峰1,　卢庆华1,2,　彭必荣1,　于治水1,2

(1. 上海工程技术大学材料工程学院，上海　201620；2. 上海市高强激光智能加工装备关键技术产学研开发中心，上海　201620)

摘　要：在不锈钢激光焊接过程中对工件施加高频振动，研究不同焊接速度和振动频率对接头宏观成形、微观组织及显微硬度的影响. 结果表明，焊缝边缘为柱状树枝晶，中央为细小等轴晶，焊缝组织为奥氏体和残余δ铁素体. 焊接速度增加，虽可使熔宽和焊缝区晶粒尺寸减小，接头硬度增大，但无法阻碍树枝晶的生长. 施加高频振动可抑制枝晶的数量和大小,并增加焊缝中等轴晶的数量，优化接头综合性能. 振动频率增加，焊缝区晶粒尺寸减小、等轴晶数量增加且有细小等轴晶弥散分布于树枝晶之间，焊缝硬度增大，振动起到了细晶强化的效果. 而振动频率对熔宽并无明显影响.

关键词：激光焊接；高频振动；微观组织；显微硬度

中图分类号：TG456.7

文献标识码：A

文章编号：0253-360X(2016)09-0070-05

0　序　　言

振动焊接(vibratory weld conditioning， VWC)是在振动时效基础上发展而来的一项焊接技术[1]. 其最显著的优点是可明显细化焊缝组织[2,3]、减少焊接裂纹[4]、降低焊后残余应力[5]、减少焊缝变形[6]等. 对于振动焊接，国内外学者已进行了诸多研究，并逐渐在工程中应用. 谢春林等人[7]成功地对不锈钢薄壁构件进行振动焊并证明振动焊接可使焊接热影响区的疲劳寿命的平均值提高10%左右；同时振动焊接降低了残余应力、细化了晶粒，使裂纹扩展寿命提高. 曾庆林等人[8]对高精度设备安装平台进行振动埋弧焊，使工件横向和纵向焊接应力较常规埋弧焊分别下降25.7%和29%，同时振动焊接条件下工件的尺寸稳定性也好于常规焊接. Govindarao等人[9]在低碳钢电弧焊中采用恒定的振动加速度和振动频率使生长中的树枝晶破碎，并增加了形核率，这是焊接接头硬度和性能提高的关键原因. Tewari等人[10]通过研究轴向振动对焊件拉伸性能的影响，发现机械振动可使焊件的屈服强度、抗拉强度和破坏强度明显提高. 但是受限于现有的激振器大部分都为电机带动偏心轮结构，一般振动频率不超过200 Hz，故现有研究主要集中于将振动施加于传统弧焊.

对于不锈钢激光焊接，国内外学者已经做了大量的研究，但几乎没有将VWC与高能束焊接的特点相结合的相关研究. 因此文中针对激光焊接热循环快[11]的特点，大幅提高振动频率；通过试验对比不同振动条件下的奥氏体不锈钢激光焊接，并研究焊接速度和机械振动对接头的显微组织和接头硬度的影响.

1　试验方法

试验对厚度为3 mm的316L不锈钢板进行激光自熔焊接，保护气体为氩气，气体流量17 L/min，焊接时不填充材料，316L不锈钢化学成分见表1. 激光器为IPG YLS-5000型高功率光纤激光器. 振动平台为自行研制的基于磁致伸缩材料激振系统的高频微振焊接平台. 试验共分两组，分别改变焊接速度和振动频率，试验参数见表2.

表1　316L不锈钢化学成分(质量分数,%)

Table 1　Chemical compositions of 316L stainless steel

CSiMnPSNiCrMoFe≤0.03≤1.00≤2.00≤0.035≤0.03012～1516～182～3余量

2　试验结果与分析讨论

2.1　宏观成形

焊接完成后，所有试样均焊透，且正反两面焊缝均成形良好，未出现塌陷、焊缝不连续等缺陷. 这是由于光纤激光器波长较短(为1 070 nm)，不锈钢材料对其的吸收率较高. 同时高频率的振动使振动能量更平均地分布于熔池，加剧了熔池金属的整体搅动，加速了热传导，使接头温度分布较无振动时更均匀，减小了因不均匀加热产生的焊接变形和焊接残余应力.

