水下振荡激光焊接304不锈钢的工艺参数分析与微观组织演变

《Metals》：Process Parameter Analysis and Microstructural Evolution in Underwater Oscillating Laser Welded 304 Stainless Steel

　　

本研究旨在解决304奥氏体不锈钢（一种广泛应用于核能与海洋工程的材料）局部干式水下激光焊接中固有的气孔缺陷与晶粒粗化问题。为缓解这些问题，研究人员将激光束振荡（Laser Beam Oscillation）与双层气幕排水系统（Double-Layer Gas-Curtain Drainage System）相结合，以确保获得稳定的局部干燥环境。系统研究了包括激光功率（Laser Power）、焊接速度（Welding Speed）、送丝速度（Wire Feed Rate）、离焦距离（Defocusing Distance）、振荡频率（Oscillation Frequency）和振荡幅度（Oscillation Amplitude）在内的六个关键工艺参数对焊缝熔深（Weld Penetration）、稀释率（Dilution Ratio）和气孔率（Porosity）的单独影响。通过正交设计（Orthogonal Design）和极差分析（Range Analysis），量化了各参数对焊缝成形与缺陷形成的相对重要性。结果表明，振荡幅度对焊缝熔深起主要控制作用，其次为离焦距离，而振荡频率的影响最小。同样地，振荡幅度在抑制气孔方面占主导地位，离焦距离为次要因素。微观组织分析表明，高频光束振荡使空间能量分布均匀化，并在熔池（Molten Pool）内诱导强制对流（Forced Convection）。据推断，这种动态搅拌作用可破碎连续的柱状枝晶（Columnar Dendrites），使平均晶粒尺寸从32.37 μm降至21.52 μm（降幅达33.5%），并有效降低气孔率。总体而言，本工作提供了经验性的工艺数据和微观组织调控方法，可为未来的水下激光修复应用提供参考。

**论文解读**

**一、研究背景与问题**

304奥氏体不锈钢（Austenitic Stainless Steel）因其优异的力学性能、无磁特性及卓越的耐腐蚀性，被广泛用作核电站乏燃料水池衬里和海洋管道等关键结构的基础材料。然而，服役于此类严苛水下环境中的部件会遭受持续退化，一旦出现意外损伤，将其运回陆地进行常规修复难以实现，因此工业界对水下现场快速修复技术有着迫切需求。

水下焊接技术根据作业环境可分为湿式焊接（Wet Welding）、干式焊接（Dry Welding）和局部干式焊接（Local Dry Welding）三类。湿式焊接虽操作灵活，但熔池与周围水域的直接接触导致超高冷却速率，易引发氢致裂纹和气孔等缺陷。干式焊接在全密封高压舱内进行，接头完整性优异，但设备庞大、成本高昂且空间适应性差。局部干式焊接通过部署专用排水系统在水下形成局部气态干燥腔体，在保证熔池凝固期间与水环境隔离的同时维持了良好的操作可达性，有效弥合了两者之间的差距。

在局部干式水下修复技术中，激光热源相较于传统电弧热源具有显著优势：高能量密度可获得高深宽比（Depth-to-Width Ratio）的焊缝和窄热影响区（Heat Affected Zone, HAZ），有效减小残余变形；非接触加工、免疫电磁干扰及远程自动化控制进一步凸显了其技术优越性。然而，即使有局部干式保护，水下环境仍对激光焊接过程施加不利影响：排水装置周边的毛细渗透和部分蒸发将微量水分引入局部腔体，保护气体、排水气流和焊接烟尘的耦合作用产生剧烈的气-水湍流，动态折射和散射入射激光束，扰乱稳定的激光能量耦合，导致飞溅、未熔合和工艺性气孔；周围水体强烈的对流热损耗急剧加速熔池凝固，溶解气体在凝固前无法充分逸出，显著增加了气孔形成倾向。

现有研究集中在工艺参数优化、排水结构改进和外部物理场辅助调控三个方向。超声辅助利用声流和空化效应可清除光路气泡、细化晶粒；磁场辅助通过洛伦兹力调控马兰戈尼对流以均匀化热输入并稳定匙孔（Keyhole）动力学。然而，将此类辅助设备集成至核电站乏燃料水池等狭小水下空间面临密封设计、系统小型化和空间布局方面的重大挑战。相比之下，激光束振荡焊接通过振镜扫描仪（Galvanometer Scanner）主动调制光束轨迹，无需额外复杂物理场设备，成为高可靠性水下激光连接与缺陷抑制的可行方案。但目前文献中对于振荡参数与水下焊接复杂热循环及冶金过程之间相互作用的表征尚不充分。

