304不銹鋼是應(yīng)用最為廣泛的一種奧氏體不銹鋼，很多情況下它的應(yīng)用都需要利用到一種重要的加工方法——焊接。相對于傳統(tǒng)的焊接方法，激光焊接因其具有能量集中、熱影響區(qū)小、熱變形小及焊接速度快等優(yōu)點(diǎn)，故能提高304不銹鋼焊接接頭的質(zhì)量。由于接頭質(zhì)量與宏觀形貌和組織性能密切相關(guān)，所以很有必要對304不銹鋼激光焊接接頭形貌和組織性能進(jìn)行研究。

本文以304不銹鋼激光焊接接頭為對象，旨在研究焊接工藝參數(shù)對接頭宏觀形貌、微觀組織和機(jī)械性能的影響規(guī)律，得到合適的焊接工藝參數(shù)。此外，建立適用于激光焊接的三維熱源模型和有限元分析模型，實(shí)現(xiàn)焊接溫度場的三維動態(tài)模擬，從宏觀形貌和微觀組織兩方面將模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果聯(lián)系起來，指導(dǎo)工藝參數(shù)的設(shè)計和優(yōu)化。

304不銹鋼激光焊接接頭形貌與組織性能

首先，采用板厚為0.7mm的304不銹鋼板進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)，分析了工藝參數(shù)對焊縫宏觀形貌的影響規(guī)律。當(dāng)工藝參數(shù)選擇得當(dāng)時，所獲得的焊縫具有合適的焊縫尺寸且沒有宏觀焊接缺陷的產(chǎn)生。然后，將得到的焊接接頭制成金相分析試樣并進(jìn)行電解腐蝕，利用光學(xué)顯微鏡對焊縫的微觀組織進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)焊縫的微觀組織不同于母材，且工藝參數(shù)對焊縫的微觀組織有影響，主要體現(xiàn)在焊縫邊緣柱狀晶區(qū)域?qū)挾群秃缚p中心等軸晶尺寸的變化上。對接頭不同區(qū)域進(jìn)行顯微硬度測試，發(fā)現(xiàn)焊縫的顯微硬度值高于母材。此外，對不同工藝參數(shù)下的焊接接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，并將接頭的拉伸強(qiáng)度與焊縫的宏觀形貌和微觀組織聯(lián)系了起來。當(dāng)焊縫擁有較好的宏觀形貌和較小的晶粒尺寸時，能獲得拉伸性能最好的焊接接頭，且接頭在拉伸試驗(yàn)后于母材處斷裂。利用掃描電鏡對該拉伸斷口的形貌進(jìn)行拍攝，發(fā)現(xiàn)斷面上存在大量韌窩，斷裂模式為韌性斷裂。

最后，根據(jù)激光焊接的焊縫成形特征，構(gòu)造了雙橢球體熱源和高斯面熱源疊加的組合熱源模型，利用有限元分析軟件ABAQUS和FORTRAN語言編寫的用戶子程序，實(shí)現(xiàn)了激光焊接溫度場的三維動態(tài)模擬。在宏觀形貌方面，模擬結(jié)果中的熔池邊界線和試驗(yàn)結(jié)果中的熔合線基本吻合，驗(yàn)證了模型的可靠性；在微觀組織方面，通過焊接溫度場預(yù)測焊縫液相中的溫度梯度和焊縫中心的冷卻速度，以此定性地推斷焊縫結(jié)晶形態(tài)的傾向和晶粒的相對大小，探究焊接溫度場與焊縫微觀組織的關(guān)系。