1 引言

SUS301L奥氏体不锈钢是一种亚稳态不锈钢,其为新一代地铁车辆车体专用材料。SUS301L不锈钢在冷轧过程中会发生马氏体转变,其强度可大幅度提高^[1]。根据冷轧加工变形量的不同,可将SUS301L不锈钢分为低强度型(LT)、特定强度型(DLT)、特殊抗拉型(ST)、中等强度型(MT)和高强度型(HT)五类^[2]。

奥氏体不锈钢的热膨胀系数为碳钢的1.5倍,热导率仅为碳钢的1/3,因此,奥氏体不锈钢不适宜采用大热输入量的焊接工艺,在不锈钢车体焊接制造的过程中广泛使用了点焊工艺^[3]。激光焊接和激光-电弧复合焊接技术具有焊接速度快、热输入量小的特点,可以减小焊接产生的热形变和焊接残余应力,同时也可以提高车体的气密性,达到降噪目的。SUS301L不锈钢材料在冷轧过程中产生的马氏体在焊接热循环的作用下发生回火或马氏体向奥氏体逆转变,使热影响区的强度和硬度降低。同时,较大的焊接热输入增加了接头组织的不连续性,从而增大了焊接残余应力和形变,严重影响焊接结构的服役安全性。唐舵等^[4]发现,SUS301L-HT不锈钢经激光焊后的接头强度达到979.1 MPa,比熔化极稀有气体保护电弧焊(MIG)的接头强度高出约200 MPa。陈洋等^[5-6]研究发现,SUS301L不锈钢板CO₂激光-MIG复合焊接的焊缝在凝固冷却过程中发生了δ-γ固态相变,这是由块状转变和δ、γ相界面处的短程自由扩散作用共同完成的。朱国仁等^[7]指出,非熔透型激光焊SUS301L不锈钢接头的剪切拉伸强度和抗疲劳强度均高于熔透型激光焊的,且非熔透型激光焊接头的抗疲劳强度高于普通电阻式点焊的,并推荐对2 mm以下薄板组合搭接焊使用非熔透型激光焊。张岩等^[8]对脉冲激光焊SUS301L不锈钢接头的组织和性能进行了研究。Fu等^[9-10]开展了焊接工艺对不锈钢接头腐蚀性能的影响研究。以上研究主要针对SUS301L不锈钢薄板,新一代地铁使用的不锈钢底架的材料厚度达到了8 mm,因此,有必要对SUS301L不锈钢中厚板的焊接工艺进行进一步的研究。

本文采用活性气体保护电弧焊(MAG)、激光焊和激光-MAG复合焊工艺焊接了厚度为8 mm的SUS301L-MT不锈钢板材,对不同工艺下获得的接头组织和力学性能进行了对比分析,研究结果为SUS301L不锈钢中厚板在新一代地铁底架上的应用提供了参考。

2 材料及试验

试验母材为SUS301L-MT奥氏体不锈钢,抗拉强度为990 MPa,屈服强度为705 MPa。填充金属选取ER308L Si焊丝,直径为1.0 mm。母材和焊丝的成分见表1,母材的金相组织如图1所示。从表1可以看出,SUS301L-MT不锈钢中的奥氏体为亚稳态。经冷轧加工后,奥氏体因大量塑性变形而发生马氏体转变,因此,从图1可以观察到,大量板条马氏体分布于奥氏体中,冷轧所形成的滑移线清晰可见。

