高頻振動下的不鏽鋼激光焊接

何曉峰1,　盧慶華1,2,　彭必榮1,　於治水1,2

(1. 上海工程技術大學 材料工程學院，上海　201620；2. 上海市高強激光智能加工裝備關鍵技術產學研開發中心，上海　201620)

摘　要：在不鏽鋼激光焊接過程中對工件施加高頻振動，研究不同焊接速度和振動頻率對接頭宏觀成形、微觀組織及顯微硬度的影響. 結果表明，焊縫邊緣為柱狀樹枝晶，中央為細小等軸晶，焊縫組織為奧氏體和殘餘δ鐵素體. 焊接速度增加，雖可使熔寬和焊縫區晶粒尺寸減小，接頭硬度增大，但無法阻礙樹枝晶的生長. 施加高頻振動可抑制枝晶的數量和大小,並增加焊縫中等軸晶的數量，優化接頭綜合性能. 振動頻率增加，焊縫區晶粒尺寸減小、等軸晶數量增加且有細小等軸晶彌散分布於樹枝晶之間，焊縫硬度增大，振動起到了細晶強化的效果. 而振動頻率對熔寬並無明顯影響.

關鍵詞：激光焊接；高頻振動；微觀組織；顯微硬度

中圖分類號：TG456.7

文獻標識碼：A

文章編號：0253-360X(2016)09-0070-05

振動焊接(vibratory weld conditioning， VWC)是在振動時效基礎上發展而來的一項焊接技術[1]. 其最顯著的優點是可明顯細化焊縫組織[2,3]、減少焊接裂紋[4]、降低焊後殘餘應力[5]、減少焊縫變形[6]等. 對於振動焊接，國內外學者已進行了諸多研究，並逐漸在工程中應用. 謝春林等人[7]成功地對不鏽鋼薄壁構件進行振動焊並證明振動焊接可使焊接熱影響區的疲勞壽命的平均值提高10%左右；同時振動焊接降低了殘餘應力、細化了晶粒，使裂紋擴展壽命提高. 曾慶林等人[8]對高精度設備安裝平台進行振動埋弧焊，使工件橫向和縱向焊接應力較常規埋弧焊分別下降25.7%和29%，同時振動焊接條件下工件的尺寸穩定性也好於常規焊接. Govindarao等人[9]在低碳鋼電弧焊中採用恆定的振動加速度和振動頻率使生長中的樹枝晶破碎，並增加了形核率，這是焊接接頭硬度和性能提高的關鍵原因. Tewari等人[10]通過研究軸向振動對焊件拉伸性能的影響，發現機械振動可使焊件的屈服強度、抗拉強度和破壞強度明顯提高. 但是受限於現有的激振器大部分都為電機帶動偏心輪結構，一般振動頻率不超過200 Hz，故現有研究主要集中於將振動施加於傳統弧焊.

對於不鏽鋼激光焊接，國內外學者已經做了大量的研究，但幾乎沒有將VWC與高能束焊接的特點相結合的相關研究. 因此文中針對激光焊接熱循環快[11]的特點，大幅提高振動頻率；通過試驗對比不同振動條件下的奧氏體不鏽鋼激光焊接，並研究焊接速度和機械振動對接頭的顯微組織和接頭硬度的影響.

試驗對厚度為3 mm的316L不鏽鋼板進行激光自熔焊接，保護氣體為氬氣，氣體流量17 L/min，焊接時不填充材料，316L不鏽鋼化學成分見表1. 激光器為IPG YLS-5000型高功率光纖激光器. 振動平台為自行研製的基於磁致伸縮材料激振系統的高頻微振焊接平台. 試驗共分兩組，分別改變焊接速度和振動頻率，試驗參數見表2.

表1　316L不鏽鋼化學成分(質量分數,%)

Table 1　Chemical compositions of 316L stainless steel

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

2.1　宏觀成形

焊接完成後，所有試樣均焊透，且正反兩面焊縫均成形良好，未出現塌陷、焊縫不連續等缺陷. 這是由於光纖激光器波長較短(為1 070 nm)，不鏽鋼材料對其的吸收率較高. 同時高頻率的振動使振動能量更平均地分布於熔池，加劇了熔池金屬的整體攪動，加速了熱傳導，使接頭溫度分布較無振動時更均勻，減小了因不均勻加熱產生的焊接變形和焊接殘餘應力.

