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奥氏体不锈钢的加工性、焊接性和高温特性都很优良，在核工业中主要被用作结构材料。核电站是大型结构物，是以电弧焊制造出来的。电弧焊属于大热输入焊接方法。然而，与碳钢相比，奥氏体不锈钢的热膨胀系数较高，热导率较低，所以需要较低的热输入。热输入过大的话，会使接头晶粒出现严重变形以及粗大化等各种焊接方面的缺陷，进而导致接头的力学性能变差。近些年来，业界提出采用激光焊接的方式来应对热输入的问题。在本研究中，对厚度为 6mm 的 304L 奥氏体不锈钢板分别进行了激光焊接和 TIG 焊接，并且对它们的力学性能进行了对比分析。激光焊接接头的拉伸性能和冲击性能比 TIG 焊接接头好，然而其弯曲性能比 TIG 焊接接头略差一些。
1 前言
不锈钢的耐腐蚀性和力学性能很优异，在多个领域都有广泛应用，如家用电器、厨具、汽车、核工业等。奥氏体不锈钢尤其突出，它加工性和焊接性都很好，在 900K 左右的较高温环境下，力学强度依然优异，所以能被用作核工业结构物的结构材料以及覆管材等。核电工业大型结构物大多以焊接方式制作，主要运用了 SMAW 和 TIG 等电弧焊工艺。电弧焊具有经济实惠的特点，其最大的优势在于不受接合材料厚度的限制。然而，因为热源能量密度较低，会形成传导型焊透，使得焊透深度较浅。所以，对于厚板材料的焊接，通常需要进行多焊道（Multi-pass）操作，这就会致使对材料的热输入量增大。奥氏体不锈钢与普通碳钢相比，热膨胀系数要高大约 1.5 倍。热导率则低至普通碳钢的 1/3 ，所以它是一种需要低热输入进行焊接的材料。如果热输入量过大，焊缝就可能会出现严重的热变形以及残余应力，进而形成较宽的热影响区（HAZ），最终致使焊缝的质量和强度降低。
近年来业内为解决这些热输入的问题开始采用激光焊接。激光焊接是用集束于狭窄范围的激光束当作热源。这样一来，热源的能量密度极高。利用锁孔机制能够发生焊透。借助钥匙孔机制发生焊透时，因为热传导小，所以用相对较少的热输入量就可以实现深度焊透。因此，热影响范围虽然有限，但仍可获得高质量的全焊透区。同时，还能实现高速焊接，在生产效率方面具有优势。
报道称，在进行激光 - TIG 混合焊接时，焊缝表现出良好的拉伸性能。前人曾对奥氏体不锈钢的电弧焊与激光焊接进行过很多比较研究，并且报道说在激光焊接中力学性能良好，但未对其他拉伸性能做细致研究。为评估焊缝的牢固性，按照 ASME 第九卷焊接和钎焊评定标准进行了拉伸、弯曲和冲击试验。
本研究选用奥氏体不锈钢的典型钢种 304L 不锈钢，实施了激光焊接与 TIG 焊接这两种焊接方式，并且针对焊缝的显微组织、弯曲性能以及冲击性能分别进行了比较以及分析。
2 试验方法
2.1试验材料
本研究使用的材料为市售的 304L 不锈钢板材，其厚度是 6mm。TIG 焊丝选用直径 1.2mm 的 ER308，其化学成分见表 1。这里的 L 表示低碳，能将碳含量限制在 0.03%以下焊接性能好的钢材，以此来防止焊接热量引发晶界腐蚀。激光焊接试样的接合面进行了铣削处理，目的是尽量让材料之间的间隙变小；TIG 焊接试样的接合面带有 45°的坡口，这样做便于熔敷金属能够渗透进去。
2.2焊接
焊接采用对接接头。激光焊接使用最大功率 16kW 的碟片激光器，先将试样固定在试验台上，接着移动激光束进行焊接。TIG 焊接使用填充金属，同样是先将试样固定在试验台后，再移动电弧进行焊接。TIG 焊接的拉伸试样按照 ASME 第九卷 QW-462.1（a）制作，弯曲试样按照 QW-462.3（a）制作。使用 HYWEL - 305A 模型，为达成完全焊透的目的，采用了 4 道焊道。从表 2 中可以看出焊接的相关条件。
2.3力学性能试验
焊缝的力学性能借助硬度、拉伸、弯曲和冲击试验来进行评价。对于硬度，使用的是显微维氏硬度计（MMT-X，崧泽），并且是沿着焊缝的宽度方向展开测定的。压入载荷为 0.2kg，压入时间为 10s，在测定过程中，由于要考虑压痕的大小，所以是在表面 600μm 以下进行测定的。
拉伸和弯曲试验使用拉伸试验机（UH-，岛津）。
冲击试样按照 ASME 第二卷 Part A SA370 的要求制作夏比 V 型缺口 A。在母材（BM）中加工缺口，在熔合区（FZ）中加工缺口，在 HAZ 中加工缺口。冲击试验是在室温下进行的。
