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摘 要：316L奥氏体不锈钢作为用途广泛的钢材，已经成为航天航空、换热器及医疗器械生产的主要材料之一，316L不锈钢具有良好的力学性能和耐腐蚀性，低廉的价格， 已经成为最常用的医用金属材料。目前广泛用于人工关节、骨折接合用夹板、人工心脏瓣膜等植入假体的制作在介入医疗器械中经常用到316L不锈钢薄板和细丝。
第一章
激光焊接具有能量密度高、热量比较集中的特点，容易实现快速焊接，能够较好地控制焊缝成形和焊接变形，是焊接316L奥氏体不锈钢薄板最理想的焊接方法。
316L奥氏体不锈钢热导率低、线膨胀系数大，无磁性;抗拉强度z550N/mm2，屈服强度z480N/mm2。试验材料为316L不锈钢薄板，试件尺寸为100 mm×50 mm×1 mm，焊接前去除工件表面的氧化层及杂质，用酒精或丙酮擦拭干净; 试验过程中将两块试板叠放在一起，采用端焊缝焊接，采用正交试验方法进行工艺研究，因试验材料是薄板，试验过程中只采用正离焦方式， 试验结果表明，焊缝熔深随着激光功率的增大而增加，激光功率900 W时焊缝表面只有薄薄的一层焊缝，熔深很小，焊缝强度不高; 激光功率大于2 600 W时焊缝表面能量太高，焊缝成形不美观，过烧严重，颜色发灰。当焊接工艺参数为功率1 800 W，焊接速度0.026 m/s，离焦量7 mm，保护气体氩气、气体流量10 L/min时焊接质量最佳。试验结果表明，熔深随着离焦量的增大而减小，当离焦量大于8 mm时熔深下降明显， 这是因为离焦量过大时，激光能量因聚焦程度不够而发生分散，焊接线能量下降明显，导致熔深下降。同时随着离焦量的加大，保护气体对焊缝的保护效果变差。保护气体为Ar、He 和N2。焊缝熔深随着气体流量的增加而增大，当气体流量超过8 L/min时，焊缝的熔深都在1 mm以上，超过了母材厚度，同时熔深增加速度趋于平缓。
薄板激光焊时在焊缝起焊和收尾处均易出现半椭圆形缺口，它与聚焦光斑的尺寸及焊接速度有着密切的关系。试验结果表明，提高焊接速度，有利于减小缺口尺寸。但对于脉冲激光焊，提高焊接速度，单个焊点之间的重叠率就会降低，这样很容易出现焊接缺陷。所以在提高焊接速度的同时必须提高脉冲频率，从而提高单个焊点之间的重叠率，保证焊接质量。TzengY F认为产生连续的全熔透的焊缝，重叠率至少应该大于50%，因此，脉冲激光焊的、光斑直径应遵循下式0<v <D，2TF-T P式中：v表示焊接速度;D表示光斑直径;TF表示单个脉冲的间隔时间（脉冲频率=1T F）;。
接头的显微组织特征，焊缝组织由中心部位细小的等轴晶和边缘细小的柱状晶组成。在等轴晶和柱状晶的交界处，局部出现明显的分界线，同时发现焊接热影响区非常窄，几乎看不到。脉冲激光焊接焊缝及母材组织（a为焊缝中心等轴晶区;b为焊缝边缘柱状晶区;c为母材）
从表中数据可以看出，焊缝中心等轴晶的合金元素含量较边缘柱状晶合金元素含量少，因而中心部位的过冷度相对较大，也有利于等轴晶的形成。在焊缝中没有发现铁素体，这与激光焊时熔池高的冷却速率及合金元素含量有关。
接头的力学性能，焊缝的硬度较母材的硬度高，焊缝边缘细小柱状晶的硬度比焊缝中心细小等轴晶的硬度高，这与组织观察的结果和电子探针分析结果是一致的。但测试结果表明，母材的抗拉强度为778MPa，焊缝的抗拉强度为739MPa，可达到母材的95% ;母材的伸长率为14%，焊缝的伸长率为12%，可达到母材的85%。
第二章