表2　試驗參數

Table 2　Experimental parameters

組別試樣編號激光功率P/kW焊接速度v/(m·min-1)離焦量f/mm振動頻率F/Hz11-131.2-570211-231.5-570211-331.8-570222-131.2-5022-231.2-570222-331.2-51467.5

由各試樣焊縫截面尺寸的測量結果可得，焊接速度增加，熔寬呈下降趨勢，如圖1所示. 而當其它參數不變時，振動頻率的增加對熔寬並無明顯影響，如圖2所示. 這說明施加機械振動並不能改變熔池體積.

圖1　焊接速度與熔池寬度關係

Fig.1　Curve of weld speed and weld width

圖2　振動頻率與熔池寬度關係

Fig.2　Curve of frequency and weld width

2.2　微觀組織

對各個試樣的表面和截面分別進行取樣、打磨拋光和王水腐蝕，在VHX-600K數碼顯微鏡下觀察焊縫區的金相顯微組織.

316L不鏽鋼母材均為單一奧氏體組織，如圖3所示，且存在著一些退火孿晶(黑色塊狀區域)，這是由於其在加工時經冷變形後又經退火所致.

圖3　母材金相組織

Fig.3　Microstructure of base metal

由圖4和圖5可知，焊縫區域的結晶方式均為典型的聯生結晶，皆由兩邊的熔合線以柱狀晶的形式向焊縫中心生長. 焊縫中心線處由細小的等軸晶組成. 熱影響區較窄，其原因是由於激光焊接速度較快且能量集中，致使接頭高溫停留時間短.

圖4　焊接速度對晶粒尺寸的影響

Fig.4　Impact of welding speed on grain size

圖5　振動頻率對晶粒尺寸的影響

Fig.5　Impact of frequency on grain size

對比圖4a和圖4b，發現試樣1-3中的晶粒尺寸明顯小於試樣1-1. 這是由於試樣1-3的焊接速度更快，焊接熱循環時間更短，提高了冷卻速率，從而增大了液態熔池金屬的過冷度. 由於晶粒數Z是由凝固過程中的形核率N以及生長速率R所決定的，且Z∝N/R. 雖然過冷度的增加導致N和R同時增大，但N的增大率大於R的增大率，即N/R值增大，故晶粒數目Z增多，晶粒得到細化.

比較圖5a和圖5b，可明顯地看出，在激光焊接參數一致的前提下，通過施加振動可明顯細化焊縫區的晶粒，且外加振動的頻率越高，熔池的晶粒越細小. 這是由於振動對熔池具有「攪拌」作用. 一方面加速了原子集團出現和消失的頻率，即加速了相起伏，增加形核率. 同時液態熔池受迫振動使熔池內各個微小區域的能量起伏增大，能量起伏的周期性增多，亦增加形核率[12,13]. 另一方面，晶粒大小是由單位體積上晶粒的數量Zv決定的，根據公式：Zv=0.9(N/R)3/4，可見晶粒度取決於形核率N和生長速率R之比，比值越大晶粒越細小. 此外熔池受迫振動形成湍流不斷衝撞枝晶並最終使其折斷，被破碎的枝晶在液態熔池中獨立長大形成新的晶粒. 激光焊接的特性決定了熔池凝固速度較傳統焊接快得多，若使用普通偏心輪激振器(F<200>Hz)必然不能在熔池液相停留時間內有效地破碎柱狀枝晶. 採用高頻振動(F>1 000 Hz)能使枝晶受到的撞擊成倍增加，同時振動頻率越高對熔池的「攪拌」作用就越明顯，進一步降低熔池的溫度梯度，阻礙樹枝晶的生長. 振動頻率越高，單位時間內對枝晶的破碎次數就越多，晶粒數目增多，晶粒得到進一步細化.

使用HITACHI S-3400N掃描電子顯微鏡分別對試樣2-1和試樣2-2的焊縫中心及熔合線進行觀察. 由圖6a和圖6b觀察到焊縫組織主要為包晶反應形成的奧氏體和殘餘δ鐵素體. 由於殘留鐵素體分布於奧氏體晶粒間形成凹凸不平的晶界，使裂紋必須沿著彎曲的晶界擴展，增加了裂紋擴展阻力.

