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精 密 成 形 工 程 第 15 卷 第 9 期 74 JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING 2023 年 9 月 收稿日期：2023-03-24 Received：2023-03-24 基金项目：国家科技重大专项（2014ZX04001-151）Fund：Major National Science and Technology Project(2014ZX04001-151)引文格式：吕光宙,马泽铭,许爱军,等.304 不锈钢激光焊接接头组织性能及断裂机理研究J.精密成形工程,2023,15(9):74-82.LYU Guang-zhou,MA Ze-ming,XU Ai-jun,et al.Microstructure,Properties and Fracture Mechanism of 304 Stainless Steel Welding Joint by LaserJ.Journal of Netshape Forming Engineering,2023,15(9):74-82.304 不锈钢激光焊接接头组织性能及断裂机理研究 吕光宙1，马泽铭1*，许爱军2，郭文俊1，代国宝2，郭伟夺2（1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111；2.北京卫星制造厂有限公司，北京 100094）摘要：目的目的 研究工艺参数对接头微观组织及力学性能的影响规律，观察断口形貌并揭示断裂机理。方法方法 基于生产实际，采用激光焊接技术对 304 不锈钢进行平板对接试验，利用金相显微镜、扫描电镜和背散射电子衍射等手段观察不同焊接参数下的接头微观组织，利用拉伸试验机及显微硬度仪测试其力学性能；通过疲劳试验机测试不同应力下的疲劳寿命，并绘制相应的 S-N 曲线；使用扫描电镜观察并分析疲劳断口的形貌特征。结果结果 焊缝中心由等轴状奥氏体和针状铁素体组成，熔合区以柱状晶的形式向焊缝中心生长。激光功率及焊接速度越大，柱状晶的尺寸越小。当激光焊接功率为 1 390 W、焊接速度为 13 mm/s、离焦量为10 mm 时，304 不锈钢激光焊接接头的力学性能最好，此时的抗拉强度为 785.9 MPa、伸长率为 75.6%，拉伸断口呈典型的韧性断裂特征。在高应力水平（350 MPa 和 500 MPa）下，疲劳断口由裂纹萌生区、裂纹扩展区和瞬时断裂区组成，焊缝具有优良的抗疲劳性能。结论结论 焊接速度越快、焊接功率越小、离焦量为负，得到的焊接接头硬度越高，由于细晶强化及加工硬化的双重作用，接头达到了最佳力学性能。关键词：304 不锈钢；力学性能；激光焊接；断裂机理；微观组织 DOI：10.3969/j.issn.1674-6457.2023.09.009 中图分类号：TG456.7 文献标识码：A 文章编号：1674-6457(2023)09-0074-09 Microstructure,Properties and Fracture Mechanism of 304 Stainless Steel Welding Joint by Laser LYU Guang-zhou1,MA Ze-ming1*,XU Ai-jun2,GUO Wen-jun1,DAI Guo-bao2,GUO Wei-duo2 (1.CRRC Qingdao Sifang Co.,Ltd.,Shandong Qingdao 266111,China;2.Beijing Spacecrafts Co.,Ltd.,Beijing 100094,China)ABSTRACT:The work aims to study the effect of process parameters on the microstructure and mechanical properties of the joint and reveal the fracture mechanism by observing the fracture morphology.The plate butt test was carried out to 304 stainless steel by laser welding technology based on the actual production.The microstructure of the joint under different weld-ing parameters was characterized by metallurgical microscope and scanning electron microscope combined with electron back-scattered diffraction.The mechanical