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王丽娟，牛瑞利
不锈钢激光点焊接头组织和力学性能研究
王丽娟，牛瑞利
（郑州工业应用技术学院，郑州 451100）
改善SUS301L–HT不锈钢激光点焊焊接性能。以2 mm SUS301L–HT不锈钢为母材进行激光点焊试验，并分析焊接接头的金相组织、硬度、拉伸性能以及断口形貌等。焊点表面无损坏、压痕均匀、无较大焊接变形，表面无飞溅、母材颜色无明显变化。焊核区的微观组织主要是柱状晶，柱状晶依附于未熔化母材晶粒向焊核中心生长。母材硬度最高，约为309HV；
焊核中心附近区域硬度适中，约为255HV，热影响区硬度最小，不到220HV。点焊接头断裂形式多为纽扣式断裂且发生在热影响区。不锈钢激光点焊整体质量较好，可用于轨道列车车体加工。
激光焊；
SUS301L-HT不锈钢；
微观组织；
力学性能
目前，我国轨道列车发展十分迅速，不锈钢在列车中的应用越来越普遍，主要是因为不锈钢列车优点比较明显[1-3]，如防火性、安全性、撞击吸能性、维护成本低等。其中，SUS301L奥氏不锈钢不仅含碳量低而且还含有少量氮，除了可以确保焊接性和耐腐蚀性还能够保持较高强度，因此SUS301L是不锈钢列车车身材料首选[4-7]。列车车身成形涉及众多加工方法，焊接则是不可或缺、至关重要的一个环节。奥氏体不锈钢的焊接方法比较多，电阻点焊、电子束焊、TIG焊、MIG焊、激光焊是几种比较常见的焊接方法[8-17]。以激光焊接为例，焊接热源就是一束高能量激光束，将激光束作用在工件表面进行焊接的一种新兴焊接技术[18-22]。与传统焊接相比，激光焊优势比较明显，焊接变形小、焊接应力小、焊接速度快、焊缝无需二次处理、焊缝成形好、焊接效率高[23-25]。激光焊在不锈钢薄板焊接领域的应用非常广泛，对于奥氏体不锈钢激光焊的研究也已经逐步展开。杨立军等[26]以0.5 mm厚A304不锈钢为研究对象，采用YAG激光进行焊接工艺研究，给出了不同工作模式下的最佳工艺参数。张岩等[27]利用脉冲激光焊进行了SUS301L薄板不锈钢对接焊实验，并分析了此种焊接方法的工艺特点、接头微观组织和硬度等。陈树青等[28]采用光纤激光对304奥氏体不锈钢进行焊接，获得成型良好的激光焊接接头，利用光学显微镜、超景深、显微硬度计等分析检测手段，对304不锈钢焊接接头的微观组织特点、力学性能及断口特征进行了研究并进行相应的分析。孙家豪等[29]在316L不锈钢的激光焊过程中，根据材料焊缝二维不光滑轮廓特点，采用分段函数思想，构建广义回归神经网络焊缝二维形貌预测模型，平均相对误差为‒3.49%。欧阳轶等[30]采用激光焊对0.635 mm厚的A286不锈钢薄板进行填丝焊接，研究了焊接接头的微观组织、显微硬度、力学性能以及断口形貌，焊缝区组织为柱状晶奥氏体基体上分布着少量枝晶间的δ铁素体，热影响区发生了回复和再结晶，晶粒有一定程度的长大；
在常温和高温拉伸过程中，焊接接头均在母材处断裂，并且断裂形式为典型的韧性断裂，焊缝满足强度要求。樊宇等[31]在激光功率为1 350 W、焊接速度为0.8 m/min的工艺参数下对316L不锈钢板材进行对接焊，发现激光功率和离焦量对熔深影响较大，而焊接速度则对熔宽和束腰宽影响较大。本文在现有研究的基础上，以SUS301L-HT不锈钢为研究对象，重点讨论激光点焊接头组织和力学性能，为不锈钢激光点焊工艺设计提供一些参考。
试验所选用母材为2 mm厚SUS301L-HT不锈钢，母材成分与SUS301L完全相同，HT表示其强化方式。试样具体尺寸为300 mm×150 mm×2 mm，不开坡口。
母材SUS301L-HT成分如下：C元素质量分数不大于0.03%，Si元素质量分数不大于1.0%，Mn元素质量分数不大于2.0%，P元素质量分数不大于0.045%，S元素质量分数不大于0.03%，Ni元素质量分数介于8%～10.5%，Cr元素质量分数介于18%～20%，N元素质量分数不大于0.02%，剩余为Fe元素。
试验设备主要包括如下几种：光纤激光器，型号为IPG YLR-4000，最大输出功率为4 kW，激光波长为1.07 μm，焦点直径为0.3 mm，焦长为250 mm；
焊接机器人，型号为ABB IRB4400/60，额定负载为60 kg，重复精度可以达到0.07 mm。激光焊接主要参数如下：激光功率3 500 W，焊接速度3.0 m/min，离焦量+4 mm，保护气体流量45 L/min。