**二、研究内容与意义**

研究人员利用双层排水设备对304奥氏体不锈钢实施了局部干式水下激光焊接，系统开展了多因素实验，评估了激光功率、焊接速度、送丝速度、离焦距离、振荡频率和振荡幅度六个关键工艺参数对焊缝截面几何形貌和气孔缺陷的单独及交互影响。通过极差分析量化了各参数对焊缝成形与缺陷分布的相对重要性，并借助X射线无损检测（X-ray Non-Destructive Testing）、光学显微镜（Optical Microscopy, OM）和扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM），在优化工艺窗口下对振荡与非振荡激光焊接进行了对比评估，揭示了圆形光束振荡对焊接过程中微观组织演变和晶粒细化的调控机制。该研究为水下激光修复应用提供了经验性的工艺数据和微观组织调控参考。

**三、关键技术方法**

研究人员搭建了水深0.5 m的局部干式振荡激光焊接平台，包括光纤激光器（波长1080 nm，最大输出功率3000 W）、集成振镜扫描仪（最大振荡频率500 Hz）的激光加工头、双层气幕排水装置和三轴运动平台。采用圆形振荡轨迹，母材为304不锈钢（200 mm × 80 mm × 10 mm），填充金属为直径1.2 mm的ER308L焊丝。通过L25(5⁶)正交阵列设计了单道堆焊实验，激光功率900–1500 W、焊接速度0.4–0.8 m/min、送丝速度0.9–1.7 cm/min、离焦距离6–14 mm、振荡频率50–250 Hz、振荡幅度0–2 mm。利用Image-Pro Plus软件从横截面金相图像测量熔深、熔宽和稀释率，按照NB/T 47013.2-2015标准进行射线检测，并利用配备电子背散射衍射（Electron Backscatter Diffraction, EBSD）探测器的场发射扫描电子显微镜在20 kV加速电压、3 μm步长条件下采集晶体学数据，通过AZtecCrystal软件进行后处理。

**四、研究结果**

**（一）典型凝固微观组织**

基于母材和焊丝的化学成分，计算所得铬镍当量比（Cr_eq/Ni_eq）分别为1.65和1.59，在Schaeffler图上确认焊缝金属遵循铁素体-奥氏体（FA）凝固模式。冷却过程中的相变路径为：L → L + δ → L + δ + γ → δ + γ → γ，初生δ-铁素体先从液相析出，包晶和共晶反应促使γ-奥氏体沿δ-铁素体晶界和枝晶界形成，最终室温组织为γ-奥氏体基体上分布着板条状和骨架状残余δ-铁素体。焊缝顶部以等轴晶为主，而熔合线附近则为穿插板条状和骨架状δ-铁素体的柱状枝晶，HAZ中δ-铁素体沿奥氏体晶界析出，有效抑制了HAZ晶粒粗化并降低了液化裂纹敏感性。

**（二）工艺参数对焊缝熔深的影响**

极差分析表明，各工艺参数对熔深的影响显著性排序为：振荡幅度（R = 0.79）> 离焦距离（R = 0.71）> 激光功率 > 焊接速度 > 送丝速度 > 振荡频率。振荡幅度增大使激光能量横向分散，降低局部面功率密度从而减小熔深；离焦距离通过改变光斑半径直接调控入射功率密度；振荡频率对熔深影响最小，因其主要调节熔池搅拌动力学而不改变总热输入或空间覆盖。

**（三）工艺参数对焊缝稀释率的影响**

各因素对稀释率的影响显著性排序为：激光功率（R = 0.42）> 离焦距离（R = 0.37）> 振荡幅度 > 送丝速度 > 焊接速度 > 振荡频率。激光功率是稀释行为的主导因素，功率升高增强了母材的总能量耦合，增加了母材熔化量；离焦距离通过光斑尺寸变化重新分配激光能量沿深度和宽度方向；振荡幅度通过分散光束轨迹抑制稀释，但其基于时间平均的能量分散效果不如离焦距离显著；振荡频率对稀释率影响可忽略不计。