properties were measured by the testing machine and microhardness tester.The fatigue life under different stresses was tested by fatigue test.S-N curves of the three specimens were drawn,and the morphology charac-teristics of the fatigue fracture were observed and analyzed by SEM.The results indicated that the weld center was composed of 钢铁成形 第 15 卷 第 9 期 吕光宙，等：304 不锈钢激光焊接接头组织性能及断裂机理研究 75 equiaxed austenite and acicular ferrite,and the fusion zone grew towards the weld center in the form of columnar crystals.The size of columnar crystals decreased with the increase of laser power and welding speed.When the laser welding power was 1 390 W,the welding speed was 13 mm/s,and the defocusing amount was 10 mm,the mechanical properties of 304 stainless steel laser welding joint were the best.The tensile strength reached 785.9 MPa,the elongation was 75.6%and the tensile fracture was typical ductile fracture.The fatigue fracture of the joint which had excellent fatigue resistance was composed of crack ini-tiation zone,crack propagation zone and instantaneous fracture zone under high stress level(350 MPa and 500 MPa).The hard-ness of welding joint is higher under the condition of high welding speed,low welding power and negative defocus.Due to the dual effects of fine grain strengthening and work hardening,the best mechanical properties are achieved.KEY WORDS:304 stainless steel;mechanical properties;laser welding;fracture mechanism;microstructure 304 不锈钢因具备优良的耐腐蚀性、耐高温性1-3以及良好的可加工性和综合力学性能，被广泛应用于城轨交通、航空航天、核电化工及食品医疗等行业。不锈钢本身的热传导率低、线膨胀系数大4，在焊接过程中容易产生较大的焊接变形，因此，必须选择热输入低的焊接方法。激光焊作为一种新型焊接手段5，具有能量密度集中、焊接速度快、热影响区小、焊缝强度高等优点，能够较好地抑制焊缝变形等问题，是针对 304 不锈钢最优的焊接手段。针对 304 不锈钢的激光焊接，国内外学者进行了大量研究，主要集中于模拟计算及有限元分析6-9、薄板焊接工艺研究10-13、复合焊接14-15等，本文对 2 mm厚的 304 不锈钢进行激光焊接，结合目前实际生产内容选择工艺参数，深入分析焊接速度、激光功率、离焦量对焊缝熔宽的影响，通过光学显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）、背散射电子衍射仪（EBSD）对接头微观组织进行观察，利用显微硬度仪和万能试验机对接头的力学性能进行测试，最后利用疲劳试验机测试接头的疲劳极限，综合分析以得出最优工艺参数，基于此，通过观察断口形貌对其断裂机理进行揭示，得到接头最薄弱环节，为获得高质量的不锈钢焊接接头提供理论依据。1 试验 本文所用材料为厚度 2 mm 的 304 不锈钢，各试样编号及焊接工艺参数如表 1 所示。