脉冲激光焊作为一种精密的连接方法， 采用动电位极化的方法测试了316L和304奥氏体不锈钢及其激光对接焊缝的耐腐蚀性能，并分析了焊缝耐腐蚀性提高的原因。结果表明，在室温3.5%NaCl溶液中，焊缝及母材的腐蚀均以点腐蚀为主，且点蚀基本在晶界处萌生，焊缝的耐腐蚀性相对母材有了明显的提高;激光焊缝组织的晶粒尺寸较母材明显细化，相成分以奥氏体为主，有明顯的择优生长取向，且奥氏体含量相对母材有所增加，这种相结构特征的变化是焊缝耐腐蚀性提高的主要原因。激光焊接的材料选用316L和304奥氏体不锈钢板， 板材厚度为2 mm， 接头形式为对接，焊接前对板材进行打磨处理， 去除毛刺， 并用丙酮清洗保持洁净， 以保证板材可以紧密对接。焊接功率为3.5 k W， 焊接速度为3 m/min， 离焦量为-2 mm， 对应的光斑直径为0.136 mm。母材及焊缝局部的电化学腐蚀试样尺寸为10 mm×0.8 mm， 为了宏观对比焊缝与母材的电化学腐蚀性能， 还制备了同时含有母材及焊缝的焊区试样， 尺寸为10 mm×5 mm。将制备的试样作为工作电极进行电化学实验， 测定动电位极化曲线。组织结构观察采用XL30 S-FEG扫描电镜。腐蚀形貌观察采用XJP-6A光学金相显微镜。XRD分析采用D8 Advance多晶X射线衍射仪， 靶材料为铜靶。动电位极化曲线的测定采用传统的三电极体系， 在Zennium电化学工作站上进行，工作电极为制备的试样， 参比电极为饱和甘汞电极， 辅助电极为铂电极 （面积为3 cm2） 。动电位极化的电位测试范围为-1～1.5 V， 扫描速度为10 m V/s， 腐蚀介质采用室温3.5%Na Cl盐溶液。
经过电化学腐蚀后， 304母材区域出现大量的点蚀深坑， 被明显腐蚀;316L母材由于Mo元素的添加腐蚀情况相对于304较轻;而焊缝区域则只有一些很小的点蚀斑， 并没有形成明显的点蚀深坑。从腐蚀形貌也可以看出， 在3.5%Na Cl盐溶液中激光焊缝的电化学腐蚀性能明显优于母材。焊缝及母材的电化学点蚀萌生位置主要分布在晶界附近， 激光焊接热输入量小， 功率密度大， 冷却速度快， 这种工艺特点决定了激光焊缝的微观组织为典型的非平衡凝固组织由于凝固时间很短， XRD的实验结果表明， 大量高温奥氏体相被保留至常温， 焊缝区的相成分相对母材明显奥氏体化， 且具有明显的择优生长取向。
316 L与304奥氏体不锈钢激光焊缝的微观组织与母材相比， 晶粒明显细化， 焊缝区域的奥氏体含量增加， 铁素体含量降低， 相成分以奥氏体为主; 点蚀基本在晶界处萌生;电化学腐蚀后母材表面的点蚀现象严重， 而焊缝由于激光焊接特殊的工艺过程， 显微偏析程度降低， 焊缝化学成分均质化， 耐腐蚀性得到明显提高， 表面没有出现明显的点蚀坑; 在室温3.5%Na Cl盐溶液中， 316 L与304奥氏体不锈钢激光焊缝与母材相比具有更高的自腐蚀电位和更小的自腐蚀电流密度， 激光焊缝的电化学腐蚀性能相对母材有了明显的提高。
参考文献：
[1]李亚江， 王娟， 刘鹏.异种难焊材料的焊接及应用[M].北京：化学工业出版社， 2004.
[2]异种不锈钢激光焊接相结构变化对腐蚀特性的影响，姚星段红平李光夏原，中国科学院力学研究所中国科学院研究生院。
[3]李长义， 杨贤金， 张连云， 等.激光焊接齿科CoCr-NiCr异种合金组织结构研究[J].材料热处理学报， 2007
[4]陈玉华， 柯黎明， 徐世龙， 等.超薄不锈钢片微激光焊接的焊缝成形[J].金属热处理， 2008
[5]曹楚南.腐蚀电化学原理[M].北京：化学工业出版社， 2008.
