薄壁不锈钢管激光焊接接头组织及性能有哪些

 由于接头的显微组织对焊缝接头的力学性能的影响很大，而接头的力学性能直接影响接头的使用，所以需要对焊接接头的显微组织和力学性能进行研究。浙江至德钢业有限公司分别研究不同工艺参数组合下薄壁不锈钢管焊缝表面和横截面形貌，观察接头的显微组织，测试不同参数下横向焊缝试样的拉伸性能，测试了接头的显微硬度分布，根据分析结果进行工艺优化。

  薄壁不锈钢管焊接试验中发现了两种截然不同的焊缝横截面，其宏观结构如图所示。两种熔池形貌的焊缝区域的组织与母材的组织明显不一样，焊缝与母材之间有一条明显的分界线，即熔合线。其中像一个很浅的U型形貌，熔池很浅，开口处很宽，这是典型的传导焊的熔池形貌；另一中焊缝横截面整体就像一个杯子状的漏斗，开口处较大，中部和底部窄且深，这是典型的深熔焊的熔池形貌。从图中可以看出，传导焊所形成的熔池的显微组织有明显的分层现象，各层的显微组织的有较大的差别，熔合线附件为粗大的柱状晶，且柱状晶是指向焊缝中心并垂直于熔合线生长的；远离熔合线的焊缝中部为排列无序的枝晶和部分等轴晶交错存在；而焊缝中心为细小的等轴晶。从图中还可以看出，不管是传导焊还是深熔焊，其焊缝的显微组织都有明显的分层现象。这是由于脉冲激光焊接时，脉冲能量是间隔性的，前一个脉冲能量所形成的熔池金属刚凝固或尚未完全凝固时，下一个脉冲能量就到了，会把前一个脉冲能量所形成的熔池重熔一部分，这样在焊缝表面看起来一个焊点叠在另一个焊点上，而在横截面上，就会形成分层现象。由于传导焊时，所形成熔池的熔深太浅，不能有效的连接薄壁不锈钢管，所以后续重点研究深熔焊的显微组织及力学性能。

 首先利用100倍金相显微镜观察整个接头的表面形貌，如图所示。从图中可以看出，从焊缝表面看，整条焊缝有一个焊点一个焊点连接而成，当各焊点的重叠度超过50%时，就形成了一条连续合格的焊缝。焊缝的显微组织和母材的显微组织明显不一样，有一条明显的分界线，即熔合线。再放大到500倍，观察焊缝各个区域的显微组织。如图所示，分别为焊缝各区域的显微组织图。从图中可以看出，焊缝边界处为树枝晶，这些树枝晶依附于未熔化的母材晶粒向着焊缝中心生长，且其生长方向垂直于熔合线。造成这种现象的原因是：液态熔池中，靠近母材的区域有许多未熔化的母材晶粒，熔池中的液态金属可以依附于这些未熔化的母材晶粒上形核，这种形核方式也称为异质形核。焊接过程中，作为晶核的母材晶粒是各向异性的，初始形核时，结晶位向是不同的，熔池边界熔合线的方向正好和等温线是一致，而垂直于等温线的方向的温度梯度最大，由于晶体的择优生长，会优先向温度梯度最大的方向生长，并淘汰其他取向不利的晶体，所以晶体在长大的过程中会垂直于熔合线，这就形成了焊缝边缘区域这种独特的组织形貌。如图所示，焊缝中心是细小的等轴晶。这是由于焊接过程中，焊缝中心区域的温度都很高，其温度梯度很小，在焊缝中心处形成了较宽的成分过冷区，整个焊缝中心几乎是同时凝固的，液态金属内部会自由形核，这些在液态金属内部产生的晶粒四周不受阻碍，可以自由生长，也就形成了杂乱无序的等轴晶。

 从焊缝表面的金相图中可以看出，脉冲激光焊焊接不锈钢时，从焊缝表面观察，其金相组织有其典型的特点：宏观上，整条焊缝是由一个一个的焊点重叠在一起形成的，焊缝中心为细小的等轴晶，焊缝边沿为向着焊缝中心并近似垂直于熔合线方向生长的树枝晶。首先在200倍显微镜下观察焊缝半边的横截面图。如图所示。从图中可以看出，焊缝的热影响区非常小，且靠近熔合线的焊缝边界处为树枝晶，靠近焊缝中心的焊缝中部的枝晶开始变小，也逐渐变得杂乱无序，还夹杂着部分等轴晶，焊缝中心为等轴晶。再在500倍金相显微镜下观察焊缝横截面各个区域的显微组织的形貌。如图所示。从图中可以看出，焊缝边界为细长的树枝晶，且都是近似垂直与焊缝熔合线的；从图中可以看出，在靠近焊缝中心的焊缝中部区域，有很多杂乱无序的枝晶；从图中可以看出，焊缝中心为细小且排列无序的等轴晶。形成这种组织形貌的原因是：由于母材是未熔化状态，而固态金属的导热率高，故焊缝边界处温度梯度大，结晶速度小，其成分过冷区小，原本是倾向于形成柱状晶，但激光焊焊接熔池小，冷却速度快，整个焊缝几乎是同时冷却，在焊缝边界处，刚开始结晶速度极快，后结晶速度减慢，这样就容易形成树枝晶；在很短的时间内，随着凝固的进行，固液界面向焊缝中心推进，温度梯度不断减小，结晶速度不断增大，使其成分过冷区逐渐增大，所以靠近焊缝中心的焊缝中部的枝晶开始减小，并逐渐变得杂乱无序；固液界面推进到焊缝中心时，其温度梯度已经非常小，液相中的成分过冷区非常大，整个焊缝中心几乎是同时凝固的，这时，液相内部会生核，生成新的晶粒，在焊缝中心处形成等轴晶。

 综上所述，从焊缝的宏观结构图可以看出，脉冲激光焊接薄壁不锈钢管时，存在深熔焊和传导焊两种焊接模式，所形成的熔池形貌截然不同。深熔焊的焊缝横截面整体就像一个杯子状的漏斗，开口处较大，中部和底部窄且深，而传导焊的焊缝横截面像一个很浅的U型形貌，熔池很浅，开口处很宽。从放大的焊缝区域的显微组织图中可以看出，脉冲激光焊接不锈钢薄板时，焊缝显微组织一般都有明显的分层现象。深熔焊时，靠近熔合线的区域为细长的树枝晶，这些树枝晶均是向着焊缝表面指向焊缝中心，远离熔合线的焊缝中部为排列的枝晶，焊缝中心为细小的杂乱无序的等轴晶。