两种焊接工艺下304L奥氏体不锈钢力学性能的比较

莱氏体钢制具备优良的可焊性、冲压性和低温特性，在中核中主要用作内部结构金属材料。核电厂是以耐腐蚀制造而成的小型内部结构物。耐腐蚀是一种红极一时输出冲压方式。不过，较之不锈钢，莱氏体钢制具备较高的热膨胀系数和较高的电阻率，因而须要较高的热输出。热输出过大会引致接点孔隙轻微形变、粗大化等各种冲压缺陷，使得接点机械操控性恶化，近几年业界提出雷射冲压来化解热输出问题。本科学研究对宽度为6mm的304L莱氏体钢制板分别展开了雷射冲压和TIG冲压，并对其机械操控性展开了对比预测。较之TIG冲压接点，雷射冲压接点具备更好的剪切和压制操控性，但卷曲操控性则略差一些。

1 序言

钢制具备出众的抗腐蚀和机械操控性，广泛应用于家用电器、炊具、汽车、中核等多个领域。特别是莱氏体钢制具备出众的可焊性和冲压性，在900K左右的较低温下，也具备出众的力学气压，因而，可用于中核内部结构物的内部结构金属材料、覆化纤等。而核电工业小型内部结构物大多选用冲压制作，主要选用了SMAW、TIG等耐腐蚀工艺技术。耐腐蚀具备动力性，最大优点就是没有黏合金属材料宽度的限制。但由于冷却系统能量密度低，形成传导型焊透，焊透广度浅。因而，雷氏金属材料的冲压往往须要多焊道(Multi-pass)，进而引致对金属材料的热输出质变大。莱氏体钢制与普通不锈钢较之，热膨胀系数最高处1.5倍，电阻率pulchre1/3，是一种要求腹满输出冲压的金属材料。热输出速度慢时，沟槽可能会产生轻微的热形变和残余应力，形成了较宽的热影响区(HAZ)，进而引致沟槽的质量和气压降低。

为的是化解这些热输出的问题，近几年业内开始选用雷射冲压。雷射冲压采用投射物于狭窄覆盖范围的雷射束作为冷却系统。因而，冷却系统的能量密度非常高，利用话机(Keyhole)监督机制可以出现焊透。借助Rougemont监督机制出现焊透时，传热小，所以用相对较少的热输出量就能同时实现广度焊透。因而，尽管热影响覆盖范围有限，也可以获得高效率的全焊透区，并同时实现高速冲压，在生产效率方面也有优势。

Yan等人曾在304钢制上展开TIG冲压、雷射冲压和雷射-TIG混和冲压，并科学研究了沟槽的造影组织机构和剪切操控性。报导称，雷射冲压和雷射-TIG混和冲压时，沟槽整体表现出微小组织机构和较好的剪切操控性。除此之外，前人也曾对莱氏体钢制的耐腐蚀与雷射冲压开展过很多较为科学研究，并报导称在雷射冲压中整体表现出较好的机械操控性，但并未对其他剪切操控性展开细致科学研究。为的是评估沟槽的牢固性，依据ASME第一卷冲压和金属材料综合评价标准实施剪切、卷曲和压制测试。

本科学研究选用莱氏体钢制的代表钢种304L钢制，展开了雷射冲压和TIG冲压，并对沟槽的造影组织机构，以及卷曲和压制操控性展开了较为和预测。

2 测试方式

2.1测试金属材料

本科学研究中采用的金属材料是市面上的宽度6mm的304L钢制钢材。TIG塞雷县选用直径1.2mm的ER308，化学成分如表1所示。此处，L是指低碳，把碳含量限制在0.03%以下，进而防止冲压热量产生晶界腐蚀。雷射冲压试样的黏合面展开了铣削，以尽量减小金属材料之间的间隙;TIG冲压试样的黏合面有45°坡口，便于熔敷金属的渗透。

2.2冲压

冲压选用对接接点。雷射冲压选用最大功率16kW碟片雷射器(Trumpf TruDisk18002)，将试样固定在测试台上，然后移动雷射束展开。TIG冲压采用填充金属，与雷射冲压一样，将试样固定在测试台后移动电弧而展开。TIG冲压的剪切和卷曲试样分别按照ASME第一卷QW-462.1(a)和QW-462.3(a)制作。选用HYWEL-305A模型，为同时实现完全焊透，选用4焊道。表2显示了冲压的条件。

2.3机械操控性测试

沟槽的机械操控性通过硬度、剪切、卷曲和压制测试展开了评价。硬度选用造影维氏硬度计(MMT-X，崧泽)，沿着沟槽的宽度方向展开测定。压入载荷为0.2kg，压入时间为10s，测定时考虑到压痕的大小，在表面600μm以下展开测定。