图 1. SUS301L-MT不锈钢的金相组织

Fig. 1. Metallographic structure of SUS301L-MT stainless steel

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不同焊接工艺的坡口设计如图2所示,试板尺寸为320 mm×160 mm×8 mm。由于MAG焊的熔深较浅,因此选择了两道焊接,打底焊焊速为6 mm·s^-1,送丝速度为9 m·min^-1;盖面焊焊速为8 mm·s^-1,送丝速度为15 m·min^-1。为了使母材熔化后能形成一定尺寸的熔池,激光焊的离焦量调整为10 mm,激光功率为5.5 kW,焊接速度为9 mm·s^-1。激光-MAG复合焊工艺参数为:离焦量0 mm,激光功率6 kW,焊接速度28 mm·s^-1,送丝速度18 m·min^-1。保护气均采用体积分数为95%的Ar气和5%的CO₂气的混合气。选用德国通快公司10 kW TruDisk 10002型连续碟片激光器进行焊接,并配备有奥地利福尼斯公司Transpuls Synergic 4000型脉冲焊机和瑞士ABB公司IRB2400型机器人。

图 2. 不同焊接工艺的坡口设计

Fig. 2. Groove design under different welding processes

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试板焊接完成后,选出焊缝探伤合格的试板进行切取并制备金相试样,对焊缝区相组成进行X射线衍射分析(XRD);随后在质量分数为10%的草酸溶液中电解蚀刻试样,通过扫描电镜(SEM)对焊缝微观组织进行分析比较。采用维氏硬度计对接头硬度分布进行测定,载荷为9.8 N,保持时间为10 s。采用XRD对残余应力分布进行测试,测试线位于试板中部残余应力稳定区域。以焊缝为中心切取拉伸试样,试样标距为100 mm,拉伸速率5 mm·min^-1。

3 结果与分析

3.1 微观组织

不同焊接工艺下得到的接头宏观形貌如图3所示。从图中可以看出,三种焊接工艺下均得到了全熔透且没有宏观裂纹和气孔的接头;但不同接头焊缝的尺寸相差较大,这与焊接能量的集中性有关。MAG焊、激光焊和激光-MAG复合焊的焊缝宽度分别为10.61,4.07,5.89 mm。由于焊丝的填充,MAG焊和激光-MAG复合焊的焊缝余高高度均在1 mm左右。激光焊由于不存在填充金属,因此焊缝余高较小但并未形成塌陷。激光-MAG复合焊的焊趾位置过渡明显,比另外两种工艺更为圆滑,有利于降低焊趾位置的应力集中性。

图 3. 不同焊接工艺下的接头宏观形貌。(a) MAG焊;(b)激光焊;(c)激光-MAG复合焊

Fig. 3. Macrostructures of joints under different welding processess. (a) MAG welding; (b) laser welding; (c) laser-MAG hybrid welding

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图 4. 不同焊接工艺下的接头焊缝区XRD结果

Fig. 4. XRD results of weld zones of joints under different welding processes

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不同焊接工艺下得到的接头焊缝区域XRD结果如图4所示。三种焊接工艺下所得到的接头均由γ相和δ相组成,但δ(110)相的衍射峰相对强度存在差异。激光焊的δ(110)衍射峰最高,其次为激光-MAG复合焊,MAG焊的衍射峰最低。这是由于奥氏体不锈钢焊缝中的δ相含量由冷却速度决定,冷却速度越大,δ相含量越大^[11]。

不同焊接工艺下的接头焊缝区的微观组织形貌如图5所示。三种焊接工艺下所得到的焊缝均由树枝状的δ铁素体和奥氏体组成。MAG焊的焊缝内形成了大块状的δ铁素体,树枝间距较大,δ铁素体的量较少。激光焊焊缝中形成的δ铁素体的间距较小,呈连续状分布。激光-MAG复合焊的焊缝内形成了十分细密的δ铁素体,均匀分布的δ铁素体有利于焊缝力学性能的提高。

不同焊接工艺下得到的接头热影响区的微观组织形貌如图6所示。MAG焊具有较大的焊接热输入,其熔合线附近的母材熔化范围明显大于激光焊和激光-MAG复合焊的。MAG焊的熔化宽度达到260 μm,而激光焊和激光-MAG复合焊的仅为90 μm左右。从图6中还可以看出,MAG焊热影响区内的马氏体形态基本消失;激光焊和激光-MAG复合焊的热影响区保留着与母材相似的马氏体形态,且受到焊接热循环的影响较小。