表2　试验参数

Table 2　Experimental parameters

组别试样编号激光功率P/kW焊接速度v/(m·min-1)离焦量f/mm振动频率F/Hz11-131.2-570211-231.5-570211-331.8-570222-131.2-5022-231.2-570222-331.2-51467.5

由各试样焊缝截面尺寸的测量结果可得，焊接速度增加，熔宽呈下降趋势，如图1所示. 而当其它参数不变时，振动频率的增加对熔宽并无明显影响，如图2所示. 这说明施加机械振动并不能改变熔池体积.

图1　焊接速度与熔池宽度关系

Fig.1　Curve of weld speed and weld width

图2　振动频率与熔池宽度关系

Fig.2　Curve of frequency and weld width

2.2　微观组织

对各个试样的表面和截面分别进行取样、打磨抛光和王水腐蚀，在VHX-600K数码显微镜下观察焊缝区的金相显微组织.

316L不锈钢母材均为单一奥氏体组织，如图3所示，且存在着一些退火孪晶(黑色块状区域)，这是由于其在加工时经冷变形后又经退火所致.

图3　母材金相组织

Fig.3　Microstructure of base metal

由图4和图5可知，焊缝区域的结晶方式均为典型的联生结晶，皆由两边的熔合线以柱状晶的形式向焊缝中心生长. 焊缝中心线处由细小的等轴晶组成. 热影响区较窄，其原因是由于激光焊接速度较快且能量集中，致使接头高温停留时间短.

图4　焊接速度对晶粒尺寸的影响

Fig.4　Impact of welding speed on grain size

图5　振动频率对晶粒尺寸的影响

Fig.5　Impact of frequency on grain size

对比图4a和图4b，发现试样1-3中的晶粒尺寸明显小于试样1-1. 这是由于试样1-3的焊接速度更快，焊接热循环时间更短，提高了冷却速率，从而增大了液态熔池金属的过冷度. 由于晶粒数Z是由凝固过程中的形核率N以及生长速率R所决定的，且Z∝N/R. 虽然过冷度的增加导致N和R同时增大，但N的增大率大于R的增大率，即N/R值增大，故晶粒数目Z增多，晶粒得到细化.

比较图5a和图5b，可明显地看出，在激光焊接参数一致的前提下，通过施加振动可明显细化焊缝区的晶粒，且外加振动的频率越高，熔池的晶粒越细小. 这是由于振动对熔池具有“搅拌”作用. 一方面加速了原子集团出现和消失的频率，即加速了相起伏，增加形核率. 同时液态熔池受迫振动使熔池内各个微小区域的能量起伏增大，能量起伏的周期性增多，亦增加形核率[12,13]. 另一方面，晶粒大小是由单位体积上晶粒的数量Zv决定的，根据公式：Zv=0.9(N/R)3/4，可见晶粒度取决于形核率N和生长速率R之比，比值越大晶粒越细小. 此外熔池受迫振动形成湍流不断冲撞枝晶并最终使其折断，被破碎的枝晶在液态熔池中独立长大形成新的晶粒. 激光焊接的特性决定了熔池凝固速度较传统焊接快得多，若使用普通偏心轮激振器(F<200>Hz)必然不能在熔池液相停留时间内有效地破碎柱状枝晶. 采用高频振动(F>1 000 Hz)能使枝晶受到的撞击成倍增加，同时振动频率越高对熔池的“搅拌”作用就越明显，进一步降低熔池的温度梯度，阻碍树枝晶的生长. 振动频率越高，单位时间内对枝晶的破碎次数就越多，晶粒数目增多，晶粒得到进一步细化.

使用HITACHI S-3400N扫描电子显微镜分别对试样2-1和试样2-2的焊缝中心及熔合线进行观察. 由图6a和图6b观察到焊缝组织主要为包晶反应形成的奥氏体和残余δ铁素体. 由于残留铁素体分布于奥氏体晶粒间形成凹凸不平的晶界，使裂纹必须沿着弯曲的晶界扩展，增加了裂纹扩展阻力.

