采用现场观察技术，研究了焊接条件对310S型不锈钢在激光焊接过程中凝固开裂敏感性的影响
采用现场观察技术，研究了焊接条件对310S型不锈钢在激光焊接过程中凝固开裂敏感性的影响
Kota Kadoi & Akira Fujinaga & Motomichi Yamamoto & Kenji Shinozaki
Received: 3 October 2012 /Accepted: 13 January 2013 / Published online: 14 March 2013
摘要：高的焊接速度时易发生凝固开裂，因此应该更容易发生在激光焊接。凝固行为和热应变都取决于焊接速度，因此，临界应变对于凝固开裂，必须测量，以澄清影响凝固开裂敏感性的因素。然而，在hig下凝固开裂所需的临界应变 焊接速度条件尚未确定。研究了焊接速度对310S型不锈钢凝固开裂敏感性的影响。采用一种先进的高速相机原位观察技术，对U型热裂纹进行了试验，并对凝固裂纹的临界应变进行了定量评价。随着焊接速度的增加，凝固裂纹萌生的应变减小。残余液体的分布取决于组织和TH的形态分布随着焊接速度的增加，残余液体从液滴转变为薄膜。残余液体分布形态的转变意味着材料易受固体物质的影响开裂。
关键词：热裂 凝固开裂 激光焊接
1 导言
在焊接过程中需要一种防止凝固开裂的技术，因为不锈钢、镍基高温合金和异种焊接接头容易受到这种现象的影响。当采用不同的材料和提高的焊接速度来实现机械结构的高功能化和提高产量时，橄榄化开裂成为一个更严重的问题活力。优化焊接接头设计和开发焊接材料，以防止凝固裂纹的发生。然而，一个明确的预防技术凝固开裂的Nique尚未开发。因此，有必要详细研究焊接过程中加载应变的凝固现象和分布，并对其进行研究阐明凝固开裂现象的机理。
众所周知，由于凝固收缩和约束作用，残余液体上的应变在液相线和固相线温度之间发生凝固开裂的引发裂纹的临界染色受凝固形态、化学成分、硫磷偏析、应变速率、焊接Co等因素的影响等等。迄今为止，用高温延性曲线评价了凝固开裂敏感性，即临界应变与温度的关系 凝固裂纹萌生的温度。因此，必须定量和精确地测量临界应变和凝固裂纹萌生温度，才能详细了解固体开裂现象。
激光焊接是一种很有吸引力的焊接工艺，由于其高，有望在实际使用中会增加焊接速度，低变形等。由于凝固行为和热应变取决于焊接速度，焊接速度的提高应导致材料更容易受到固体的影响阳离子开裂。然而，在高速焊接条件下，没有人确定凝固开裂的临界应变。
本文研究了焊接速度对310S型不锈钢凝固开裂敏感性的影响，该不锈钢在高焊接速度下易发生凝固开裂。这种钢还能在室温下对组织进行评价，因为它在不变形的情况下固化单一奥氏体相方面具有优势。有必要测量acc在高温快速冷却过程中，对裂纹萌生的应变和温度进行了研究，阐明了在高速焊接条件下的凝固开裂现象。一个原位采用美国[9,10]研制的高速摄像机观测技术，测量了U型热裂试验中的应变历史。另外还有光纤辐射温度计wa其响应速率高于用于测量焊接过程中温度历史的热电偶。
2 实验程序
以表1中化学成分的310S型不锈钢为试样。试件厚度2mm，宽度50mm，长度110mm。图1显示了实验A采用高速摄像机建立了垂直原位观测系统的U型热裂试验。焊接条件见表2。采用光纤激光器(IPG，YLR-300-S)作为热来源。为了研究焊接速度对凝固开裂敏感性的影响，焊接速度在0.4~1.6m/min之间变化。激光光斑尺寸为0.4mm，激光p调整OWER以获得每个焊接速度下的全穿透珠。激光头向焊接方向倾斜30°，以防止干扰相机设置。 高速相机wa设置一个变焦镜头与一个热镜，以高度放大的观察和监测可见光。还使用金属卤化物灯作为照明系统，以获得清晰的图像s.Ar气体被吹到试样的表面和后方，以防止激光焊接过程中的氧化。
图1 垂直原位观测法实验装置
热裂纹试验要求再现凝固裂纹，测量裂纹萌生的局部临界应变。在本研究中，我们进行了U型热裂解试验利用高速摄像机进行现场观测。一种U型裂纹测试仪，通过对焊接直接施加垂直载荷，可以在焊缝中心线产生凝固裂纹离子。