图 5. 不同焊接工艺下的焊缝区微观组织。(a) MAG焊;(b)激光焊;(c)激光-MAG复合焊

Fig. 5. Microstructures of weld zones under different welding processes. (a) MAG welding; (b) laser welding; (c) laser-MAG hybrid welding

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图 6. 不同焊接工艺下的焊缝热影响区微观组织。(a) MAG焊;(b)激光焊;(c)激光-MAG复合焊

Fig. 6. Microstructures of heat affected zones under different welding processes. (a) MAG welding; (b) laser welding; (c) laser-MAG hybrid welding

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Fe的质量分数为70%的不锈钢伪相图如图7所示,其中红色线为SUS301L不锈钢的成分线。熔融金属在平衡凝固条件下,经历的凝固过程为

L→L+α→α→α+γ→γ+α,(1)

式中L表示液态,α表示铁素体,γ表示奥氏体。在焊接过程中,熔池凝固过程为非平衡过程,周围母材的冷却作用和焊接热源的集中将促使极大的温度梯度形成。熔池在较高的温度梯度下,以熔合线附近的母材为形核点进行非平衡冷却,并通过非均匀形核凝固为柱状晶,高温δ铁素体未能完全转变为奥氏体而以树枝晶的形式残留下来。焊缝在凝固过程中,首先析出高温铁素体;随着温度的降低,高温铁素体转变为奥氏体,在较大的冷却速度下以无扩散块状转变形式瞬间完成转变,残留的高温铁素体以树枝状分布在奥氏体中,从而形成图5所示的微观组织形态。由于MAG焊的热输入远大于激光焊和激光-MAG复合焊的^[12],温度梯度小于其他两种焊接工艺的,因此,焊缝中残留的δ铁素体较少。焊接间隙越大,焊缝内δ铁素体含量越小^[5]。在激光-MAG复合焊过程中,采用激光在前、电弧在后的设置,激光首先熔化母材,形成熔池,随后在电弧的搅拌下形成细密的δ铁素体组织。

图 7. Fe质量分数为70%的不锈钢伪相图

Fig. 7. Pseudo-phase diagram of stainless steel for Fe with mass fraction of 70%

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3.2 硬度分析

距离接头上下表面2 mm处的维氏硬度分布如图8所示,其中虚线为接头中熔合线的位置。三种焊接工艺下所得接头的硬度分布趋势基本相同,焊缝处的组织为含有树枝晶的铸态组织,因此硬度较低,均处于210 HV左右。由于母材区域经过冷轧加工后形成大量马氏体组织,因此,母材区具有较高的硬度。热影响区在焊接热循环的作用下,马氏体发生回火转变和向奥氏体的逆转变,从而硬度值降低。MAG焊具有较大的热输入,形成了宽度约为3 mm的热影响区,激光焊和激光-MAG复合焊的热影响区宽度仅为1 mm左右。

图 8. 接头不同位置的硬度分布。(a)上部;(b)下部

Fig. 8. Hardness distributions at different positions of joints. (a) Top, (b) bottom

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3.3 残余应力分析

平板对接焊接头中的焊缝及近焊缝处经历过高温的区域中存在纵向残余拉应力。不同焊接工艺下得到的接头纵向和横向残余应力的分布情况如图9所示。从图中可以看出,三种焊接工艺下得到的接头纵向和横向残余应力的分布趋势均呈近似“M”形状。其中,MAG焊的接头纵向残余应力峰值为631 MPa,横向残余应力峰值为400 MPa;激光焊的接头纵向残余应力峰值为482 MPa,横向残余应力峰值为363 MPa;激光-MAG复合焊的接头纵向残余应力峰值为501 MPa,横向残余应力峰值为334 MPa;MAG焊的接头具有最大的纵向和横向残余应力峰值。所有焊接工艺下的接头纵向和横向应力峰值均出现在焊趾位置附近的热影响区内。三种焊接工艺条件下的焊缝纵向残余应力值均在400 MPa左右,焊缝横向残余应力则均在260 MPa左右,母材区域的应力均为100 MPa左右的压应力,各测试点上的纵向残余应力均要大于横向残余应力。