剪切和卷曲测试试样分别按照ASME第一卷QW-462.1(a)和QW-462.3(a)制作。剪切测试以10mm/min的速率展开。卷曲试样对沟槽的正面和背面展开了180°卷曲。剪切和卷曲测试采用剪切测试机(UH-F100KNX，岛津)。

压制试样按照ASME第二卷Part A SA370的夏比V型缺口A制作。缺口在母材(BM)、熔合区(FZ)、HAZ中分别加工，压制测试在室温下展开。

3 结果与讨论

3.1沟槽的形状

雷射和TIG冲压选取了形成优质接点的条件。图1表示接点的外观和截面。雷射冲压在接点的正面和背面没有出现母材区域的变色，在截面中可观察到较大的宽深比的焊透。

由于雷射束的能量密度非常高，熔敷金属在蒸发的同时也因Rougemont监督机制出现了渗透。而TIG冲压在沟槽的正面及背面焊道约10mm以内的母材区域出现变色，可见出现了大量的传热。观察到TIG沟槽的截面是宽深比相对较大的半球形焊透。电弧的能量密度相对较高，据判断是传导监督机制而出现了焊透。

3.2沟槽的造影组织机构

图2(a)和图2(b)分别表示雷射和TIG冲压的接点。雷射冲压的接点可以确认热影响区很少出现。图2(c)表示雷射冲压的熔合区附近母材的造影组织机构，表明冲压过程中母材组织机构没有出现变化。而TIG冲压在熔合区附近的母材中出现了造影组织机构的变化。

图2(d)表示TIG冲压的熔合区附近母材的造影组织机构，与图2(c)较之，可以确定孔隙粗大化，这由于TIG冲压的热输出量高和导热所致。

304L钢制以铁素体-莱氏体模式凝固，初晶形成δ-铁素体。304L钢制在缓冷时出现δ→γ的相变，具备γ相组织机构，但急冷时，无法完全出现相变，引致δ相残留，进而具备γ+δ相组织机构。

图2(e)和图2(f)表示雷射和TIG冲压的熔合区造影组织机构，分别由γ-莱氏体和Skeletal及Lacyδ-铁素体组成。图2(f)出现了相对较多的δ-铁素体。通常来说，凝固时δ-铁素体的生成量随着冷却速率和Creq/Nieq升高而增加。TIG冲压的热输出量相对较高，冷却速率较慢，因而在图2(f)中，δ-铁素体的生成量被认为是因为填充金属材料(ERS308L)引致Creq/Nieq增加所致，两种冲压工艺技术的熔合区由于冷却速率快，整体表现出比母材更微小的孔隙。不过，图2(f)已经证实出现部分粗大化孔隙，这是由TIG冲压的多焊道造成的。

3.3沟槽的硬度分布

雷射和TIG两种冲压沟槽水平方向的硬度分布都观察到熔合区上显著的硬度变化。在雷射冲压的熔合区中，出现了250-300HV的硬度分布，高于母材的233HV。测试中采用的金属材料是低不锈钢金属材料，因而，碳引起的硬度变化被认为是微小的，而硬度上升是因为快速冷却速率引起的孔隙细化。母材和熔合区几乎没有出现硬度变化，这意味几乎没有出现热影响区。TG冲压的熔合区中，硬度分布覆盖范围为220-257HV。与母材的硬度值较之，硬化和软化同时出现。

在焊道作用下，多数热履历在熔合区内生成了局部软化区域。两种冲压工艺技术沟槽在垂直方向的硬度分布，均在表面附近呈现出相对高的硬度值。这是因为表面部位冷却相对较快。TIG冲压垂直方向与水平方向一样也出现软化区域。

3.4沟槽的剪切操控性

为测定沟槽的气压，展开了剪切测试。表3和图3表示剪切测试的结果和断口的形状。雷射冲压时沟槽的抗拉气压略高于母材，且断口位于母材。在图2(e)中，由于快速冷却而出现微小的熔合区孔隙，由此使得气压上升。延伸率略低于母材，这主要受到了熔合区内硬化组织机构的影响。TIG冲压沟槽的抗拉气压和延伸率均低于母材，并位于熔合区上。热影响区内粗大孔隙和熔合区内部分存在的粗大颗粒就是气压和延伸率下降的主要原因。熔合区粗大颗粒发挥了应力集中区的作用，进而出现裂纹。TIG冲压断口呈现出撕裂岭。扫描电镜观察TIG沟槽的断口，如图4所示，整体表现出具备微小韧窝的延性断口。