焊接之前需要对焊接区域进行一些处理，如砂纸打磨、丙酮清洗等。焊接结束后，可观察焊缝表面形貌。截取焊缝金相试样并打磨，利用LWS金相显微镜观察焊缝截面形貌；
利用WDW3200万能试验机进行拉伸试验；
采用显微硬度计观测焊缝硬度分布，通过扫描电镜观测断口形貌。试验研究过程中，制作10个试样，每个试样进行1次试验，试验结果取平均值。
2.1 宏观形貌
鉴于该材料主要用在轨道列车上，所以点焊完成后，焊点需要满足以下几点要求：外观平整、无较大焊接变形；
焊点表面无损坏、压痕均匀；
表面无飞溅；
母材颜色无明显变化。焊点宏观形貌如图1所示，从图中可以看出：接头内部并没有出现飞溅现象；
两母材之间翘曲并不明显；
熔核无偏移；
焊点表面压痕深度非常小。通过反复试验，当焊接电流为3.2 kA、电极压力为4.3 kN、焊接周次为12时，点焊接头质量最好。将点焊接头放大25倍，具体形貌如图2所示。从图2中可以比较容易地分辨出母材、焊点熔核、熔合区域、热影响区，另外焊点的形状规则、无夹杂物、组织比较纯净。
图1 焊点宏观形貌
图2 焊点形貌（25倍）
2.2 微观形貌
母材微观组织形貌如图3a所示，可以看出母材主要由奥氏体组成，同时含有少量铁素体。热影响区微观组织形貌如图3b所示，即母材和焊核之间的过渡区域，该区域主要是一些等轴状奥氏体晶粒，比较粗大且为熔化。因为点焊时间比较短、冷却速度很快，所以热影响区比较窄。热影响区晶粒粗大的原因在于受焊接热源影响晶粒出现回复和再结晶现象，导致晶粒不断长大。除此之外，离焊缝越近，晶粒尺寸越大。如上所述，热影响区组织分布并不均匀，因此该区域性能分布也是不均匀的，该区域往往是整个接头中最薄弱的环节。
图3c为焊核微观组织形貌，可以看出：熔核组织联生结晶特征比较明显，存在大量柱状晶；
这些柱状晶垂直于熔合线并向焊点中心生长。金属从液态转变为固态的一个重要前提就是过冷度，即只要液态金属的过冷度足够，金属就会形核并凝固。在点焊过程中，两个电极之间的母材会被熔化，此时处于过热状态。但是在焊核边缘区域始终存在未熔化的固相金属与液相金属接触，此时焊核会依附在固相表面非自发成核，沿散热最快方向朝焊核中心生长。最终，两处柱状晶会在板材中间处由于相互抵制而停止生长，具体如图3d所示。
图3 微观形貌
2.3 力学性能分析
点焊接头硬度分布曲线如图4所示，可以看出：焊接接头的硬度分布并不均匀，呈现出“w”状。其中母材处硬度最高，硬度约为309HV；
焊核中心附近区域硬度适中，可以达到255HV，热影响区硬度最小，不到220HV。
图4 点焊接头硬度分布曲线
2.4 熔核直径
不同工艺参数下对应的熔核直径变化规律如图5所示，熔核是基于在焊接头通电后产生的热能作用在不锈钢金属上形成的，由于热能与所通的电流平方成正相关关系，因此电流对熔核影响很大。从图5a可以看出，在2.0～3.2 kA范围内，熔核直径与电流成正比，在3.2 kA时达到最大值5.19 mm，当进一步增大电流后，直径会由于金属飞溅而大幅度降低。图5b为熔核直径与电极压力关系曲线，可以看出，在3.7～4.3 kN范围内，直径表现正相关关系，达到最大值4.3 kN后，熔核直径下降[32]。图5c为熔核直径与焊接时间的关系趋势，可以看出在8～12 cyc（1 cyc=0.02 s）范围内，直径随着焊接时间的延长而升高，与焊接电流左右机理类似，随着时间的延长，所提供的热能越高，对应的直径也增加，但是当超过最大值12 cyc后，由于金属的飞溅将会导致熔核直径的下降，因此从熔核直径的变化趋势图可以得出最优的工艺参数为：焊接电流3.2 kA，电极压力4.3 kN，焊接时间12 cyc。
2.5 拉剪力性能
拉剪力与焊接电流、电极压力、焊接时间的关系如图6所示，图6a为与焊接电流关系，可以看出，在2.0～3.2 kA范围内，拉剪力与电流表现为正相关，当超过3.2 kA最大电流后，由于产生了金属飞溅，导致焊接头位置的拉剪力降低。图6b为与电极压力关系，可以看出，在3.7～4.3 kN范围内，拉剪力与电极压力表现为正相关关系，当电极压力超过最优值4.3 kN后，由于电极与不锈钢材料的点焊接触面积升高，热能输入降低，对应拉剪力下降。图6c为与焊接时间关系，可以看出，在8～12 cyc范围，拉剪力与焊接时间表现为正相关趋势，在12～16 cyc时间范围内，由于金属飞溅将会引起点焊接头处的拉剪力降低，因此从拉剪力的变化趋势图可以得出最优的工艺参数为：焊接电流3.2 kA，电极压力4.3 kN，焊接时间12 cyc。