**（四）工艺参数对焊缝气孔率的影响**

各因素对气孔率的影响显著性排序为：振荡幅度（R = 0.39）> 离焦距离（R = 0.20）> 激光功率 > 送丝速度 > 振荡频率 > 焊接速度。振荡幅度是气孔率的主导控制参数，较大幅度通过扩大匙孔孔径抑制匙孔坍塌并减少由此产生的气孔，同时强烈的光束搅拌在液态熔体中诱导强制对流，加速气泡向熔池自由表面的浮力输运，拓宽的熔池延长了液态停留时间，为气泡在凝固前逸出提供了更宽的时间窗口。离焦距离增大使熔深减小、熔池深宽比降低，显著缩短了气泡逸出距离。激光功率升高虽略延长液态停留时间，但同时增加了匙孔坍塌风险，对整体气孔率仅有中等程度的净影响。焊接速度与气孔率的相关性最弱。

**（五）水下激光焊缝的微观组织演变机制**

在相同基准参数（激光功率1350 W，离焦距离+10 mm）下，振荡组（幅度1 mm，频率200 Hz）与非振荡组进行了对比表征。无振荡条件下，高度集中的激光能量和陡峭热梯度促使粗大单向柱状奥氏体枝晶形成，残余δ-铁素体呈蠕虫状或板条状析出，严重的元素微观偏析倾向于沿晶界形成连续的低熔点液膜，增加凝固裂纹敏感性。施加高频圆形振荡后，空间能量输入被均匀化，热梯度得到缓和，强烈的水动力强制对流剪切破碎连续柱状枝晶，缩短其长度并随机化晶体学取向，焊缝中心形成大量细小等轴晶，连续网状δ-铁素体转变为弥散分布的离散短棒状和岛状形态。EBSD定量分析证实，平均晶粒尺寸从32.37 μm降至21.52 μm，晶粒细化幅度达33.5%，实现了有力的柱状晶向等轴晶转变。两组焊缝均以高角度晶界（High-Angle Grain Boundaries, HAGBs）为主（占比76%），光束振荡促进了柱状晶破碎、晶界迁移及亚晶界向HAGBs的转化。

**（六）织构分析**

非振荡焊缝的γ-奥氏体{100}、{110}、{111}极图（Pole Figures, PFs）呈现严重织构集中，最大织构强度为3.14。施加圆形光束振荡后，最大织构强度降至2.96，原先集中的强极点分散为更随机化的空间分布。高频光束运动引起的周期性能量扰动和强制流体动力学持续打破准稳态凝固前沿，随机化奥氏体晶粒的生长轨迹，显著削弱了晶体学织构强度，增强了整体微观组织各向同性。

**五、总结与讨论**

本研究系统证实了光束振荡技术在水下局部干式激光焊接中的多重有益效应。振荡幅度被确认为调控熔深和气孔率的主导参数，离焦距离为次要因素；激光功率则是稀释率的主要控制因子。高频圆形振荡通过均匀化空间能量分布和诱导强制对流，实现了焊缝微观组织的显著细化与均匀化，有效抑制了气孔缺陷。研究人员将上述结果与已报道的不锈钢水下激光焊接研究进行了对比：Fu等人报道了304不锈钢水下激光焊缝中形成显著柱状晶，其晶粒尺寸分布与本研究非振荡焊缝相当；Landowski等人证明了振荡幅度显著降低熔深并改变熔池凝固模式，非振荡焊缝根部出现气孔而引入振荡后气孔消除，与本研究一致；Guo等人观察到3 mm厚304不锈钢水下激光焊缝中气孔形成严重劣化接头性能，Wu等人也报道了圆形光束振荡在大气条件下降低气孔率，进一步支持了本研究的发现。

**研究结论翻译**

（1）对于熔深，振荡幅度（R = 0.79）和离焦距离（R = 0.71）是主导因素。对于稀释率，激光功率（R = 0.42）和离焦距离（R = 0.37）影响最大。对于气孔率，振荡幅度（R = 0.39）和离焦距离（R = 0.20）是主要控制参数。

（2）在选定的振荡参数（激光功率1350 W，离焦距离+10 mm，振荡频率200 Hz，振荡幅度1 mm）下，平均晶粒尺寸降低了33.5%（从32.37 μm降至21.52 μm）。圆形光束振荡的实施有效抑制了缺陷形成并改善了水下激光焊缝的微观组织均匀性。

（3）引入振荡光束后，最大极图强度从3.14适度降至2.96，极点的空间分布变得更加分散。