焊接速度对激光焊接S31254超奥氏体不锈钢超薄板材微观结构及性能的影响

《Journal of Materials Research and Technology》：Effect of Welding Speed on Microstructure and Properties of Laser-Welded S31254 Super Austenitic Stainless Steel Ultra-Thin Sheets

低功率激光焊接0.8 mm S31254不锈钢薄板时，焊接速度显著影响接头性能。研究表明0.5 m/min时获得无缺陷全穿透焊缝，强度达569.8 MPa，韧性与耐蚀性最优。高速（1.0 m/min）导致未穿透和应力集中，低速（0.4 m/min）引发粗大Mo相导致脆断。显微分析显示速度升高细化晶粒，热影响区宽度从465.6 μm降至161 μm。腐蚀测试表明速度提高使腐蚀电位正移0.267 V，电流密度降低60%。

　　
本研究聚焦于低功率激光焊接工艺对0.8mm厚S31254超奥氏体不锈钢超薄板焊接接头性能的影响机制。该材料因含6.1% Mo和18% Ni的独特合金成分，在氯离子及酸性环境展现出卓越耐蚀性，但其高昂成本阻碍了工业应用。研究创新性地将激光焊接技术引入超薄规格（<2mm）的SASS焊接领域，突破传统焊接方法因高热输入导致的粗大晶粒和脆性相析出的技术瓶颈。

在工艺参数优化方面，通过调节0.4-1.0m/min的焊接速度实现15-37.5J/mm的梯度热输入控制。实验发现0.5m/min时达到最佳综合性能平衡：焊缝完全熔透无缺陷，中心线硬度提升19.7%至285HV，同时保持3.2μm的最大缩颈尺寸，体现优异强韧性匹配。这种速度依赖效应源于热输入与冷却速率的协同作用——高速焊接（如1.0m/min）虽能细化晶粒（PDAS从5.8μm降至2.6μm），但会导致穿透不足引发的应力集中，而低速度（0.4m/min）虽保证熔透却引发马氏体相变区粗大Mo-Ni脆性相析出。

微观结构演变呈现显著速度依赖特征。高速焊接（0.7-1.0m/min）通过缩短热循环时间（峰值温度下降30.8%）有效抑制晶粒长大，焊池中心PDAS降至2.6μm，较0.4m/min时细化约55%。但速度过快（1.0m/min）导致熔深不足，焊缝中心应力达561MPa，引发沿晶界脆性断裂。值得注意的是，0.5m/min时虽然热输入高于高速组（30J/mm），但通过精准控制熔池形态（单腰结构），在焊趾区域形成约345μm宽的细晶过渡区，有效缓冲应力集中。

耐蚀性研究揭示出耐蚀性随热输入增加呈现非线性提升。电化学测试显示，当热输入从15J/mm（1.0m/min）增至30J/mm（0.5m/min），腐蚀电位正向偏移0.267V，电流密度降低60%。这种改善源于微结构调控：高速组焊接接头晶粒尺寸达4.3-6.1μm，而0.5m/min时晶粒细化至4.8-5.8μm，且未观察到有害相（如σ相或Laves相）的异常析出。特别在0.4m/min条件下，焊缝边缘出现连续Mo-rich析出带（EDS分析显示Mo含量达18.5%），导致裂纹沿析出带优先萌生，腐蚀速率较优化组高出2.5倍。

数值模拟方面，建立的三维热力耦合模型成功预测了不同速度下的温度场分布（误差<10%）和残余应力演变规律。模拟显示，当焊接速度从0.4m/min提升至1.0m/min时，熔池宽度从763μm缩减至554μm，而HAZ宽度从465.6μm压缩至161μm。应力场分析表明，焊核区残余应力峰值达561MPa（1.0m/min），显著高于材料屈服强度（约450MPa），而0.5m/min时应力梯度更平缓，应力集中系数降低42%。

工程应用方面，研究证实0.5m/min速度参数可使焊接接头同时满足结构强度（569.8MPa抗拉强度）和耐蚀性（-0.54V Ecorr）的协同需求。通过优化激光功率（250W）和保弧时间（双通道供气），在保证焊缝完整性的前提下，成功将材料成本降低40%（外层碳钢基体+内层超奥氏体不锈钢复合结构）。

该研究突破传统焊接工艺在超薄SASS材料加工中的局限性，为极端环境装备制造提供了新范式。通过建立热输入-组织演变-性能响应的完整链条，不仅揭示了马氏体相变区脆性析出的形成机制（温度梯度＞200℃/mm2时析出相尺寸>5μm），更量化了焊接速度与关键性能参数的关系（如速度每增加0.1m/min，晶粒尺寸细化率提升8.3%）。研究结果已成功应用于海水淡化设备衬里焊接，在-0.757V腐蚀电位下持续服役1200小时未出现点蚀起裂。

未来研究方向可聚焦于多参数耦合优化，如激光功率与速度的协同调控，以及基于数字孪生的实时质量预测系统开发。工程实践中需特别注意，当焊接速度低于0.5m/min时，虽然熔透率可达100%，但脆性相析出率随热输入增加呈指数上升（热输入每增加5J/mm，析出相密度提升18%），这为建立低热输入焊接工艺窗口提供了理论支撑。