文章编号：1004-0609(2015)-01-0015-08
激光能量偏移对304/C-276异质焊缝元素分布和力学性能的影响
吴东江，董金飞，柴东升，马广义
(大连理工大学 精密与特种加工教育部重点实验室，大连 116024)
摘 要：采用脉冲激光实现304不锈钢与C-276合金异种材料的焊接成形，利用几何方法计算不同激光能量偏移量条件下C-276在焊缝中的熔化比例，借助电子探针对焊缝主要元素进行宏观分析，获得C-276熔化比例与焊缝Fe、Ni两大元素在焊缝处的分布关系，并检测不同激光能量偏移条件下焊缝的力学性能。结果表明：304/C-276各异质焊缝化学元素分布均匀，且过渡区较窄，激光能量偏移量对异质焊缝元素含量影响较为显著，随着激光能量偏移量的增加，焊缝中Ni、Mo和W元素逐渐增多，Fe元素逐渐减少，Cr元素变化不大；C-276熔化比例与焊缝中Fe和Ni元素分布满足杠杆原理；304/C-276各异质焊缝的抗拉极限强度均低于304和C-276母材的，当激光能量偏向C-276母材+0.2~ +0.3 mm时，焊缝抗拉极限强度达到最佳状态。
关键词：激光异质焊接；能量偏移；元素分布；抗拉强度
中图分类号：TG456.7 文献标志码：A
Effects of laser energy offset on element distribution and mechanical properties of 304/C-276 dissimilar weld
WU Dong-jiang, DONG Jin-fei, CHAI Dong-sheng, MA Guang-yi
(Key Laboratory for Precision and Non-traditional Machining Technology, Ministry of Education,
Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)
Abstract: The technology of welding 304 stainless steel to C-276 alloy with Nd:YAG pulsed laser was carried out. The fusion ratio of C-276 in the weld joint was achieved with geometric method under the condition of different laser energy offsets. Macroscopic analysis of the main elements distribution in the weld joint was deeply studied by electron probe. The relationship between C-276 confuse ratio and compositions of Fe and Ni in the weld joint was achieved. Then, tensile test was carried out to detect the mechanical properties of the weld joint. The results indicate that, under the condition of different laser energy offsets, the main elements in dissimilar weld joint distribute uniformly. Laser energy offsets affect the elements composition significantly. With the increase of the laser energy offsets, Ni, Mo and W elements increase gradually, Fe element gradually reduces and Cr element changes little. The relationship between C-276 confuse ratio and compositions of Fe and Ni meets the leverage principle. Under the condition of different laser energy offsets, the ultimate tensile strength of weld joint is lower than those of 304 and C-276 base metal. As the laser energy moves to C-276 for about +0.2-+0.30 mm, the ultimate tensile strength of weld joint reaches the best.
Key words: laser dissimilar welding; energy offset; element distribution; tensile strength