3 结果与讨论
3.1焊缝的形状
激光和 TIG 焊接选取了能形成优质接头的条件。图 1 展示了接头的外观以及截面情况。在激光焊接中，接头的正面和背面都未出现母材区域的变色现象，并且在截面中能够观察到焊透的宽深比较大。
激光束的能量密度极高。熔敷金属在蒸发的同时，因钥匙孔机制发生了渗透。TIG 焊接时，在焊缝的正面及背面焊道约 10mm 以内的母材区域出现变色。可见发生了大量的热传导。观察到 TIG 焊缝的截面是宽深比相对较大的半球形焊透。电弧的能量密度相对较低，据判断是传导机制导致了焊透。
3.2焊缝的显微组织
图 2（a）表示激光焊接的接头，图 2（b）表示 TIG 焊接的接头。可以确认激光焊接的接头热影响区很少出现。图 2（c）表示激光焊接熔合区附近母材的显微组织，表明焊接过程中母材组织未发生变化。TIG 焊接在熔合区附近的母材中出现了显微组织的变化。
图 2（d）展示了 TIG 焊接的熔合区附近母材的显微组织。与图 2（c）相比较，能够确定存在晶粒粗大化的情况。这种晶粒粗大化是因为 TIG 焊接的热输入量较高以及导热所导致的。
304L 不锈钢的凝固模式为铁素体 - 奥氏体。其初晶会形成 δ - 铁素体。304L 不锈钢在缓慢冷却时，会发生 δ→γ 的相变，此时具有 γ 相组织。然而，在急冷的情况下，无法完全发生相变，会导致 δ 相残留，进而具有 γ + δ 相组织。
图 2 的（e）部分和（f）部分展示了激光焊接与 TIG 焊接的熔合区显微组织，其分别由γ-奥氏体以及 Lacyδ-铁素体构成。图 2 的（f）中出现了数量相对较多的δ-铁素体。一般来讲，在凝固过程中，δ-铁素体的生成量会随着冷却速率的升高以及 Creq/Nieq 的升高而增加。TIG 焊接的热输入量比较高，冷却速率比较慢。在图 2（f）中，填充材料（）使得 Creq/Nieq 增加，从而导致了δ-铁素体生成量的变化。两种焊接工艺的熔合区，因为冷却速率快，所以比母材的晶粒更细微。然而，图 2（f）已经证实存在部分粗大化晶粒，这是 TIG 焊接的多焊道所造成的。
3.3焊缝的硬度分布
激光焊接焊缝水平方向的硬度分布观察到熔合区上有显著变化，TIG 焊接焊缝水平方向的硬度分布也观察到熔合区上有显著变化。在激光焊接的熔合区中，硬度分布为 250 - 300HV，母材的硬度为 233HV，激光焊接熔合区的硬度高于母材。试验使用的材料是低碳钢，所以认为碳引起的硬度变化微小，硬度上升是由于快速冷却速率导致晶粒细化。母材和熔合区几乎未出现硬度变化，这表明几乎未出现热影响区。在 TG 焊接的熔合区中，其硬度分布范围是 220 - 257HV。将其与母材的硬度值相比较，硬化和软化的情况同时存在。
多数热履历在焊道作用下于熔合区内生成了局部软化区域。两种焊接工艺的焊缝，在垂直方向上，其硬度分布在表面附近呈现出相对高的硬度值，原因是表面部位冷却相对较快。TIG 焊接在垂直方向也出现了与水平方向一样的软化区域。
3.4焊缝的拉伸性能
为测定焊缝的强度，进行了拉伸试验。拉伸试验的结果由表 3 表示，断口的形状由图 3 表示。激光焊接时，焊缝的抗拉强度比母材略高，并且断口位于母材。在图 2（e）中，因为快速冷却，出现了细微的熔合区晶粒，这使得强度上升。延伸率比母材略低，这主要是受到熔合区内硬化组织的影响。TIG 焊接焊缝的抗拉强度比母材低，其延伸率也比母材低，并且位于熔合区上。热影响区内存在粗大晶粒，熔合区内也有部分粗大颗粒，这些就是强度和延伸率下降的主要原因。熔合区的粗大颗粒起到了应力集中区的作用，所以出现了裂纹。TIG 焊接断口呈现出撕裂岭的特征。通过扫描电镜观察 TIG 焊缝的断口，如图 4 所示，可以看出其表现出具有细微韧窝的延性断口。
3.5焊缝的弯曲性能
为评价焊缝的弯曲性能，进行了如下操作：在焊缝的正面和背面进行 180°弯曲，然后考察弯曲部位表面有无裂纹发生。图 5 展示了试样的弯曲部位。两个焊缝区均未出现 ASME 第九卷中提及的、长度超过 3.2mm 的不连续部位。然而，激光焊缝的正面和背面出现了长度在 1mm 以下的裂纹。因为焊道较窄，且由硬度较高的组织构成，所以会出现较大的应力集中。
3.6焊缝的冲击性能