利用 MR5000 型倒置金相显微镜及 Phenom XL 表 1 激光焊接工艺参数 Tab.1 Laser welding process parameters Specimen number Plate thickness/mm Welding power P/W Welding speed v/(mms1)Defocusamount D/mm a 2 1 530 20+10 b 2 1 390 13 10 c 2 1 530 13 10 d 2 1 670 30+10 e 2 1 530 14+10 型扫描电子显微镜对接头微观组织进行观察，基于此，利用 EBSD 在加速电压为 20 kV 条件下分析不同区域晶粒取向和晶粒内部取向差。利用万能试验机测试试样的拉伸力学性能（拉伸速率为 2 mm/min），拉伸试样的尺寸及形状如图 1 所示。采用维氏显微硬度仪沿焊接接头宽度方向间隔0.2 mm 进行硬度测试。采用升降法利用 Instron 8872电液伺服高频疲劳试验机测量接头的疲劳极限，加载频率为 100 Hz，循环特征参数为 0.1。利用 SEM 对断裂后的断口形貌进行观察，从而揭示其断裂机理。图 1 拉伸试样尺寸 Fig.1 Size of the tensile specimen 2 结果与分析 2.1 宏观形貌 利用金相显微镜观察不同工艺参数下激光焊接接头的宏观形貌，结果如图 2 所示。可知，试样 a、试样 d、试样 e 均出现了未焊透缺陷，而试样 b 和试样 c均呈现焊透的状态。通过分析其工艺参数可知，试样a、试样 d 的焊接速度较快（20 mm/s），焊接过程中的热输入不足，导致出现未焊透缺陷。对比试样 c、试样 e 可知，两者的焊接功率相同，焊接速度基本无差别，只是离焦量数值的正负不同，离焦量与激光光斑有关，数值一样，说明激光光斑的大小一致，激光密度相同。但从形貌来看，试样 c 已焊透，试样 e 未焊透，这是由于试样 c 为负离焦量，说明激光的焦点位于材料内部，焊接过程中的热输入会更大，而试样e 为正离焦量，激光焦点位于试样上方，热输入较小，从而导致试样 e 未焊透。图 2a和图 2e 的熔宽分别为 2.91 mm和 2.48 mm，说明熔宽大小与焊接速度成反比，这是由于随着焊接 76 精 密 成 形 工 程 2023 年 9 月 图 2 焊接接头宏观形貌 Fig.2 Macro morphology of welding joints:a)specimen a;b)specimen b;c)specimen c;d)specimen d;e)specimen e 速度的加快，焊接线能量减小，单位时间单位面积上的能量减小，熔宽减小。图 2b 和图 2c 的熔宽分别为2.91 mm 和 3.29 mm，说明熔宽大小与焊接功率成正比16，随着焊接功率的增大，焊接热输入增大，导致熔宽增大。图 2c 和图 2e 的熔宽分别为 3.29 mm 和2.91 mm，忽略两者之间焊接速度的差别（1 mm/s），可知，与正离焦量相比，在相同数值的负离焦量下，焊缝的熔宽更大。2.2 微观组织 母材和各试样焊接接头的微观组织如图 3 所示。选取的部位为焊缝边缘区域，包括熔合区（FZ）、柱状树枝晶区（CDZ）、热影响区（HAZ）。可知，304不锈钢母材晶粒为奥氏体晶粒，焊缝边缘区域为柱状晶组织，在不同焊接工艺参数下，柱状晶的宽度变化明显。对比图 3b 和图 3f 可知，当离焦量和焊接功率相同时，焊接速度越快，柱状晶平均宽度越小。对比 图 3c 和图 3d 可知，当离焦量和焊接速度相同时，焊接功率越大，柱状晶的平均宽度越小。对比图 3d 和图 3f，由于 2 个试样的焊接速度差别不大，因此认定2 个试样的焊接速度相同，由此可得与正离焦量相比，在相同数值的负离焦量下，焊缝边缘处的柱状晶平均宽度更大。由图 3 同样可以发现焊缝边缘的柱状晶是沿着垂直于焊缝熔合线的方向向着焊缝中心生长，同时在焊缝边缘发现了黑色的针状铁素体，它也以柱状晶的形态向焊缝中心生长。焊缝边缘为柱状晶组织17-18，其形成是因为在熔池结晶时，晶核依附在熔合线周围半熔化的母材晶粒表面上，当最优结晶取向与最快散热方向（即最大温度梯度方向）一致时，晶粒优先垂直于熔合线向焊缝中心生长，形成柱状晶。放大焊缝中心微观组织，如图 4 所示，结合表 1试样参数可知，随着焊接功率的增大，结晶形态由平面晶趋向于等轴晶；随着焊接速度的增大，结晶形态同 图 3 母材和焊缝边缘的微观组织 Fig.3 Microstructure of base metal and weld edge:a)specimen a;b)specimen b;c)specimen c;d)specimen d;e)specimen e 第 15 卷 第 9 期 吕光宙，等：304 不锈钢激光焊接接头组织性能及断裂机理研究 77 图 4 焊缝中心微观组织 Fig.4 Microstructure of the weld center:a)specimen a;b)specimen b;c)specimen c;d)specimen d;e)specimen e 样由平面晶转为胞状晶、树状晶，直至等轴晶。这是温度梯度和结晶速度对焊缝结晶形态共同作用的结果。