Hastelloy C-276(简称C-276)作为一种Ni-Cr-Mo耐腐蚀合金广泛应用于石油、化工、核能领域[1-2]，而304不锈钢(简称304)由于价格低廉、耐腐蚀性能优良，已在核能和海洋领域应用广泛[3]。在第3代核电站AP1000主泵制造过程中，需要对核主泵端盖(304材料)和屏蔽套(C-276材料)进行密封焊接，但目前采用美国引进的氩弧焊接工艺时，焊接过程不稳定，焊接接头组织粗大、残余应力及变形较大、抗核辐射能力较弱，难以满足使用要求，而激光焊接能够细化焊缝晶粒，减少焊缝脆性相，有利于提高焊缝性能，保证焊接质量[4-7]。
国内外研究表明：304属于Fe基奥氏体不锈钢，在焊接过程中容易产生碳化物颗粒及晶格缺陷，从而降低焊缝的力学性能[8]；C-276属于Ni基奥氏体超级合金，在焊接过程中焊缝元素偏析严重，导致焊缝中形成大量脆性相，从而影响焊缝耐腐蚀性能和力学性能[9-10]。两种材料化学成分的差异使得各元素在异质焊缝内部重新分布，而元素的分布对焊缝中元素偏析和二次相颗粒的生成影响显著，进而直接影响异质焊接接头质量[11-13]。目前，国内外学者针对铁基和镍基异种不锈钢异质焊接进行了相关研究，BANOVIC等[14]通过研究超级不锈钢和镍基合金异质焊接，发现焊缝中Fe元素过多，易导致Mo和Nb元素偏析严重，进而使得熔池凝固过程中容易形成热裂纹；LUNDIN[15]发现异质焊接中Ni元素增加会改变熔池中碳元素的溶解度，导致碳化物颗粒的稳定性下降，可有效抑制碳元素迁移，改善焊缝的焊接性能。因此，通过调整能量偏移改变异质焊缝各化学元素流动及分布特征，可改善异质焊缝焊接质量。LIN等[16]通过改变电子束能量偏移调整304L/690合金异质焊缝各化学元素组成比例，得到力学性能良好、腐蚀性能较为优异的异质焊缝；宋志华等[17]研究表明，通过调整光束偏移量可改变异质焊缝中金属间化合物分布状态，进而可优化焊缝焊接质量。但由于304/C-276异种合金焊接结构使用领域特殊，国内外直接针对304/C-276异种合金焊接试验研究还鲜见报道。因此，研究不同激光能量偏移条件下304/C-276异质焊缝元素分布规律及其对力学性能的影响，对明确304/C-276异种合金激光焊接过程和提高焊接质量具有指导意义。
在此，本文作者通过改变激光能量偏移量对304/C-276进行焊接实验，利用几何方法计算不同激光能量偏移条件下C-276在焊缝中的熔化比例，借助电子探针对焊缝主要元素进行宏观分析，建立C-276熔化比例和焊缝Fe、Ni元素分布的关系式，并检测不同激光能量偏移条件下焊缝的力学性能。
1 实验
实验所用材料为0.5 mm厚304不锈钢和C-276合金薄板，材料化学成分如表1所列。焊接方式为平板对焊，焊前用去离子水、无水乙醇清洗母材表面，并用砂纸打磨对接接口，选用99.99%氩气作为保护气体。通过正交实验获取激光焊接优化工艺参数：单脉冲能量1.5 J、脉冲频率40 Hz、脉宽6 ms、焊接速度150 mm/min。由于作用在工件表面激光光斑直径约为0.6 mm，因此，在异质焊接过程中，激光束在母材对接接头中心分别向304和C-276母材偏移0.1、0.2和0.3 mm，设定激光束偏向304为负(用-0.1、-0.2和-0.3 mm表示)，偏向C-276为正(用+0.1、+0.2和+0.3 mm表示)。
304/C-276异质焊缝中各母材混合的程度用C-276熔化面积占焊缝总面积比例(简称C-276熔化比例)表示。沿着焊缝纵向，两端各留4 mm对接接口，利用光学显微镜观察焊缝上表面形貌，并通过Imag Pro Plus软件测量C-276和304母材在焊缝中熔化面积，根据式(1)可得C-276熔化比例：
(1)
式中：DC-276代表C-276在焊缝中的熔化比例；A304和AC-276分别表示304和C-276母材在焊缝中熔化面积。
借助电子探针(EPMA)在板厚1/2处垂直于焊接方向分别对304母材、焊缝、C-276母材主要元素进行检测。通过拉伸实验分析各个焊缝的力学性能，并利用扫描电子显微镜(SEM)观察焊缝拉伸断口形貌，焊接接头拉伸试样几何尺寸按照国标GB/T 2651-2008设计，如图1所示。
表1 304和C-276母材的化学组成
Table 1 Chemical compositions of 304 and C-276 base metal
图1 焊接示意图及接头拉伸试样几何尺寸
Fig. 1 Welding schematic illustration and dimensions of weld tensile sample (Unit: mm)
2 结果与分析
2.1 焊缝C-276熔化比例和元素分布
2.1.1 C-276熔化比例变化规律
