浙江至德鋼業有限公司研究了15%Cr鐵素體不銹鋼板材軋制過程中的顯微組織特征以及激光焊管的開裂。實驗結果表明，實驗用鋼組織均勻，為后續成形提供了良好的保證。激光焊縫熱影響區晶粒略有長大，這是焊管開裂發生在熱影響區進而擴展到整個焊縫區的原因。綜合結果表明：應加大激光焊的焊接熱輸入，加大實驗焊管焊縫處熔深，同時控制柱狀晶的長大從而與基體更好的結合，以增大焊縫的強度。

   鐵素體不銹鋼具有成本低、熱膨脹系數小、耐應力腐蝕性能好等優勢，廣泛的應用于家用電器、建筑和裝飾中等。鐵素體不銹鋼通過超低碳氮和低硫技術控制且加入鈮元素，鋼質純凈，保證了其強度和較高的低溫沖擊性能。在此類鐵素體不銹鋼中加入鈦元素，有效的提高了其焊接性。激光焊與TIG焊相比，具有高能密度和小光斑尺寸的特點，故其焊接熔區體積小于TIG焊，熔區暴露于氧化環境里的表面積也因此而減小了。又因為激光焊速度比TIG焊快2～3倍，熔區暴露于氧化環境的時間也縮短了。加之激光焊的熱影響區很小，也使熱影響區相變產生的危害程度降至最低。正因為如此，激光焊管冷成形的廢品率可降至1%。激光焊一般不用焊料，因此焊縫與基材成分完全一樣，這就使焊接強度得到了保證，同時也節省了焊料費用。現代激光器有著裝置簡單、結構緊湊、堅實耐用的特點，因而在具有先進性能的同時，也十分易于維護。基于這一事實，加上激光焊管的高質量和承受冷加工的能力，就是目前國外眾多廠家為什么要采用激光焊管技術的原因所在。

一、實驗材料與方法

    實驗材料為某大型鋼鐵廠試制的15%Cr鐵素體不銹鋼，經感應電爐冶煉鑄錠，鍛造及去除表面氧化皮得到尺寸為260mm×300mm×70mm的方錠。重新加熱至1100℃保溫70min后，先熱軋成4mm厚的鋼板，經960℃退火4min后冷軋成1.5mm厚的冷軋板，再960℃退火2分鐘，空冷至室溫。將314mm×1.5mm的鋼帶作為原材料，通過卷板機逐級卷制，當到達焊接點時，鋼帶被卷成管狀而進行縱縫焊接，成為焊管。焊接時，沿著管的軸線方向進行激光焊接(附加TIG電弧)，激光焊接采用采用HJ-4型5kW工業用橫流二氧化碳激光器。激光模式為多模，采用銅拋物全反聚焦鏡聚焦，焦距140mm。在激光焊接過程中，通過制管機的滾輪壓緊，以保證焊接時的應力在允許范圍之內。在激光焊接時，由于在前面加入了一個TIG電弧，所以對激光光斑的對中性要求并不那么高了。

二、實驗結果及分析

  1. 顯微組織及力學性能分析

  圖分別為15%Cr鐵素體不銹鋼熱軋態、熱軋退火態、冷軋態和冷軋退火態的微觀組織形貌。很明顯，經過五道次熱軋后，在從表層到中心層很寬的一段區域，變形帶的內部出現了大量的晶內剪切帶，圖中被腐蝕的黑色區域即是，也意味這剪切帶發生了明顯的動態回復，這些剪切帶大多同軋制方向呈30°角。熱軋退火后晶粒均勻且晶粒尺寸偏大，有利于冷軋及退火后的成形性能。由圖可看出，冷軋退火后的晶粒尺寸小，增加了成品板的成形性能。從表1可看出，實驗用鋼有較高的屈服和抗拉強度，同時r值為1.65且各向異性值為0.24，并具有高的伸長率。可知，本實驗用鋼基體具有良好的成形性能，為后續的焊接及加工成管件提供了良好的保證。