第一章
激光焊接具有能量密度高、热量比较集中的特点，容易实现快速焊接，能够较好地控制焊缝成形和焊接变形，是焊接316L奥氏体不锈钢薄板最理想的焊接方法。
316L奥氏体不锈钢热导率低、线膨胀系数大，无磁性;抗拉强度z550N/mm2，屈服强度z480N/mm2。试验材料为316L不锈钢薄板，试件尺寸为100 mm×50 mm×1 mm，焊接前去除工件表面的氧化层及杂质，用酒精或丙酮擦拭干净; 试验过程中将两块试板叠放在一起，采用端焊缝焊接，采用正交试验方法进行工艺研究，因试验材料是薄板，试验过程中只采用正离焦方式， 试验结果表明，焊缝熔深随着激光功率的增大而增加，激光功率900 W时焊缝表面只有薄薄的一层焊缝，熔深很小，焊缝强度不高; 激光功率大于2 600 W时焊缝表面能量太高，焊缝成形不美观，过烧严重，颜色发灰。当焊接工艺参数为功率1 800 W，焊接速度0.026 m/s，离焦量7 mm，保护气体氩气、气体流量10 L/min时焊接质量最佳。试验结果表明，熔深随着离焦量的增大而减小，当离焦量大于8 mm时熔深下降明显， 这是因为离焦量过大时，激光能量因聚焦程度不够而发生分散，焊接线能量下降明显，导致熔深下降。同时随着离焦量的加大，保护气体对焊缝的保护效果变差。保护气体为Ar、He 和N2。焊缝熔深随着气体流量的增加而增大，当气体流量超过8 L/min时，焊缝的熔深都在1 mm以上，超过了母材厚度，同时熔深增加速度趋于平缓。
薄板激光焊时在焊缝起焊和收尾处均易出现半椭圆形缺口，它与聚焦光斑的尺寸及焊接速度有着密切的关系。试验结果表明，提高焊接速度，有利于减小缺口尺寸。但对于脉冲激光焊，提高焊接速度，单个焊点之间的重叠率就会降低，这样很容易出现焊接缺陷。所以在提高焊接速度的同时必须提高脉冲频率，从而提高单个焊点之间的重叠率，保证焊接质量。TzengY F认为产生连续的全熔透的焊缝，重叠率至少应该大于50%，因此，脉冲激光焊的、光斑直径应遵循下式0<v <D，2TF-T P式中：v表示焊接速度;D表示光斑直径;TF表示单个脉冲的间隔时间（脉冲频率=1T F）;。
接头的显微组织特征，焊缝组织由中心部位细小的等轴晶和边缘细小的柱状晶组成。在等轴晶和柱状晶的交界处，局部出现明显的分界线，同时发现焊接热影响区非常窄，几乎看不到。脉冲激光焊接焊缝及母材组织（a为焊缝中心等轴晶区;b为焊缝边缘柱状晶区;c为母材）
从表中数据可以看出，焊缝中心等轴晶的合金元素含量较边缘柱状晶合金元素含量少，因而中心部位的过冷度相对较大，也有利于等轴晶的形成。在焊缝中没有发现铁素体，这与激光焊时熔池高的冷却速率及合金元素含量有关。
接头的力学性能，焊缝的硬度较母材的硬度高，焊缝边缘细小柱状晶的硬度比焊缝中心细小等轴晶的硬度高，这与组织观察的结果和电子探针分析结果是一致的。但测试结果表明，母材的抗拉强度为778MPa，焊缝的抗拉强度为739MPa，可达到母材的95% ;母材的伸长率为14%，焊缝的伸长率为12%，可达到母材的85%。
第二章
