奥氏体不锈钢激光焊接头组织和性能研究【字数：11338】
本文研究了不同的激光功率对2mm厚的奥氏体不锈钢对接接头组织和性能的影响。研究表明，接头的宏观形貌受激光功率影响，高功率会产生大的飞溅，焊缝末端有塌陷，5.8KW时焊缝平整、均匀以及致密，焊缝表面形貌最好。不同功率影响焊缝的熔深和熔宽，随着激光功率的增加会使得熔宽有一定的增大，熔宽对功率变化的敏感程度远远低于熔深对功率变化的敏感程度；熔合区附近母材侧呈现出垂直熔合线的细小柱状晶，焊缝中心为等轴晶，随着激光功率不断增大，枝晶区域增大且变长，焊缝中心等轴晶区域减小，晶粒粗化。焊缝的显微硬度随激光功率增加而先增后减，但高于母材平均的显微硬度。焊接接头的抗拉强度随着激光功率的增加先增大后减小，激光功率为5.8KW时，焊接接头的抗拉强度最高，为857.94MPa。
目录
1.绪论1
1.1课题来源及研究意义1
1.2奥氏体不锈钢特性1
1.3国内外相关技术研究现状2
1.3.1钨极氩弧焊2
1.3.2搅拌摩擦焊（FSW）2
1.3.3奥氏体不锈钢激光焊接技术研究现状3
1.4本文的研究内容和方法3
2.激光焊接实验材料、设备及方法5
2.1实验材料5
2.2实验设备5
2.3实验方法6
2.3.1激光焊接6
2.3.2金相制备6
2.3.3显微硬度测试8
2.3.4拉伸性能测试9
3.激光功率对奥氏体不锈钢焊接接头形貌组织的影响10
3.1激光功率对焊接接头表面形貌的影响10
3.2激光功率对焊缝熔宽及熔深的影响11
3.3焊接接头微观显微组织分析13
4.焊接接头质量和性能分析16
4.1接头硬度分析16
4.2接头拉伸强度分析17
5.结论21
参考文献22
致谢23
1.绪论
1.1课题来源及研究意义
本课题来源企业生产、经济、管理、社会发展等实际问题。奥氏体不锈钢因有优良的抗高温氧化性、高温热强性和良好的耐腐蚀性能，在压力容器、机械设备、石油化工设备等领 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
域得到很广泛的应用。奥氏体不锈钢的焊接质量备受关注，其工作寿命、承载力等需要更多研究。面对如上问题，本文对304奥氏体不锈钢激光焊接头组织和性能实验分析，研究激光功率对接头组织和性能的影响，有利于提高奥氏体不锈钢板的焊接性能，优化产品的质量。
1.2奥氏体不锈钢特性
奥氏体不锈钢应用广泛，表面有致密的氧化膜，所以耐腐蚀，其常温下是奥氏体组织。304不锈钢没有磁性，但其韧性和塑性比较高。通常通过冷加工的方式来提高奥氏体不锈钢的强度[1]。奥氏体不锈钢伸长率和断面收缩率比碳钢较大，其无磁性如果相变产生马氏体就会变成有磁性，进而热处理作用又会使其重新有磁性，热处理可以改变其少量的基体组织存在铁素体或者碳化物。
本实验的奥氏体不锈钢的价格比较高，金含量比较高，通过加入铜、硅等合金元素提高力学性能，但是因其与其他钢相比具有良好的综合性能，所以总体来说是降低了生产成本。
相比于碳钢，奥氏体不锈钢具有以下特点[2]：
电阻率远高于碳钢；
(2) 表面状态、抗晶间腐蚀性能良好，本次实验材料里铬元素含量较高，其化学稳定性强，形成钝化膜使不锈钢与空气隔绝，提高耐腐蚀性能；
(3) 导热系数比碳钢低；
(4) 塑性成形能力好。
奥氏体不锈钢在实际生产应用中也会有些问题：
传统电弧焊会使焊缝区晶粒粗大，降低接头性能；
(2) 焊接中会产生局部内应力，影响焊接接头质量；
(3) 焊接时液体金属表面张力和润湿性差，造成气孔、咬边等缺陷；