当焊接功率增大时，液相的温度梯度 G 减小，导致 G/R（结晶速度）的值减小；当焊接速度增大时，结晶速度 R 增大19，导致 G/R 的值减小。随着 G/R值的减小，成分过冷度增大，结晶形态由平面晶逐渐向等轴晶转变，同时焊缝中心形成的等轴晶会进一步阻止焊缝边缘柱状晶向焊缝中心继续生长。试样 b 的焊接功率及焊接速度都最小，所以其焊缝中心区域形成的等轴晶最少，柱状晶向焊缝中心的生长不受限制，因此，试样 b 的焊缝热影响区部分柱状晶数量最多，尺寸最大。当激光功率为 1 390 W、焊接速度为 13 mm/s、离焦量为10 mm 时，接头横截面焊缝、熔合区、热影响区和母材的 EBSD 反极图如图 5 所示。可知，焊缝组织沿着焊缝中心线呈对称分布，焊缝中心线上分布着少量的细晶组织，焊缝区粗大晶粒尺寸高达600800 m。图 5 焊接接头横截面不同区域组织 EBSD 反极图 Fig.5 EBSD inverse pole figure of different areas of the welding joint cross section:a)welding seam;b)fusion zone;c)heat affected zone;d)parent metal 78 精 密 成 形 工 程 2023 年 9 月 2.3 力学性能 为研究不同工艺参数对焊缝硬度的影响，测试各试样焊缝接头宽度方向的显微硬度，结果如图 6 所示。可知，由母材至焊缝区域，显微硬度逐渐增大，焊缝显微硬度大于母材的显微硬度，焊缝中心位置显微硬度最大约为 225HV。由霍尔佩奇关系可知，晶粒越细小，硬度越大，但该接头焊缝的硬度却大于母材硬度，这是由于母材中存在大量的位错和一定量的孪晶，意味着加工硬化机制占主导作用，霍尔佩奇机制对硬度的影响较小。对比试样 a 和试样 e 可知，当焊接功率和离焦量相同且适合时，焊接速度越快，冷却速度越大，所得焊接接头的显微硬度越大。对比试样 b 和试样 c 可知，当焊接速度和离焦量相同且适合时，焊接功率越大，焊缝中心的显微硬度越小。对比试样 c 和试样 e 可知，当焊接功率和焊接速度相同且适合时，与离焦量为正的焊接接头相比，离焦量为负的焊接接头的显微硬度更大20-21。综合可得，焊接速度越快、焊接功率越小、离焦量为负，得到的焊接接头硬度越大。通过拉伸试验所得的工程应力-应变曲线如图 7 所示，计算所得的抗拉强度及伸长率如图 8 所示。可知，试样 b（焊接功率为 1 390 W、焊接速度为 13 mm/s、离焦量为10 mm）的力学性能最优，其拉伸强度达到785.9 MPa，伸长率为 75.6%。焊接速度、激光功率和离焦量是影响焊缝的重要因素，由于试样 a、试样 d、试样 e 的热输入较低导致未焊透，其力学性能较差。通过对比试样 b 和试样 c 的微观组织可知，试样 c 的焊接功率较大，导致热输入较大进而引起晶粒粗化，焊缝承载能力降低。对各试样拉伸断口的微观组织进行观察，结果如图 9 所示。各试样的断口表面均存在大量圆形韧窝，可以判断各试样的断裂方式均为韧性断裂。与其他试样相比，试样 b 断裂表面的韧窝大小不均匀，部分韧窝深度较大，呈长条状或不规则圆形，说明该处位置除韧性断裂外，还存在塑性变形，且在大韧窝周围还存在成群分布的小韧窝，说明在加载拉伸载荷时，试样断面处发生剪切断裂。结合各试样抗拉强度数值可知，试样 b 承受的载荷比其他试样的大，且发生断裂的时间较晚，说明之前产生了较大的塑性变形，因此，可以推断在试样 b 的焊接参数下，得到的焊接接头力学性能相对最优。拉伸性能最优接头（试样 b）的应力-寿命统计结果如图 10 所示。可知，该焊缝的疲劳强度为 265 MPa，图 6 不同工艺参数接头硬度对比图 Fig.6 Comparison of joint hardness under different process parameters:a)welding speed;b)welding power;c)defocus amount 图 7 不同工艺参数下工程应力-应变曲线 Fig.7 Engineering stress-strain curve under different process parameters 图 8 不同工艺参数接头力学性能 Fig.8 Mechanical properties of the joints under different process parameters 第 15 卷 第 9 期 吕光宙，等：304 不锈钢激光焊接接头组织性能及断裂机理研究 79 图 9 拉伸试样断口形貌 Fig.9 Fracture morphology of tensile specimen:a)specimen a;b)specimen b;c)specimen c;d)specimen d;e)specimen e 图 10 接头应力-寿命图 Fig.10 Stress-life diagram of the joint 结合拉伸试验结果可知，试样 b 的疲劳强度比屈服强度高，这是由于该试样的塑性变形能力较好，可以承受较大的塑性应变，在疲劳极限的载荷下，塑性应变较小，焊缝接头不会发生断裂22-23，这也说明在试样 b 的工艺参数下得到的激光焊接接头具有良好的使用寿命。