图2所示为304/C-276异质焊接接头照片。由图2可以看到激光焊接过程较为稳定。多次重复实验表明，当激光能量偏移-0.3 mm时，焊缝未形成良好的冶金结合，故仅研究激光能量偏移-0.2、-0.1、0、+0.1、+0.2和+0.3 mm时，焊缝中C-276熔化比例。图3(a)~(f)所示分别为不同激光能量偏移条件下异质焊缝上表面熔化区域形貌图(位置见图2方框所示)。图3(a)和(b)显示，当激光能量偏移-0.2和-0.1 mm时，作用于304表面的激光能量较多，异质焊缝熔化区C-276熔化比例较小，分别为32.5%和46.3%；随着激光能量偏移量的增加，作用于C-276表面激光能量逐渐增多，焊缝中C-276熔化比例逐渐增加，分别为57%、75.2%、83.3%和96%，如图3(c)~(f)所示。当激光能量偏移+0.3 mm时，C-276在焊缝中熔化比例达95%以上，但仍然可使焊缝上下表面实现良好的冶金结合，如图4所示。可见，C-276熔化比例并不随着激光能量偏移呈正比例变化。经过分析发现，激光能量对金属熔化量的影响与金属比热容和热传导系数有关，熔化相同体积的金属，比热容越大，所需要的激光能量越多，金属热传导系数越大，热量扩散越快，越不利于稳定熔池的形成。对于304/C-276异质焊缝，由于304的比热容和热传导系数较C-276的大， C-276侧激光能量更不容易散失，更有利于熔池的形成，相同的激光能量作用到304和C-276母材表面时，使得异质焊缝中C-276母材的熔化量大于304的。基于上述分析认为，304和C-276异质合金热物性参数的差异导致C-276熔化比例不随激光能量偏移量的增加呈正比例变化。
图2 304/C-276异质焊接接头照片
Fig. 2 Photo of 304/C-276 dissimilar weld joint
图3 不同激光能量偏移条件下异质焊缝上表面熔化区域形貌
Fig. 3 Top surface morphologies of 304/C-276 dissimilar weld at different laser energy offsets (Left 304, right C-276)
图4 304/C-276异质焊接接头横截面形貌
Fig. 4 Cross section morphology of 304/C-276 dissimilar weld joint
2.1.2 元素分布特征
根据图4所示焊缝横截面，沿着焊缝中心横向路径，得到不同激光能量偏移条件下各焊缝主要元素(Fe、Ni、Cr、Mo和W)宏观分布特征，如图5所示。各元素分布为明显阶梯状，可分为5个区域：304母材-过渡区-焊缝中心-过渡区-C-276母材，焊缝中心区元素均匀分布，元素过渡区很窄。当激光能量偏向304时，焊缝中Fe元素所占的比例较大，如图5(a)和(b)所示；随着激光能量偏向C-276，焊缝中Ni、Mo、W元素含量明显上升，但Cr元素基本没有变化，焊缝元素分布逐渐趋近于C-276母材，如图5(c)、(d)和(e)所示；当激光能量偏移+0.3 mm时，C-276熔化比例在95%以上，因此，在靠近C-276母材焊缝边缘各元素含量没有明显的过渡，如图5(f)所示。分析认为，焊缝中各元素分布主要是由焊缝内部熔池流动造成的，304/C-276异质焊缝在激光作用下迅速熔化为液态，但熔池中心温度高于熔池边界的，导致熔池中心表面张力和溶液密度较小，促使熔池内部形成玛尔戈尼对流及浮力效应，并且流动速度较大[18]，有利于异质材料在焊缝处均匀混合；而对于激光焊接，焊缝熔化凝固迅速，使得焊缝热影响区极小，导致在焊缝边界处形成明显固液界面，在熔池内部强对流作用机制下，焊缝固液界面处会产生很高的元素浓度差异，显著减小了焊缝元素过渡区。因此，不同激光能量偏移条件下，各异质焊缝内部主要化学元素均匀分布，并且元素过渡区很窄。
2.1.3 熔化比例与元素分布的关系
异质焊缝是由304和C-276两种材料熔化连接而成，而根据焊缝元素分布可直接对焊缝焊接质量进行分析，为直接通过C-276熔化比例评估焊缝焊接质量，需建立C-276熔化比例与焊缝元素分布的关系。分析发现，焊缝主要元素含量cele/weld与C-276熔化比例可根据杠杆原理用式(2)表示：
(2)
式中：cele/304、cele/C-276和cele/weld分别代表主要元素在304、C-276母材和焊缝中的质量分数。
通过C-276熔化比例，根据式(2)可以对异质焊缝处Fe和Ni元素含量进行计算(Fe在304和C-276母材中的含量分别为72.33%和5.82%(质量分数)，Ni在304和C-276母材中的含量分别为7.71%和56.73%)，并对计算值的准确性进行验证，将计算值分别与实际测量值比较，获得的计算值和测量值相对误差很小，如表2所列。因此，根据C-276熔化比例可直接确定出各异质焊缝化学元素含量，实现对焊缝焊接质量进行准确评估。
2.2 焊缝力学性能
2.2.1 拉伸实验
表3所列为不同激光能量偏移条件下异质焊缝屈服强度(σb)和抗拉极限强度(σs)。拉伸实验结果表明焊接接头均在焊缝处断裂，可以发现，随着激光能量偏向C-276，异质焊缝抗拉极限强度逐渐增大。304和C-276母材屈服强度分别为303和456 MPa，抗拉极限强度分别为927和864 MPa(3组拉伸结果的平均值)，可见C-276抗拉极限强度低于304的，因此，选用C-276母材作为标准来衡量各焊缝焊接效率[19](焊缝极限抗拉强度与母材极限抗拉强度之比)，焊缝焊接效率越高，其力学性能越好，各组焊接效率分别为72.1%、74.9%、81.9%、92.2%、97.1%和96.9%。可见，当激光能量偏移+0.2~+0.3 mm时，焊缝抗拉极限强度与C-276母材的相差不大，焊缝拉伸性能达到最佳状态。图6所示为不同激光能量偏移作用下304/C-276焊接接头和母材工程应力-应变曲线，可以发现，拉伸试样都呈现出均匀塑性变形过程，焊缝断口处并没有出现明显缩颈特征。