(4) 易产生飞溅。
1.3国内外相关技术研究现状
目前为止，对奥氏体不锈钢焊接方法的研究多集中于钨极氩弧焊、搅拌摩擦焊接以及激光焊。
1.3.1钨极氩弧焊
国内外钨极氩弧焊应用都比较广泛，工业生产焊接中占有很重要比列。焊接时惰性气体从焊枪喷出，在电弧周围进行隔绝空气，防止对焊缝热影响区造成不利影响。惰性气体用氩气保护称钨极氩弧焊，因为氦气价格贵，所以钨极氩弧焊应用比较多。由于惰性气体气流可以冷却熔池金属，提高其表面张力，焊缝熔合良好且美观[3]。
奥氏体不锈钢采用钨极氩弧焊焊接，保护气体纯Ar不与熔池金属反应，避免产生其他类型的缺陷，而且其密度大不飘散，保护效果好。关长江[4]等人通过钨极氩弧焊对304不锈钢薄板进行焊接，结果其焊缝晶粒粗大有缺陷。Ahmet [5]在保护气体中加入氢气，并研究了氢含量对316不锈钢钨极氩弧焊接头性能的影响，研究发现氢气含量越高组织越细化。朱学军[6]等人研究利用钨极氩弧焊在高速且不填丝的情况下对奥氏体不锈钢板焊接的影响，实验中速度为3~10 m/min。研究表明，焊接速度最高可以达到8 m/min。对试板进行了组织和性能分析，分析得到焊缝中的组织为奥氏体和铁素体组织，而且组织细小、均与致密，缺陷较少，焊缝中小孔数量大幅度减少，伸长率略有下降。
1.3.2搅拌摩擦焊（FSW）
国外最早提出搅拌摩擦焊的专利焊接技术[7]。搅拌摩擦焊利用焊头在工件表面高速旋转，摩擦生热，熔化金属，然后金属在凝固，从而使工件连接在一起。如图1.1所示。
////
图1.1搅拌摩擦焊原理示意图
搅拌摩擦焊焊接的优点：
（1）可以焊接多种位置：平焊、俯焊等；
（2）满足各种接头形式：角接、对接、搭接；
（3）异种金属的焊接；
（4）焊接造成的环境污染小，噪声低、无飞溅和烟尘。
目前，国内外搅拌摩擦焊应用于不锈钢还处于起步阶段，焊接板材的厚度受到限制，因为搅拌头和工艺的要求高。日本研究小组成功对1.5mm厚不锈钢进行焊接且焊缝完好[8]。随着研究的不断深入，搅拌摩擦焊会更多应用于奥氏体不锈钢的焊接，突破板材厚度的瓶颈。
目录
1.绪论1
1.1课题来源及研究意义1
1.2奥氏体不锈钢特性1
1.3国内外相关技术研究现状2
1.3.1钨极氩弧焊2
1.3.2搅拌摩擦焊（FSW）2
1.3.3奥氏体不锈钢激光焊接技术研究现状3
1.4本文的研究内容和方法3
2.激光焊接实验材料、设备及方法5
2.1实验材料5
2.2实验设备5
2.3实验方法6
2.3.1激光焊接6
2.3.2金相制备6
2.3.3显微硬度测试8
2.3.4拉伸性能测试9
3.激光功率对奥氏体不锈钢焊接接头形貌组织的影响10
3.1激光功率对焊接接头表面形貌的影响10
3.2激光功率对焊缝熔宽及熔深的影响11
3.3焊接接头微观显微组织分析13
4.焊接接头质量和性能分析16
4.1接头硬度分析16
4.2接头拉伸强度分析17
5.结论21
参考文献22
致谢23
1.绪论
1.1课题来源及研究意义
本课题来源企业生产、经济、管理、社会发展等实际问题。奥氏体不锈钢因有优良的抗高温氧化性、高温热强性和良好的耐腐蚀性能，在压力容器、机械设备、石油化工设备等领 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
域得到很广泛的应用。奥氏体不锈钢的焊接质量备受关注，其工作寿命、承载力等需要更多研究。面对如上问题，本文对304奥氏体不锈钢激光焊接头组织和性能实验分析，研究激光功率对接头组织和性能的影响，有利于提高奥氏体不锈钢板的焊接性能，优化产品的质量。