焊缝中心处硬度较大，热影响区部位硬度较小，疲劳裂纹容易在应力集中位置产生，因此，焊缝热影响区容易萌生裂纹，最终扩展到焊缝中心位置，使焊缝发生断裂。疲劳载荷为 350 MPa 时的疲劳断口形貌如图 11所示。可知，断口形貌主要分为 3 个部分：裂纹源区、裂纹扩展区及瞬断区，其断裂过程如下：首先裂纹起裂于试样表面的疲劳裂纹源，在外加载荷的作用下，裂纹呈现“河流花样”向四周扩展，形成疲劳裂纹扩展区，此区域较为光滑，当最终外加应力达到材料的疲劳极限时，试样发生瞬间断裂，在断口上形成瞬断区。图 11c 中存在一条明显的分界线，左侧为疲劳裂纹源和疲劳裂纹扩展区，右侧为疲劳瞬时断裂区（快速断裂区）。图 11d 是图 11a 中的 D 区放大图，图 11e是图 11d 中 E 区放大图，观察图 11d 和图 11e，可清晰地看到疲劳裂纹扩展区中有典型的疲劳辉纹，说明在该应力水平下，焊缝区发生了明显的塑性变形。在图 11e 中出现了多个二次裂纹，图 11f 为图 11c 中 F区的放大图，图 11f 中存在大量细小的韧窝结构，为典型的瞬时断裂区形貌。疲劳载荷为 500 MPa 下的疲劳断口形貌如图 12所示。与图 11 类似，在载荷作用下，疲劳断口中同样存在明显的疲劳裂纹萌生和疲劳裂纹扩展现象以及瞬时断裂区24-25。图 12 接头疲劳断口中的疲劳裂纹萌生和疲劳裂纹扩展区的面积远远小于图 11 中的，而瞬时断裂区的面积明显大于后者。这是由于在较高载荷 500 MPa 作用下，接头只经历了几千周次的循环加载便发生了失效，裂纹来不及扩展便发生断裂。与图 11e 相比，图 12e 中的疲劳辉纹宽度明显更大，这是由于在 500 MPa 下，焊缝所承受的循环塑性应变更大，500 MPa 时接头所承受的疲劳损伤更为严重。80 精 密 成 形 工 程 2023 年 9 月 图 11 疲劳断口形貌（350 MPa）Fig.11 Fatigue fracture morphology(350 MPa)图 12 疲劳断口形貌（500 MPa）Fig.12 Fatigue fracture morphology(500 MPa)3 结论 1）304 不锈钢激光焊接接头的熔宽大小与焊接速度成反比、与焊接功率成正比，相同数值的负离焦量比正离焦量所得的焊接接头熔宽更大。2）304 不锈钢激光焊接接头的微观组织由焊缝区、熔合区和热影响区组成。焊缝中心由等轴状奥氏体和针状铁素体组成，熔合区以柱状晶的形式向焊缝中心生长。激光功率及焊接速度越大，柱状晶的尺寸越小，热影响区晶粒没有发生明显长大。3）当焊接工艺参数为激光焊接功率 1 390 W、焊接速度 13 mm/s，离焦量10 mm 时，304 不锈钢激光焊接头拉伸性能最好，此时的抗拉强度为 785.9 MPa、伸长率为 75.6%，拉伸断口呈典型的韧性断裂特征。4）焊接速度越快、焊接功率越小、离焦量为负，得到的焊接接头硬度越大。5）在高应力水平（350 MPa 和 500 MPa）下，疲劳断口由裂纹萌生区、裂纹扩展区和瞬时断裂区组成。疲劳裂纹扩展区存在明显的疲劳辉纹，瞬时断裂区分布有大量韧窝，焊缝具有优良的抗疲劳性能。参考文献：1 李正文,高向东,李秀忠.激光焊接不锈钢技术J.焊接,2016,11:61-66.LI Zheng-wen,GAO Xiang-dong,LI Xiu-zhong.Laser 第 15 卷 第 9 期 吕光宙，等：304 不锈钢激光焊接接头组织性能及断裂机理研究 81 Welding of Stainless SteelJ.Welding&Joining,2016,11:61-66.2 KURYNTSEV S V,GILMUTDINOV A K H.Welding of Stainless Steel Using Defocused Laser BeamJ.Journal of Constructional Steel Research,2015,114:305-313.3 王文军,龚五堂.304 不锈钢激光焊接工艺及微观组织研究J.应用激光,2018,38(2):245-249.WANG Wen-jun,GONG Wu-tang.Study on Laser Welding Process and Microstructure of 304 Stainless SteelJ.Applied Laser,2018,38(2):245-249.4 赵才宇.441 不锈钢焊接接头组织及力学性能研究D.长春:吉林大学,2022:45-50.ZHAO Cai-yu.Study on Microstructure and Mechanical Properties of 441 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