  2. 焊縫開裂宏觀形貌

  圖為不同直徑激光焊管在后續加工過程中沿焊縫熔合處發生明顯開裂的情況。圖為小直徑焊管開裂的宏觀形貌，發現在擴管過程中焊縫區域發生開裂，并附有肉眼可見微裂紋，而此處并未發生大的變形；圖為較大直徑焊管開裂的宏觀形貌，發現在擴管過程中焊縫區域發生明顯開裂。這可能是原始管材的焊接不良所致。

   3. 焊接接頭開裂分析

    圖為實驗用鋼焊縫處的金相組織。從圖可清晰地看出，此焊接接頭對應的焊接形式為深熔焊。在激光熱源高能量密度的作用下速熱速冷，形成的焊縫較窄并且熱影響區也很小，對焊管基體幾乎無變形影響。在焊縫與母材基體之間存在明顯的界面，焊縫余高不明顯。不足的是在焊縫與基體表面交界處存在微小缺口，易產生應力集中，這主要是由于激光焊接的焊接速度快而形成微小咬邊現象。因此，一定要注意控制焊接速度。從圖可以看出，焊接接頭從母材基體到焊縫，組織形態發生了明顯的變化，在靠近焊縫位置的母材(熱影響區)晶粒略有長大。焊縫區為典型的鑄態樹枝狀晶體，沿熱流方向熔化區冷卻形成的枝晶呈現方向性，與焊接方向的夾角約為60°。需要指出的是，由于焊縫的組織是鑄態組織，如果冷卻速度正好在某個范圍內使兩側鑄態組織的交界處出現雜質的偏析，同樣會使焊縫中心成為焊接接頭最脆弱的部位。這種晶粒略有長大的現象可能與在激光焊接前附加了一個TIG預熱電弧有關，但相比起到的作用與產生的不利影響來看，加入TIG電弧還是很有必要的。由圖中焊縫開裂宏觀形貌觀察可知，實驗焊管開裂斷口無明顯頸縮，開裂方向沿著焊縫熔合線擴展，另外有幾處沿著垂直于焊縫方向開裂，且有一定間距。實驗焊管焊縫熔合線明顯可見，且焊縫處柱狀晶粗大，對焊縫處性能產生不良影響。圖開裂處從宏觀形貌上看明顯為沿焊縫熔合線撕開，說明焊接不良，也可能是內焊跟高度不高，導致焊縫的強度不夠，所以在擴管的過程中沿熔合線開裂。圖為垂直于實驗焊管焊縫開裂處熱影響區組織，可看出熱影響區有明顯的裂紋，方向為沿著柱狀晶組織和熱影響區邊界。圖中明顯可見焊縫開裂于熱影響區，進而整個焊縫區域全部斷裂，其主要原因歸于熱影響區組織不均勻和柱狀晶組織的粗大，從而導致其熱影響區強度不夠。實驗用鋼基體組織如圖所示，基體組織晶粒均勻。綜上所述，應加大激光焊的焊接熱輸入，加大實驗焊管焊縫處熔深，同時控制柱狀晶的長大從而使焊縫與基體更好的結合，加大焊縫處的強度。

三、結論

  1. 15%Cr鐵素體不銹鋼板材熱軋退火組織晶粒較大且均勻分布，為后續冷軋退火板獲得均勻分布的組織提供基礎，從而獲得良好的機械加工性能。

  2. 激光焊接接頭的焊縫很窄，在焊縫處存在明顯的界線。激光焊焊縫在高速焊接的過程中快速冷卻形成樹枝狀的鑄態晶體組織，樹枝晶的方向與焊接方向約成60°。同時焊縫與母材之間為不平直的界面，對其結合性有較佳的貢獻。熱影響區晶粒略有長大，這是焊管擴管過程中開裂發生在熱影響區進而擴展到整個焊縫區的原因。

  3. 應加大激光焊的焊接熱輸入，加大實驗焊管焊縫處熔深，同時控制柱狀晶的長大從而與基體更好的結合，以增大焊縫處的強度。