U型热裂试验顺序如下。首先，约束梁被外部载荷弯曲到一定的实验距离。然后将试样固定在梁c之间吸盘子。在外部载荷释放后，对试样施加初始拉伸载荷。横向拉伸载荷拉伸试样，导致凝固的产生焊接过程中的裂纹。在激光焊接过程中，利用高速摄像机对熔池边缘进行连续监测，观察熔池凝固序列（裂纹萌生）。图2显示了一个类型通过原位观测得到的图像的实例。在熔池边缘的后部可以观察到凝固裂纹(图2a)。通过图像从视频中测量临界应变分析。如图所示当发现凝固裂纹已经开始时，两个参考点，即枝晶尖端和/或裂纹附近固体表面的不均匀性，w沿拉伸方向选择。裂纹萌生的时间称为T1，在T1处测量两个参考点之间的距离为L1。参考点w通过重绕视频和起始拉伸应变加载来跟踪。当熔池边缘通过凝固形成时，确定时间(t=t0)为参考点。然后，将t0处参考点之间的距离测量为L0。最后，关键通过将距离变化(L1-L0)除以初始距离(L0)计算裂纹萌生应变)。初始距离L0为0.5mm。初始拉伸载荷可由chang控制梁之间的弯曲距离。
表一 310S不锈钢的化学组成
表二 焊接条件
为了绘制高温延性曲线，测量凝固裂纹萌生应变的时间必须与温度相关。此外，高精度和响应需要进行Se温度测量，因为在高焊接速度下，冷却快。一种响应速率高于热电偶的光纤辐射温度计使用S，并通过将其插入熔池后部来测量激光焊接过程中的温度历史。
采用光学显微镜和扫描电镜对焊缝的断口和显微组织进行了评价。还对obs进行了高分辨率现场观测确定凝固过程中熔池后部残余液体的分布。
图2凝固开裂临界应变测量方法示意图a现场观测b测量临界应变方法得到的图像
3 结果与讨论
3.1高温延性曲线
图3显示了U型热裂纹试验获得的每种焊接速度下的应变历史。在每个焊接点的熔池后部观察到凝固开裂的现象小便。焊接过程中应变值的变化可以定量地测量到裂纹萌生。随着焊接spe的增加，在较短的时间内测量了裂纹萌生的应变值爱德。此外，在0.4m/min时得到的值远高于其他焊接速度下的值，在0.4m/min时裂纹萌生的最小应变约为3%。
熔池在每个焊接速度下的温度历史如图所示。4.通过使用光纤辐射温度计，可以很高程度地测量温度历史精度，即使冷却速度相当高，焊接速度为1.6m/min。 在1.6m/min时的冷却速率约为750°C/s。用微分法测定液相线温度 冷却曲线和0.4、0.8和1.6m/min的温度分别为1406、1408和1407°C。这表明冷却速率对液相线温度的影响是次要的意义重大。
图5为各焊接速度下的高温延性曲线。利用温度历史将水平轴从时间转换为温度(图。 4)，并得到曲线通过连接裂纹萌生的临界应变。应变随温度在0.8和1.6m/min的变化趋势几乎相同。另一方面，应变值得到a吨0.4m/min远大于其他焊接速度。因此焊接速度的增加导致凝固开裂敏感性降低。
图3 在不同焊接速度下焊接过程中的应变历史为0.4m/minb0.8m/minc1.6m/min
图4 光纤辐射温度计测量的温度历史
3.2焊缝和断口的显微组织
在不同焊接速度下获得的焊缝珠表面的微观结构如图所示。6.柱状枝晶的生长方向从倾斜到垂直于t的方向变化焊接方向与焊接速度。 在0.4~0.8和1.6m/min时，生长方向与焊接方向的夹角分别为79.0、84.1和86.6°。枝晶尺寸随减小而减小提高焊接速度。这可能是由于焊接速度对应的冷却速率的增加所致。
图5 高温延性曲线（试件在各种焊接速度下焊接）
图6 不同焊接速度下焊接试样焊珠中心的显微组织为0.4m/minb0.8m/minc1.6m/min
图7显示了在不同焊接速度下裂纹产生点的断口。 在所有焊接速度下都可以产生凝固裂纹，因为在al处发现了树枝状晶体焊接条件。 晶体形貌无明显差异，晶体垂直于焊接方向生长。 枝晶尺寸随增加而减小焊接速度。
3.3高分辨率现场观测
图8显示了在1.6m/min的焊接过程中熔池后部的序列，这是通过高分辨率的现场观察得到的。