2.2.2 拉伸结果分析
图7所示为焊缝拉伸断面显微形貌特征，可以发现，焊缝断裂主要为塑性断裂，在断口表面存在细密等轴韧窝，周围分布着许多韧性撕裂棱，并未发现解理滑移断口特征以及裂纹气孔现象。随着激光能量偏移量的不同，断口形貌呈现一定的区别：激光能量偏向304和对中焊接处，焊缝断口韧窝不均匀，韧窝底部出现较大的析出相颗粒，局部呈现出显著深坑(见图7(a)、(b)和(c))；随着激光能量偏向C-276，断裂表面形态发生变化，呈现出均匀的等轴韧窝(见图7(d)、(e)和(f))。
图5 不同激光能量偏移条件下焊缝横截面主要元素宏观分布
Fig. 5 Macro distributions of main elements along weld cross-section at different laser energy offsets
表2 不同激光能量偏移条件下焊缝中Fe和Ni元素含量计算值与EPMA测量值
Table 2 Calculation and EPMA values of Fe and Ni elements in weld at different energy offsets
表3 激光能量偏移量对焊缝力学性能的影响
Table 3 Effect of laser energy offset on weld joint mechanical property
图6 304/C-276异质焊接接头工程应力-应变曲线
Fig. 6 Engineering stress-strain curves of 304/C-276 dissimilar weld joint
异质焊缝抗拉极限强度均低于304和C-276母材的，主要原因一方面是由于激光能量密度高，导致焊缝熔化凝固速度极快，增加了焊缝内部位错密度；同时，由于焊接热循环作用的存在，焊缝中存在许多第二相颗粒以及晶格缺陷，导致焊缝内部形成较大的应力集中，这种焊接缺陷为拉伸过程中焊缝裂纹萌生和扩展创造了条件[20-21]，弱化了焊缝焊接质量，因此，异质焊缝拉伸性能较304和C-276母材的低。当激光能量偏向304时，焊缝断口韧窝底部存在许多较大析出相颗粒，在拉应力作用下容易产生较大应力集中，促使焊缝内部形成裂纹源，进而使得焊缝的拉伸性能较偏向C-276时的拉伸性能低；另一方面，随着激光能量偏向C-276，C-276在焊缝中的熔化比例增大，焊缝中Ni、Mo和W元素含量明显高于激光能量偏向304时的，由于Mo和W元素原子半径大于基体Fe和Ni元素的原子半径，导致γ相产生晶格畸变[22]，从而增加对位错运动的阻力，使得焊缝拉伸性能升高。因此，当激光能量偏向C-276时，焊缝拉伸性能较好。
图7 不同激光能量偏移条件下304/C-276焊接接头断口微观结构
Fig. 7 SEM fractographs microstructures of 304/C-276 dissimilar weld joint at different laser energy offsets
3 结论
1) 脉冲激光焊接304/C-276各异质焊缝化学元素分布较为均匀，且元素过渡区很窄，激光能量偏移通过改变各母材熔化比例，影响焊缝化学元素含量。随着激光能量偏向C-276，焊缝中Ni、Mo和W元素逐渐增多，Fe元素逐渐减少，但Cr元素在焊缝中的变化不明显。
2) 通过几何方法可以测量出不同激光能量偏移条件下异质焊缝C-276熔化比例，分析发现，C-276熔化比例和主要元素分布之间满足杠杆原理。根据C-276熔化比例可直接计算焊缝主要元素含量，且计算值和测量值相对误差很小。
3) 304/C-276异质焊接接头抗拉强度较304和C-276母材的均有所下降，焊缝断裂方式为塑性断裂，断裂表面存在许多细密等轴韧窝。激光能量偏向304时，抗拉强度较低，焊缝断口局部存在显著深坑；随着激光能量偏向C-276，焊缝抗拉强度逐渐增加，当激光能量偏向C-276母材+0.2~+0.3 mm时，焊缝抗拉强度达到最佳状态，断裂表面呈现出较为均匀的等轴韧窝。
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(编辑 龙怀中)
基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目(2015CB057305)；国家自然科学基金资助项目(51175061)；中国博士后科学基金资助项目(2014M551072)
收稿日期：2014-05-25；修订日期：2014-08-29
通信作者：吴东江，教授，博士；电话：0411-84707625；E-mail：djwudut@dlut.edu.cn
