【摘 要】
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441不锈钢具有优异的耐蚀性和力学性能,且相对于奥氏体不锈钢成本低,因此广泛应用于汽车、建筑、化工等领域。441不锈钢作为单相铁素体不锈钢,焊接接头存在韧性降低的问题,对于汽车排气管等需要大变形塑性加工的焊接结构其焊接接头易开裂。改善接头组织性能,降低残余应力是防止开裂的有效措施。本文针对不同批次441不锈钢薄板,分别采用TIG（钨极氩弧焊）和LBW（激光焊）方法对接焊接,研究了焊接工艺参数对44
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441不锈钢具有优异的耐蚀性和力学性能,且相对于奥氏体不锈钢成本低,因此广泛应用于汽车、建筑、化工等领域。441不锈钢作为单相铁素体不锈钢,焊接接头存在韧性降低的问题,对于汽车排气管等需要大变形塑性加工的焊接结构其焊接接头易开裂。改善接头组织性能,降低残余应力是防止开裂的有效措施。本文针对不同批次441不锈钢薄板,分别采用TIG（钨极氩弧焊）和LBW（激光焊）方法对接焊接,研究了焊接工艺参数对441不锈钢薄板焊接接头成形质量的影响,优化了焊接工艺参数,分析了化学成分对组织性能的影响;探讨了超声冲击处理和低温热处理对焊接接头组织性能及残余应力的影响;采用杯突试验方法研究焊接试板成形性能;分析了焊接接头开裂原因及断裂机制。研究结果表明:（1）在焊接电流为50 A,焊接速度为25 cm/min时TIG焊缝宽度小,HAZ范围小,焊缝熔透,无焊缝凹陷、咬边等缺陷。441不锈钢TIG焊接接头粗大柱状晶和HAZ晶粒长大导致局部韧性降低,使焊接接头成为焊接结构的薄弱环节。441不锈钢薄板焊接接头在工作载荷作用下的断裂方式主要为沿焊缝方向的纵向断裂和垂直于焊缝方向的横向断裂,其断裂形式与加载方式、接头组织性能、残余力分布等有关。TIG焊管加工时断裂形式主要与加载方式有关,胀管时主要产生纵向裂纹,弯管时主要产生横向裂纹,开裂部位裂纹源与材料内部夹杂物大小、分布和数量有关;TIG焊管接头纵向裂纹主要起源于熔合区附近,横向裂纹起源于焊缝柱状晶区,均以夹杂物、第二相粒子或其它脆性相作为裂纹源,大部分位于近表面,纵向裂纹起裂源区为穿晶断裂的解理断口,扩展区有时会出现少量韧窝聚集形貌的断口;横向裂纹起裂源区为穿晶断裂的解理断口,扩展区会出现较纵向裂纹更多的韧窝聚集最终形成混合断口。焊接试件杯突试验加载时杯突半球各应变分布趋于均匀化,断裂方式主要与焊接接头组织性能和残余应力状态有关。薄板TIG焊接接头由于接头成分偏析、焊缝及HAZ脆化,杯突裂纹主要断裂形式为纵向开裂,均位于杯突半球中心区域。（2）超声冲击处理使TIG焊接接头表面产生5～25μm厚的纳米细晶层,100μm处表面层显微硬度平均提升19.5%,接头成形性能随着超声冲击处理宽度增加而增强。低温热处理可使TIG焊接接头延伸率提升到108.05%,杯突值提高到102.13%,成形性能提高。（3）在激光功率为1.3 KW,焊接速度为25 mm/s,离焦量为0 mm时LBW焊缝宽度小组织均匀,无焊缝凹陷、孔穴、咬边等缺陷,焊接变形小。不同批次441不锈钢化学成分差异对LBW焊接接头力学性能影响较大,441不锈钢在标准范围内Si、Ti、Nb含量较高,Mn含量适宜,S、P含量少和晶粒越细小,接头力学性能越好。441不锈钢激光焊接接头相对于TIG焊接接头组织细密,晶粒细小,析出物较少,杯突裂纹除纵向裂纹外还包括横向裂纹,均位于杯突半球中心区域。（4）超声冲击处理可使母材抗拉强度提升到101.07%,延伸率降低到97.28%,使LBW焊接接头100μm处表面层显微硬度平均提升18.1%,在延伸率在未降低的情况下抗拉强度提高到102.54%。超声冲击处理使焊接试件最大纵向拉应力降低78.4%,横向拉应力转变为压应力,杯突值提升到120%,断裂以横向断裂为主,超声冲击处理使横向裂纹断裂部位发生改变,由杯突半球中部焊缝转变为球体边缘焊缝区,且横向裂纹起裂源由板表层转变至内部,起裂源区为穿晶断裂的解理断口,扩展区出现较多韧窝聚集形成混合断口。低温热处理可使LBW焊接接头延伸率明显提升,焊接试件最大纵向拉应力降低83.5%,横向拉应力降低80.2%,杯突值提升到131%,低温热处理后激光焊接试件裂纹部位由焊缝区转变为母材区,断口以韧窝为主。
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