熔池最初沿焊珠中心线存在于长区域(t=0，s)，熔池宽度在0.04s时变窄。0.08s后，固相开始 在熔池内形成。随着时间的推移，固体量增加，柱状晶粒垂直于焊接方向桥生长，固体从相反的一侧生长珠中心在0.09s。在0.1s时，液体继续保持在柱状颗粒之间，尽管液体的数量明显减少。最后(t=0.12s)，残余液体排出作为沿柱状晶尖间边界的液滴（珠心）。高分辨率的原位观察揭示了残余液体凝固和分布过程中的序列激光焊接。柱状晶粒倾向于在焊缝中心桥接，在桥接后，液体留在晶粒尖端的界面。
图9比较了高分辨率原位观测与焊缝表面微观结构之间的图像。 在折线之间的区域观察到大量的残余液体在图中9a。这个区域对应于枝晶臂的区域，如图所示9b因此，在桥接后，液体仍保持在焊缝中心，并进行转化 成枝晶臂（固体）。
3.4焊接速度对凝固开裂敏感性的影响
液相在凝固末期的分布和数量已知影响凝固开裂敏感性。易感性的讨论集中在在同一方向生长的柱状晶粒之间的边界处的液体分布。在较宽的温度范围内，液体在边界处的存在使材料容易凝固开裂。
图7焊缝中心产生的断裂表面箭头表示裂纹产生点(1377 °C, 1.36 %) b 0.8 m/min
(1393 °C, 1.12 %) c 1.6 m/min (1380 °C, 0.6 %)
图8 通过高放大原位观察技术(焊接速度：1.6m/min)获得的固化序列)
在本研究中，熔池后部产生凝固裂纹。柱状晶粒垂直于焊接方向生长，并将从oppo生长的柱状晶粒桥接场地一侧在后方。如图8和图9所示，在桥接后，液体仍保持在晶粒尖端的界面上。此外，液相分布在中心的长度随着焊接速度的增加，随焊接速度的增加而增大。这应归因于垂直于焊接方向的强度下降；因此，CRI在U型热裂纹试验中，裂纹萌生的应变值随焊接速度的增加而减小。
图9 原位观察与显微组织(焊接速度：1.6m/min)a原位观察b显微组织的图像比较
为了帮助定量解释残余液体分布的现象图10显示了激光焊接时熔池后部残余液体的示意图焊接速度高。柱状枝晶垂直于焊接方向生长，桥形柱状枝晶从焊缝中心的对面生长(图10a)。什么时候 将高温位置与桥接点进行比较，枝晶之间的液体足以愈合初始裂纹，因为该位置与熔池连接，如果应变加载在熔池的后部。在低温下，枝晶之间的液体继续保持在枝晶尖端（焊珠中心)之间的界面）。剩下的液体凝固（枝晶臂生长）。此外，可以假定残余液体的分布取决于微观结构。如图所示。当焊接速度较快时(1.6m/由于显微组织由非常细的柱状枝晶组成，焊缝中心枝晶尖端之间的界面变得光滑垂直于焊接方向生长。因此，液体在枝晶尖端之间的界面处保持为薄的连续液体膜(图10b)。另一方面，当我们激光速度慢(0.4m/min)，柱状枝晶变粗，向焊接方向倾斜生长。这种微观结构导致形成粗糙的界面，残余液体以分段（液滴）形态存在(图10c)。
图10 激光焊接过程中残余液体分布示意图-残余液体的形态b高焊接速度c低焊接速度
残余液体的分布取决于微观结构。枝晶尖端（焊珠中心）界面的残余液体导致凝固裂纹的产生在高焊接速度条件下。众所周知，残余液体分布影响凝固开裂敏感性。如果液体以薄膜的形式存在，则连续界面o枝晶尖端形成，使材料容易凝固开裂。因此，残余液体从液滴到薄膜的分布形态随增量的转变 焊接速度引起凝固开裂的敏感性。
4 总结
研究了310S型不锈钢在高速焊接条件下（激光焊接）的凝固开裂敏感性随焊接速度的变化规律。按h进行的现场观测高速摄像机能够定量、高精度地测量凝固开裂的临界应变。可以测量高速激光焊接过程中的温度历史唱光纤辐射温度计。随着焊接速度的增加，凝固开裂的临界应变减小。这可能是由于残渣的分布形态所致枝晶尖端界面（焊缝中心）的L液体)。残余液体中的分布取决于熔池后部的微观结构。从残余形态的转变随着焊接速度的增加，液滴对薄膜的影响可归因于凝固开裂的敏感性。
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