图5 熔核直径
图6 拉剪力
1）SUS301L–HT不锈钢点焊具有外观平整、无较大焊接变形、焊点表面无损坏、压痕均匀、母材颜色无明显变化等特点。
2）焊核区的微观组织主要是柱状晶，柱状晶依附于未熔化母材晶粒向焊核中心生长；
热影响区组织分布并不均匀，该区域往往是整个接头中最薄弱的环节，往往发生纽扣式断裂。
3）母材处硬度最高，硬度约为309HV；
焊核中心附近区域硬度适中，可以达到255HV，热影响区硬度最小，不到220HV。综上所述，不锈钢激光点焊性能优良、接头质量较好，可用于轨道列车车体加工。
4）基于熔核直径和拉剪力指标的考核，获得点焊的最佳工艺参数为：焊接电流3.2 kA，电极压力4.3 kN，焊接时间12 cyc。
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Microstructure and Mechanical Properties of Stainless Steel Laser Spot Welding Joints
Wang Li-juan, Niu Rui-li
(Zhengzhou University of Industrial Technology, Zhengzhou 451100, china)
To improve the welding performance of SUS301L-HT stainless steel laser spot welding, the laser spot welding test was carried out with 2 mm SUS301L-HT stainless steel as the base material, and the microstructure, hardness, tensile properties and fracture morphology of the welded joints were analyzed. The test results show that there is no damage, uniform indentation, no large welding deformation, no splash on the surface and no obvious change in the color of the base material. The microstructure of welded core is mainly columnar crystals which grow towards the center of welded core attached to the unmelted base metal grains. The hardness of base material is the highest, about 309HV. The hardness of the region near the core center is moderate, about 255HV, and the hardness of the heat-affected zone is the least, less than 220HV. The fracture form of spot welded joints is button fracture and occurs in the heat affected zone. Laser spot welding of stainless steel has good overall quality and can be used for rail train body processing.
laser welding; SUS301L-HT stainless steel; microstructure; mechanical properties
10.3969/j.issn.1674-6457.2022.10.017
TG456.7
A
1674-6457(2022)10-0120-06
2021–10–09
河南省科技攻关项目（222102210155）
王丽娟（1984—），女，讲师，主要研究方向为材料、力学。
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