脉冲激光焊作为一种精密的连接方法， 采用动电位极化的方法测试了316L和304奥氏体不锈钢及其激光对接焊缝的耐腐蚀性能，并分析了焊缝耐腐蚀性提高的原因。结果表明，在室温3.5%NaCl溶液中，焊缝及母材的腐蚀均以点腐蚀为主，且点蚀基本在晶界处萌生，焊缝的耐腐蚀性相对母材有了明显的提高;激光焊缝组织的晶粒尺寸较母材明显细化，相成分以奥氏体为主，有明顯的择优生长取向，且奥氏体含量相对母材有所增加，这种相结构特征的变化是焊缝耐腐蚀性提高的主要原因。激光焊接的材料选用316L和304奥氏体不锈钢板， 板材厚度为2 mm， 接头形式为对接，焊接前对板材进行打磨处理， 去除毛刺， 并用丙酮清洗保持洁净， 以保证板材可以紧密对接。焊接功率为3.5 k W， 焊接速度为3 m/min， 离焦量为-2 mm， 对应的光斑直径为0.136 mm。母材及焊缝局部的电化学腐蚀试样尺寸为10 mm×0.8 mm， 为了宏观对比焊缝与母材的电化学腐蚀性能， 还制备了同时含有母材及焊缝的焊区试样， 尺寸为10 mm×5 mm。将制备的试样作为工作电极进行电化学实验， 测定动电位极化曲线。组织结构观察采用XL30 S-FEG扫描电镜。腐蚀形貌观察采用XJP-6A光学金相显微镜。XRD分析采用D8 Advance多晶X射线衍射仪， 靶材料为铜靶。动电位极化曲线的测定采用传统的三电极体系， 在Zennium电化学工作站上进行，工作电极为制备的试样， 参比电极为饱和甘汞电极， 辅助电极为铂电极 （面积为3 cm2） 。动电位极化的电位测试范围为-1～1.5 V， 扫描速度为10 m V/s， 腐蚀介质采用室温3.5%Na Cl盐溶液。
经过电化学腐蚀后， 304母材区域出现大量的点蚀深坑， 被明显腐蚀;316L母材由于Mo元素的添加腐蚀情况相对于304较轻;而焊缝区域则只有一些很小的点蚀斑， 并没有形成明显的点蚀深坑。从腐蚀形貌也可以看出， 在3.5%Na Cl盐溶液中激光焊缝的电化学腐蚀性能明显优于母材。焊缝及母材的电化学点蚀萌生位置主要分布在晶界附近， 激光焊接热输入量小， 功率密度大， 冷却速度快， 这种工艺特点决定了激光焊缝的微观组织为典型的非平衡凝固组织由于凝固时间很短， XRD的实验结果表明， 大量高温奥氏体相被保留至常温， 焊缝区的相成分相对母材明显奥氏体化， 且具有明显的择优生长取向。
316 L与304奥氏体不锈钢激光焊缝的微观组织与母材相比， 晶粒明显细化， 焊缝区域的奥氏体含量增加， 铁素体含量降低， 相成分以奥氏体为主; 点蚀基本在晶界处萌生;电化学腐蚀后母材表面的点蚀现象严重， 而焊缝由于激光焊接特殊的工艺过程， 显微偏析程度降低， 焊缝化学成分均质化， 耐腐蚀性得到明显提高， 表面没有出现明显的点蚀坑; 在室温3.5%Na Cl盐溶液中， 316 L与304奥氏体不锈钢激光焊缝与母材相比具有更高的自腐蚀电位和更小的自腐蚀电流密度， 激光焊缝的电化学腐蚀性能相对母材有了明显的提高。
参考文献：
[1]李亚江， 王娟， 刘鹏.异种难焊材料的焊接及应用[M].北京：化学工业出版社， 2004.
[2]异种不锈钢激光焊接相结构变化对腐蚀特性的影响，姚星段红平李光夏原，中国科学院力学研究所中国科学院研究生院。
[3]李长义， 杨贤金， 张连云， 等.激光焊接齿科CoCr-NiCr异种合金组织结构研究[J].材料热处理学报， 2007
[4]陈玉华， 柯黎明， 徐世龙， 等.超薄不锈钢片微激光焊接的焊缝成形[J].金属热处理， 2008
[5]曹楚南.腐蚀电化学原理[M].北京：化学工业出版社， 2008.