奥氏体不锈钢具有良好的塑性、耐腐蚀性以及易加工成型性,在工程结构、医疗器械、厨房用具、纺织工业、石油工业、原子能等许多领域中得到了广泛应用。在实际应用中奥氏体不锈钢大多作为焊接结构件使用,对厚度小于0.5mm的超薄不锈钢进行焊接时,易出现焊件变形、烧穿等缺陷。针对超薄不锈钢在焊接过程中存在的主要问题,本文采用焊接热输入小、热影响区窄、焊接变形小、焊缝净化效应好的脉冲激光焊方法,对厚度为0.15mm和0.1mm的两种321奥氏体不锈钢薄板分别进行焊接。首先采用MSC.Marc有限元分析软件对激光焊接过程进行数值模拟,然后依据模拟分析结果优化确定不锈钢薄板(厚度0.15mm)激光对接焊工艺参数;采用正交试验的方法优化确定不锈钢薄板(厚度0.1mm)激光搭接焊工艺。文中对不同工艺条件下获得接头的微观组织及力学性能进行了系统的分析测试。激光焊接数值模拟分析结果表明,等温线分布呈椭圆形,在移动热源的前方等温线较密集,温度梯度较大。热源后方的等温线较稀疏,温度梯度较小。与焊缝中心不同距离节点处的峰值温度不同,焊缝中心的峰值温度最高,离焊缝中心的距离越远,峰值温度越低。随着脉冲能量的增大,焊缝所能达到的最高温度逐渐升高,焊缝熔宽增大,垂直焊缝方向的横向残余拉应力逐渐增大。随着焊接速度的增大,焊缝所能达到的最高温度逐渐降低,熔宽减小,垂直焊缝方向的残余应力逐渐增大。对接接头微观组织分析显示,焊缝区组织根据热输入的不同,晶粒形态发生变化,当热输入较高时,焊缝中心及熔合区组织均为柱状晶,当热输入较低时,焊缝中心为等轴晶,熔合区为柱状晶。对焊接热循环曲线与接头微观组织之间的关系进行分析表明,焊接热循环对焊缝的微观组织具有较大影响。随着离焊缝中心的距离逐渐增大,焊缝冷却速率逐渐减小,δ铁素体的含量逐渐降低。接头焊缝XRD相结构分析显示,焊缝组织由奥氏体与铁素体两相组成。对接接头拉伸试验结果表明,当激光焊接参数为E=1.4J,v=6mm/s时,接头焊缝的抗拉强度为541MPa,达到母材强度的86%。接头拉伸断口SEM分析显示,接头拉伸断裂方式为韧性断裂。接头区域显微硬度测试表明,硬度值在熔合线附近最高,熔合线附近的硬度值约为222HV。焊缝组织中的δ铁素体含量对焊缝硬度具有一定影响,从焊缝中心到热影响区,焊接时的冷却速率逐渐减小,使得δ铁素体的含量逐渐减少,使得焊缝硬度与熔合线附近的硬度相比有所降低。通过正交试验得到的激光搭接焊最优工艺参数为:焊接速度0.5m/min,激光功率150W,离焦量+2 mm,获得接头的焊缝表面成形良好。接头金相组织观察显示,焊缝与母材之间存在明显的分界线,焊缝边缘为柱状晶,焊缝中心为等轴晶,热影响区很窄,接头中未见有裂纹和气孔等焊接缺陷。XRD相结构分析表明,焊缝主要由奥氏体相与少量的铁素体相组成。搭接接头拉伸剪切测试结果表明,在最优工艺参数下获得接头的剪切载荷最大,达到母材拉伸力的94%。接头区域显微硬度测试表明,熔合线附近的硬度值最高,焊缝中心次之,母材区最低。SEM形貌分析表明,接头拉伸剪切断口呈明显的韧性断裂特征。