由于焊缝为铸态,热影响区经历焊接热循环后强度减小,但仍然高于焊缝,当残余应力值超过屈服强度时,将发生局部塑性变形而使应力得到释放,最终残余应力值不超过局部的屈服强度。因此,三种焊接接头的残余应力分布呈“M”形。为了平衡焊缝和热影响区内的残余拉应力,因此,在母材内呈现出压应力。同时,母材经过冷轧发生马氏体转变后存在一定的压应力。当接头中存在较大的残余拉应力时,通过与外载荷的叠加,接头的强度被降低^[12]。MAG焊接头较大的残余拉应力也是导致其强度比激光焊和激光-MAG复合焊强度更低的一个原因。

图 9. 不同焊接工艺下的接头残余应力分布。(a)纵向;(b)横向

Fig. 9. Residual stress distributions of joints under different welding processes. (a) Longitudinal; (b) transverse

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3.4 抗拉强度

三种焊接接头的抗拉强度和屈服强度结果如图10所示。从图中可以看出,激光-MAG复合焊的抗拉强度达到了906 MPa,超过了文献[ 1]中母材强度的最低要求值,接头系数为0.915。激光焊接头的抗拉强度略微低于激光-MAG复合焊的,达到了837 MPa,接头系数为0.845。MAG焊接头的抗拉强度却仅有612 MPa,接头系数仅为0.618。三者的屈服强度基本相同,为416 ~456 MPa。

图 10. 不同焊接工艺下的接头强度比较

Fig. 10. Strength comparison of joints under different welding processes

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三种焊接接头的断口SEM形貌如图11所示。从图中可以看出,三种焊接工艺下的接头均为韧性断裂,断口均为韧窝形貌,但韧窝的尺寸和分布存在明显的差别。MAG焊接头的韧窝粗大且尺寸不均匀;激光焊接头的韧窝细密但尺寸不均匀;激光-MAG复合焊接头的韧窝尺寸比激光焊接头的略微粗大,尺寸分布相对均匀。

在拉伸过程中,当应力达到屈服点之后,材料发生微孔缩聚而断裂。由于三种焊缝金属的成分和组织基本相同,因此,表现出了相似的屈服强度。在材料内部形成微孔并长大的过程中,三种焊接工艺下所得的焊缝内δ铁素体的尺寸和分布存在一定的差异,因此,在断口上表现出了与δ铁素体分布相似的韧窝形貌。

图 11. 不同焊接工艺下的接头断口微观形貌。(a)激光-MAG复合焊;(b)激光焊;(c) MAG焊

Fig. 11. Fracture morphologies of joints under different welding processes. (a) Laser-MAG hybrid welding; (b) laser welding; (c) MAG welding

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4 结论

通过三种焊接工艺进行了SUS301L-MT不锈钢焊接,分析比较了焊接工艺对接头组织和力学性能的影响,得到以下结论。

1) 三种焊接工艺下的接头焊缝组织均由树枝状的δ铁素体和奥氏体组成,MAG焊的接头焊缝中的δ铁素体含量最小,激光焊和激光-MAG复合焊的接头焊缝中的δ铁素体更细密。

2) MAG焊的接头热影响区宽度达到3 mm左右,激光焊和激光-MAG复合焊的热影响区宽度仅为1 mm左右。

3) 三种焊接工艺下的接头纵向和横向残余应力均呈“M”形分布,峰值均出现在焊趾位置,MAG焊的接头具有最高的残余应力峰值。

4) 激光-MAG复合焊的接头抗拉强度达到906 MPa,激光焊的为837 MPa,MAG焊的仅为612 MPa。

5) 三种焊接工艺下的接头拉伸断口均为韧窝形貌,激光-MAG复合焊的接头断口韧窝更均匀细密。