图6　振动对等轴晶形成的影响

Fig.6　Impact of frequency on isometric crystal formation

比较图6a和图6b有无振动两种情况，发现施加机械振动不但可明显抑制熔池柱状树枝晶的生长，还有助于焊缝中等轴晶的形成. 如图7所示，其机理一是由于振动加剧了熔池流动，加速了溶质成分的扩散速度，从而减少了固液界面前沿成分过冷区的大小，阻碍了柱状树枝晶的生长. 二是柱状树枝晶根部因受迫振动和液流冲刷产生较大的弯曲应力而折断并在液相中独立长大成为等轴晶. 相比于普通的振动焊接频率(33～166 Hz)，针对于激光焊接的特性，使用较高的振动频率使液态熔池各部分所受的振动能量更均匀，从而使振碎的枝晶在液态熔池中起到了更好的均化分布的效果，亦有助于等轴晶在焊缝中的弥散分布.

图7　枝晶根部断裂示意图

Fig.7　Diagram of fracture at root of dendrite arm

2.3　显微硬度

显微硬度测试覆盖母材、热影响区和焊缝区，加载时间为15 s，载荷为1.96 N，相邻测点之间间隔0.1 mm. 由图8a的显微硬度测试结果可以看出，显微硬度由母材向焊缝区逐渐提高，母材平均值为187.5 HV，而焊缝都达200 HV以上；随着焊接速度的提高，焊缝的显微硬度随之增大，由1.2 m/min时的200.1 HV提高到1.8 m/min时的205.3 HV. 焊缝的显微硬度较母材有明显的提高，这依然是由于激光焊热输入量小及焊接热循环时间短的特性致使焊缝区晶粒细小，在变形时需要协调不同位向的晶粒就越多，同时晶界的增加又阻碍了位错的运动. 但受制于激光焊接的特性，晶粒的细化程度并不能无限制地提高，故再提高焊接速度对晶粒度的影响并不大，若要进一步改进焊缝组织须引入其它工艺.

图8　焊接接头显微维氏硬度

Fig.8　Microhardness curve of different samples

由图8b所示，随着振动频率的增加，焊缝区的显微硬度显著上升，其值由未振动时的196.7 HV提高到振动频率为1 467.5 Hz时的207.1 HV，平均值提高约5.5%. 这是由于高频振动和激光焊接特性相结合的结果. 对工件施加高频率的振动不但可使晶粒细小，同时亦可破碎正在成长中的树枝晶，使熔池中非均匀形核的质点数量大大增加，从而更进一步地起到了细化焊缝组织的目的，使细晶强化的作用更明显.

对于现有的振动焊接工艺，由于使用偏心轮激振器，故振动频率较低且振动方向不固定. 又由于激光焊接热循环较快，低频振动不能很好地在短暂的液相停留时间内起到破碎枝晶和细化晶粒的目的. 将高频振动引入激光焊接中，使液态熔池在单位时间内受到的振动次数增多，枝晶被破碎的几率增大；同时由于磁致伸缩材料激振器的振动特性，使熔池所受的振动方向始终在一条直线上，液态金属所受能量更集中.

3　结　　论

(1) 激光焊接316L不锈钢的焊缝组织由边缘的奥氏体柱状树枝晶和中央的细小奥氏体等轴晶构成，在奥氏体晶界处有残留的δ铁素体；接头热影响区很窄，且单相奥氏体晶粒没有出现明显长大.

(2) 对于激光焊接，高频振动相比于普通的低频振动(33～166 Hz)具有更明显的效果. 高频振动使振动能量在焊缝中更平均分布，有效降低了焊接变形；此外振动抑制了树枝晶生长使其变得细小，并使焊缝中等轴晶数量增加且弥散地分布于柱状枝晶间.

(3) 其它焊接参数不变时，焊接速度越快焊缝晶粒越细小；焊接速度增加，熔宽呈现下降趋势. 当激光焊接参数不变时，振动频率的改变对熔宽并无显著影响.

(4) 在激光参数一定时，焊接过程中施加振动可细化焊缝晶粒，并且振动频率越高晶粒越细小；另外振动使焊缝中柱状树枝晶的长度和宽度减小.

(5) 显微硬度由母材向焊缝区逐渐提高. 焊接速度和振动频率的增加都能使焊缝的显微硬度增大，起到了细晶强化的作用.

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