因为要考虑焊缝的厚度，所以制作了 3.3mm 的小尺寸试样，接着在室温下开展夏比 V 型缺口冲击试验。依据试样缺口的加工方向，这些试样被分别命名为 BM、L-F（Laser-FZ）、L-H（Laser HAZ）、T-F（TIG-FZ）和 T-H（TIG-HAZ）。
图 6 展示的是在室温冲击试验下的冲击吸收功。能够看出，冲击吸收功的分布因为缺口加工位置的不同而存在些许差异。在材料的力学性能方面，为了提升评价的精度，运用了概率统计方法。冲击吸收功代表的是统计变动值，而非确定值。并且采用了双参数和威布尔分布来进行参数估计。
不同缺口加工位置的冲击吸收功，是用威布尔概率值来表示的。在概率值方面，冲击吸收功能够用直线来表示，所以完全符合威布尔概率分布。表 4 呈现了威布尔分布中估计的形状参数和尺度参数，还有通过算术统计得出的标准偏差（Std）、平均值（Mean）以及波动系数（COV）。激光和 TIG 焊接的熔合区的几何参数低于 BM 的形状参数（40.9）焊接性能好的钢材，热影响区的几何参数也低于 BM 的形状参数（40.9）。激光和 TIG 焊接的熔合区的分散程度大于 BM，热影响区的分散程度也大于 BM。值得一提的是，T-F 的形状参数为 16.9，分散程度严重；T-H 的形状参数为 22.7，分散程度也严重。
尺度参数代表着 63.2%的特征寿命。激光焊接在 L-F 中，其尺度参数出现高于 BM 的值；而在 L-H 中，尺度参数显示出较低的值。激光焊接熔合区的冲击吸收能得以提高，主要是因为快速冷却使晶粒细化，并且在凝固过程中生成的δ-铁素体使晶界变得复杂。
激光焊接的热影响区在很窄的范围内生成，这样就使得缺口能够贯穿相界进行加工。相界是应力集中区，所以导致 L-H 具有较低的冲击韧性。TIG 焊接时，T-F 和 T-H 都出现了比 BM 更低的尺度参数。TIG 焊接的熔合区组织比 BM 更细微，但其中还包含由多层焊道产生的粗大晶粒。粗大晶粒起到了应力集中的作用，在 T-F 中呈现出低冲击吸收功的情况。TIG 焊接热影响区的冲击吸收功降低，原因是热输入量过大使得晶粒变得粗大。若将冲击吸收功纳入考虑范围，激光焊接比 TIG 焊接更具优势。
为考察断口形貌，使用扫描电镜对冲击断口进行了观察。其中，图 7（a）展示的是在 BM 上加工缺口的试样的冲击断口，在断裂部位的中心出现了包含韧窝的延性断口。图 7（b）所表示的是在激光焊接的熔合区上引入缺口的试样的冲击断裂部位，图 7（c）所表示的是在 TIG 焊接的熔合区上引入缺口的试样的冲击断裂部位。图 7（a）中的两个断口更为细微，且呈现出密集形状的韧窝。这是由于晶粒细化，从而具备了韧性相对较高的基体组织。在图 7（c）中，发现了相对偏深且密集度较低的区域。这是因为在 TIG 焊接的熔合区内存在延性相对不足的粗大化组织。
图 7 的（d）部分和（e）部分分别展示了把缺口引入激光焊接热影响区以及 TIG 焊接热影响区的试样断口。两种断口在断裂部位的边缘都出现了典型的剪切唇，并且都呈现出带有细小韧窝的延性断口。与之形成对比的是，在断裂部位的中心，呈现出与 BM 相似的断口，其延性相比边缘有相对降低的趋势。
4 结论
对激光焊接的 304L 不锈钢焊缝的显微组织进行了评价，对 TIG 焊接的 304L 不锈钢焊缝的显微组织也进行了评价，并且对两者的显微组织进行了比较；对激光焊接的 304L 不锈钢焊缝的力学性能进行了评价，对 TIG 焊接的 304L 不锈钢焊缝的力学性能也进行了评价，同时对两者的力学性能进行了比较，得出如下结论：
激光焊接会因钥匙孔机制而出现焊透的情况，TIG 焊接则会因传导机制而出现焊透的情况。
激光焊接的熔合区出现急冷组织。TIG 焊接的熔合区未出现急冷组织。与 TIG 焊接不同，激光焊接几乎没有出现热影响区。
激光和 TIG 焊接的熔合区硬度值比母材高。TIG 焊接时，有硬度低于母材的区域存在。
激光焊接时，焊缝的抗拉强度与延伸率和母材几乎是一样的。而 TIG 焊接时，焊缝的抗拉强度与延伸率低于母材。
5）弯曲试验时，激光焊接的焊缝出现1mm以下的小裂纹。
冲击功的威布尔分析结果表明，BM 的散布最小。激光焊接的熔合区在特征寿命上具有最佳值。
在弯曲试验里，激光焊接的焊缝出现了裂纹，不过这裂纹处于 ASME 第九卷中所提及的 3.2mm 的允许值范围之内。在拉伸性能方面，激光焊接比 TIG 焊接要好；在冲击性能方面，激光焊接也比 TIG 焊接要好，除了弯曲性能之外。