圖6　振動對等軸晶形成的影響

Fig.6　Impact of frequency on isometric crystal formation

比較圖6a和圖6b有無振動兩種情況，發現施加機械振動不但可明顯抑制熔池柱狀樹枝晶的生長，還有助於焊縫中等軸晶的形成. 如圖7所示，其機理一是由於振動加劇了熔池流動，加速了溶質成分的擴散速度，從而減少了固液界面前沿成分過冷區的大小，阻礙了柱狀樹枝晶的生長. 二是柱狀樹枝晶根部因受迫振動和液流沖刷產生較大的彎曲應力而折斷並在液相中獨立長大成為等軸晶. 相比於普通的振動焊接頻率(33～166 Hz)，針對於激光焊接的特性，使用較高的振動頻率使液態熔池各部分所受的振動能量更均勻，從而使振碎的枝晶在液態熔池中起到了更好的均化分布的效果，亦有助於等軸晶在焊縫中的彌散分布.

圖7　枝晶根部斷裂示意圖

Fig.7　Diagram of fracture at root of dendrite arm

2.3　顯微硬度

顯微硬度測試覆蓋母材、熱影響區和焊縫區，載入時間為15 s，載荷為1.96 N，相鄰測點之間間隔0.1 mm. 由圖8a的顯微硬度測試結果可以看出，顯微硬度由母材向焊縫區逐漸提高，母材平均值為187.5 HV，而焊縫都達200 HV以上；隨著焊接速度的提高，焊縫的顯微硬度隨之增大，由1.2 m/min時的200.1 HV提高到1.8 m/min時的205.3 HV. 焊縫的顯微硬度較母材有明顯的提高，這依然是由於激光焊熱輸入量小及焊接熱循環時間短的特性致使焊縫區晶粒細小，在變形時需要協調不同位向的晶粒就越多，同時晶界的增加又阻礙了位錯的運動. 但受制於激光焊接的特性，晶粒的細化程度並不能無限制地提高，故再提高焊接速度對晶粒度的影響並不大，若要進一步改進焊縫組織須引入其它工藝.

圖8　焊接接頭顯微維氏硬度

Fig.8　Microhardness curve of different samples

由圖8b所示，隨著振動頻率的增加，焊縫區的顯微硬度顯著上升，其值由未振動時的196.7 HV提高到振動頻率為1 467.5 Hz時的207.1 HV，平均值提高約5.5%. 這是由於高頻振動和激光焊接特性相結合的結果. 對工件施加高頻率的振動不但可使晶粒細小，同時亦可破碎正在成長中的樹枝晶，使熔池中非均勻形核的質點數量大大增加，從而更進一步地起到了細化焊縫組織的目的，使細晶強化的作用更明顯.

對於現有的振動焊接工藝，由於使用偏心輪激振器，故振動頻率較低且振動方向不固定. 又由於激光焊接熱循環較快，低頻振動不能很好地在短暫的液相停留時間內起到破碎枝晶和細化晶粒的目的. 將高頻振動引入激光焊接中，使液態熔池在單位時間內受到的振動次數增多，枝晶被破碎的幾率增大；同時由於磁致伸縮材料激振器的振動特性，使熔池所受的振動方向始終在一條直線上，液態金屬所受能量更集中.

(1) 激光焊接316L不鏽鋼的焊縫組織由邊緣的奧氏體柱狀樹枝晶和中央的細小奧氏體等軸晶構成，在奧氏體晶界處有殘留的δ鐵素體；接頭熱影響區很窄，且單相奧氏體晶粒沒有出現明顯長大.

(2) 對於激光焊接，高頻振動相比於普通的低頻振動(33～166 Hz)具有更明顯的效果. 高頻振動使振動能量在焊縫中更平均分布，有效降低了焊接變形；此外振動抑制了樹枝晶生長使其變得細小，並使焊縫中等軸晶數量增加且彌散地分布於柱狀枝晶間.

(3) 其它焊接參數不變時，焊接速度越快焊縫晶粒越細小；焊接速度增加，熔寬呈現下降趨勢. 當激光焊接參數不變時，振動頻率的改變對熔寬並無顯著影響.

(4) 在激光參數一定時，焊接過程中施加振動可細化焊縫晶粒，並且振動頻率越高晶粒越細小；另外振動使焊縫中柱狀樹枝晶的長度和寬度減小.

(5) 顯微硬度由母材向焊縫區逐漸提高. 焊接速度和振動頻率的增加都能使焊縫的顯微硬度增大，起到了細晶強化的作用.

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收稿日期：2014-11-25

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51305253，51375294)

作者簡介：何曉峰，男，1990年出生，碩士研究生. 主要從事激光焊接和振動焊接方面的研究.Email：hexiaofeng534824181@aliyun.com

通訊作者：盧慶華，女，博士，副教授.Email：luqh@sues.edu.cn

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