3.5沟槽的卷曲操控性

为评价沟槽的卷曲操控性，在沟槽的正面和背面展开了180°卷曲后，对卷曲部位表面有无裂纹出现展开了考察。图5显示了试样的卷曲部位。两个沟槽区都未出现ASME第一卷提及的、超过3.2mm的不连续部位。不过，雷射沟槽的正面和背面出现了1mm以下的裂纹。这是因为焊道较窄，由硬度较高的组织机构组成，因而出现较大的应力集中。

3.6沟槽的压制操控性

考虑到沟槽的宽度，制作了3.3mm的小尺寸试样，在室温下展开夏比V型缺口压制测试。根据试样缺口的加工方向，试样分别命名为BM、L-F(Laser-FZ)、L-H(Laser HAZ)、T-F(TIG-FZ)和T-H(TIG-HAZ)。

图6表示在室温压制测试的压制吸收功。可见压制吸收功分布因缺口加工位置而略有不同。在金属材料的机械操控性上，为的是提高评价精度，选用概率统计方式，压制吸收功代表统计变动值，而不是确定值。选用双参数和威布尔分布展开参数估计。

不同缺口加工位置的压制吸收功，以威布尔概率值表示。在概率值上，压制吸收功可以以直线表示，因而完全符合威布尔概率分布。表4表示威布尔分布中估计的形状参数和尺度参数，以及算术统计得出的标准偏差(Std)、平均值(Mean)和波动系数(COV)。雷射和TIG冲压的熔合区和热影响区的几何参数都低于BM的形状参数(40.9)，分散程度大于BM。值得一提的是，T-F和T-H的形状参数分别为16.9和22.7，分散程度轻微。

尺度参数表示63.2%的特征寿命。对于尺度参数，雷射冲压在L-F中出现高于BM的值，而在L-H中则显示较高的值。雷射冲压熔合区的压制吸收能提高，主要归因于快速冷却使得孔隙细化，加之凝固过程中生成的δ-铁素体引起晶界复杂化。

雷射冲压的热影响区在很窄的覆盖范围内生成，使得缺口贯穿相界加工而成。相界作为应力集中区，进而使得L-H具备较高的压制韧性。TIG冲压时，T-F和T-H都出现了低于BM的尺度参数。TIG冲压的熔合区具备比BM更微小的组织机构，但还包括由多层焊道产生的粗大孔隙。粗大孔隙发挥了应力集中作用，在T-F中整体表现低压制吸收功。TIG冲压热影响区压制吸收功降低归因于热输出速度慢引致孔隙粗大化。如果考虑压制吸收功，雷射冲压比TIG冲压更为有利。

为的是考察断口形貌，利用扫描电镜观察了压制断口。图7(a)表示在BM上加工缺口的试样的压制断口，在断裂部位的中心出现了包含韧窝的延性断口。图7(b)和(c)分别表示在雷射和TIG冲压的熔合区上引入缺口的试样的压制断裂部位。两个断口较之图7(a)更为微小，呈现出密集形状的韧窝，这是因为孔隙细化，具备了韧性相对较高的基体组织机构。图7(c)中，发现了相对偏深、密集度较高的区域，这是因为TIG冲压的熔合区内存在延性相对不足的粗大化组织机构。

图7(d)和(e)分别表示将缺口引入雷射和TIG冲压热影响区的试样断口。两种断口都在断裂部位的边缘出现了典型的剪切唇，并整体表现出具备细小韧窝的延性断口。与之相反，在断裂部位的中心，呈现出与BM相似的断口，延性较之边缘有相对下降的趋势。

4 结论

对雷射和TIG冲压304L钢制的沟槽的造影组织机构和机械操控性展开了评价和较为，得出如下结论：

1)雷射冲压因Rougemont监督机制出现焊透，TIG冲压因传导监督机制出现焊透。

2)雷射和TIG冲压的熔合区出现急冷组织机构，与TIG不同，雷射冲压几乎没有出现热影响区。

3)雷射和TIG冲压的熔合区硬度值高于母材。TIG冲压时，存在硬度低于母材的区域。

4)雷射冲压时沟槽的抗拉气压和延伸率与母材几乎相似，但TIG冲压时沟槽则低于母材。

5)卷曲测试时，雷射冲压的沟槽出现1mm以下的小裂纹。

6)对压制功的威布尔预测结果显示，BM出现最小的散布。雷射冲压的熔合区在特征寿命方面具备最佳值。

在卷曲测试中，雷射冲压的沟槽出现裂纹，但在ASME第一卷中提及的3.2mm的允许值以内。除了卷曲操控性以外，在剪切和压制操控性方面，雷射冲压均优于TIG冲压。