焊接速度对奥氏体不锈钢焊缝质量及拉伸性能的影响

焊接速度对焊缝成形的影响

评价奥氏体不锈钢激光叠焊质量可靠性的重要依据是力学性能，但首先保证焊缝成形质量，其中焊缝表面成形包括是否存在飞溅、咬边、塌陷、裂纹、气孔及表面氧化程度等。焊缝熔深、熔宽也是衡量焊缝质量的重要参数，根据板式换热器的使用工况，下板不得被焊透，因而熔深应控制在一定范围内。有研究表明焊缝最大拉剪力与结合面宽度呈现正比关系，因此在其他表征相同的情况下，优先选择结合面宽度大的参数。焊缝形貌对接头性能有着很大影响，而激光焊接工艺参数决定焊接接头的成形质量。本章研究了焊接速度、激光功率、离焦量及保护气流量对焊缝形貌和力学性能的影响，并对理想工艺参数条件下所获得的焊接接头的微观组织、显微硬度、拉伸断口形貌和气孔进行了分析。

焊缝的表面成形质量和横截面形貌可以直观反映焊接质量。在激光功率2500W、离焦量+4mm、保护气体流量25L/min条件下，研究焊接速度的变化对304不锈钢激光叠焊接头宏观形貌的影响。不同焊接速度条件下获得的304激光焊接接头形貌如图3.1所示。由图可知，在其他参数不变的条件下，随着焊接速度从0.9m/min增加到2.1m/min，焊缝正面颜色发生变化，由焦黄变为白亮。在激光焊接过程中，随着焊接速度的增加线能量降低，焊缝表面氧化程度不断减弱。焊接速度较小时，焊接线能量高，熔池能够达到更高的温度，焊缝高温停留时间增加，所需保护气体保护时间更长，故焊缝正面氧化变色现象严重。同时，根据横截面形貌可知，随着焊接速度的增加，焊缝宽度逐渐变窄，熔深变浅。焊缝的横截面形貌由Y型向T型逐渐过渡。当焊接速度为0.9m/min时，下板虽然没有被熔透，但下表面隆起明显。这是由于焊缝下侧无垫板，悬空不利于焊缝余热的向下传递，焊缝下侧母材热影响严重，发生塑性形变。图3.2和图3.3所示分别为焊接速度对熔深、熔宽的影响曲线和焊接速度对结合面宽度的影响曲线。由图可知，在其他参数条件不变的情况下，随着焊接速度的增加，接头的熔深、熔宽均显著降低，结合面宽度也呈降低趋势。焊接速度从0.9m/min增加到2.1m/min，熔宽由3.32mm减小至2.11mm，熔深由3.46mm减小至2.44mm，结合面宽度由0.96mm减小至0.67mm。由于随着焊接速度的增大，单位长度焊缝吸收的激光能量减少，母材的熔化量降低，熔池的尺寸逐渐减小，焊缝的熔深和熔宽呈下降趋势；同时，匙孔的体积随之缩小，焊缝束腰处宽度变窄，导致结合面宽度下降。

焊接速度对拉伸性能的影响

力学性能是评价接头质量的重要标准。为了检验接头的力学性能，对不同工艺参数条件下所获得的焊接接头进行了静拉伸性能测试。图3.4所示为当激光功率2500W、离焦量+4mm、保护气体流速25L/min时，不同焊接速度下焊接接头平均机械抗力。由图可知，随着焊接速度的增加，平均机械抗力呈下降趋势。当焊接速度由0.9m/min增加至2.1m/min时，平均机械抗力由716N/mm下降至479N/mm，随着速度的提高平均机械抗力下降显著，结合图3.3可知，平均机械抗力变化趋势和结合面宽度变化趋势基本一致。

根据板式换热器的使用要求，焊接熔深应控制在一定范围内，根据下板背面成形质量的要求，熔深控制在3mm左右最为合适，此时，下板表面氧化变色不显著，且焊接变形量小。焊接速度较小时，可以获得较大熔深的焊缝，其力学性能高，但同时带来较差的表面成形以及较大的焊接形变。反之，焊接速度较大时，获得焊缝熔深较浅，其力学性能低，但表面成形良好以及焊接形变较小。根据焊缝上表面成形情况、焊缝熔深及拉伸强度综合衡量，焊接速度控制在1.2-1.5m/min较为合理。