1.2奥氏体不锈钢特性
奥氏体不锈钢应用广泛，表面有致密的氧化膜，所以耐腐蚀，其常温下是奥氏体组织。304不锈钢没有磁性，但其韧性和塑性比较高。通常通过冷加工的方式来提高奥氏体不锈钢的强度[1]。奥氏体不锈钢伸长率和断面收缩率比碳钢较大，其无磁性如果相变产生马氏体就会变成有磁性，进而热处理作用又会使其重新有磁性，热处理可以改变其少量的基体组织存在铁素体或者碳化物。
本实验的奥氏体不锈钢的价格比较高，金含量比较高，通过加入铜、硅等合金元素提高力学性能，但是因其与其他钢相比具有良好的综合性能，所以总体来说是降低了生产成本。
相比于碳钢，奥氏体不锈钢具有以下特点[2]：
电阻率远高于碳钢；
(2) 表面状态、抗晶间腐蚀性能良好，本次实验材料里铬元素含量较高，其化学稳定性强，形成钝化膜使不锈钢与空气隔绝，提高耐腐蚀性能；
(3) 导热系数比碳钢低；
(4) 塑性成形能力好。
奥氏体不锈钢在实际生产应用中也会有些问题：
传统电弧焊会使焊缝区晶粒粗大，降低接头性能；
(2) 焊接中会产生局部内应力，影响焊接接头质量；
(3) 焊接时液体金属表面张力和润湿性差，造成气孔、咬边等缺陷；
(4) 易产生飞溅。
1.3国内外相关技术研究现状
目前为止，对奥氏体不锈钢焊接方法的研究多集中于钨极氩弧焊、搅拌摩擦焊接以及激光焊。
1.3.1钨极氩弧焊
国内外钨极氩弧焊应用都比较广泛，工业生产焊接中占有很重要比列。焊接时惰性气体从焊枪喷出，在电弧周围进行隔绝空气，防止对焊缝热影响区造成不利影响。惰性气体用氩气保护称钨极氩弧焊，因为氦气价格贵，所以钨极氩弧焊应用比较多。由于惰性气体气流可以冷却熔池金属，提高其表面张力，焊缝熔合良好且美观[3]。
奥氏体不锈钢采用钨极氩弧焊焊接，保护气体纯Ar不与熔池金属反应，避免产生其他类型的缺陷，而且其密度大不飘散，保护效果好。关长江[4]等人通过钨极氩弧焊对304不锈钢薄板进行焊接，结果其焊缝晶粒粗大有缺陷。Ahmet [5]在保护气体中加入氢气，并研究了氢含量对316不锈钢钨极氩弧焊接头性能的影响，研究发现氢气含量越高组织越细化。朱学军[6]等人研究利用钨极氩弧焊在高速且不填丝的情况下对奥氏体不锈钢板焊接的影响，实验中速度为3~10 m/min。研究表明，焊接速度最高可以达到8 m/min。对试板进行了组织和性能分析，分析得到焊缝中的组织为奥氏体和铁素体组织，而且组织细小、均与致密，缺陷较少，焊缝中小孔数量大幅度减少，伸长率略有下降。
1.3.2搅拌摩擦焊（FSW）
国外最早提出搅拌摩擦焊的专利焊接技术[7]。搅拌摩擦焊利用焊头在工件表面高速旋转，摩擦生热，熔化金属，然后金属在凝固，从而使工件连接在一起。如图1.1所示。
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图1.1搅拌摩擦焊原理示意图
搅拌摩擦焊焊接的优点：
（1）可以焊接多种位置：平焊、俯焊等；
（2）满足各种接头形式：角接、对接、搭接；
（3）异种金属的焊接；
（4）焊接造成的环境污染小，噪声低、无飞溅和烟尘。
目前，国内外搅拌摩擦焊应用于不锈钢还处于起步阶段，焊接板材的厚度受到限制，因为搅拌头和工艺的要求高。日本研究小组成功对1.5mm厚不锈钢进行焊接且焊缝完好[8]。随着研究的不断深入，搅拌摩擦焊会更多应用于奥氏体不锈钢的焊接，突破板材厚度的瓶颈。
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