由于接頭的顯微組織對焊縫接頭的力學(xué)性能的影響很大，而接頭的力學(xué)性能直接影響接頭的使用，所以需要對焊接接頭的顯微組織和力學(xué)性能進(jìn)行研究。浙江至德鋼業(yè)有限公司分別研究不同工藝參數組合下薄壁不銹鋼管焊縫表面和橫截面形貌，觀(guān)察接頭的顯微組織，測試不同參數下橫向焊縫試樣的拉伸性能，測試了接頭的顯微硬度分布，根據分析結果進(jìn)行工藝優(yōu)化。

  薄壁不銹鋼管焊接試驗中發(fā)現了兩種截然不同的焊縫橫截面，其宏觀(guān)結構如圖所示。兩種熔池形貌的焊縫區域的組織與母材的組織明顯不一樣，焊縫與母材之間有一條明顯的分界線(xiàn)，即熔合線(xiàn)。其中像一個(gè)很淺的U型形貌，熔池很淺，開(kāi)口處很寬，這是典型的傳導焊的熔池形貌；另一中焊縫橫截面整體就像一個(gè)杯子狀的漏斗，開(kāi)口處較大，中部和底部窄且深，這是典型的深熔焊的熔池形貌。從圖中可以看出，傳導焊所形成的熔池的顯微組織有明顯的分層現象，各層的顯微組織的有較大的差別，熔合線(xiàn)附件為粗大的柱狀晶，且柱狀晶是指向焊縫中心并垂直于熔合線(xiàn)生長(cháng)的；遠離熔合線(xiàn)的焊縫中部為排列無(wú)序的枝晶和部分等軸晶交錯存在；而焊縫中心為細小的等軸晶。從圖中還可以看出，不管是傳導焊還是深熔焊，其焊縫的顯微組織都有明顯的分層現象。這是由于脈沖激光焊接時(shí)，脈沖能量是間隔性的，前一個(gè)脈沖能量所形成的熔池金屬剛凝固或尚未完全凝固時(shí)，下一個(gè)脈沖能量就到了，會(huì )把前一個(gè)脈沖能量所形成的熔池重熔一部分，這樣在焊縫表面看起來(lái)一個(gè)焊點(diǎn)疊在另一個(gè)焊點(diǎn)上，而在橫截面上，就會(huì )形成分層現象。由于傳導焊時(shí)，所形成熔池的熔深太淺，不能有效的連接薄壁不銹鋼管，所以后續重點(diǎn)研究深熔焊的顯微組織及力學(xué)性能。

 首先利用100倍金相顯微鏡觀(guān)察整個(gè)接頭的表面形貌，如圖所示。從圖中可以看出，從焊縫表面看，整條焊縫有一個(gè)焊點(diǎn)一個(gè)焊點(diǎn)連接而成，當各焊點(diǎn)的重疊度超過(guò)50%時(shí)，就形成了一條連續合格的焊縫。焊縫的顯微組織和母材的顯微組織明顯不一樣，有一條明顯的分界線(xiàn)，即熔合線(xiàn)。再放大到500倍，觀(guān)察焊縫各個(gè)區域的顯微組織。如圖所示，分別為焊縫各區域的顯微組織圖。從圖中可以看出，焊縫邊界處為樹(shù)枝晶，這些樹(shù)枝晶依附于未熔化的母材晶粒向著(zhù)焊縫中心生長(cháng)，且其生長(cháng)方向垂直于熔合線(xiàn)。造成這種現象的原因是：液態(tài)熔池中，靠近母材的區域有許多未熔化的母材晶粒，熔池中的液態(tài)金屬可以依附于這些未熔化的母材晶粒上形核，這種形核方式也稱(chēng)為異質(zhì)形核。焊接過(guò)程中，作為晶核的母材晶粒是各向異性的，初始形核時(shí)，結晶位向是不同的，熔池邊界熔合線(xiàn)的方向正好和等溫線(xiàn)是一致，而垂直于等溫線(xiàn)的方向的溫度梯度最大，由于晶體的擇優(yōu)生長(cháng)，會(huì )優(yōu)先向溫度梯度最大的方向生長(cháng)，并淘汰其他取向不利的晶體，所以晶體在長(cháng)大的過(guò)程中會(huì )垂直于熔合線(xiàn)，這就形成了焊縫邊緣區域這種獨特的組織形貌。如圖所示，焊縫中心是細小的等軸晶。這是由于焊接過(guò)程中，焊縫中心區域的溫度都很高，其溫度梯度很小，在焊縫中心處形成了較寬的成分過(guò)冷區，整個(gè)焊縫中心幾乎是同時(shí)凝固的，液態(tài)金屬內部會(huì )自由形核，這些在液態(tài)金屬內部產(chǎn)生的晶粒四周不受阻礙，可以自由生長(cháng)，也就形成了雜亂無(wú)序的等軸晶。

 從焊縫表面的金相圖中可以看出，脈沖激光焊焊接不銹鋼時(shí)，從焊縫表面觀(guān)察，其金相組織有其典型的特點(diǎn)：宏觀(guān)上，整條焊縫是由一個(gè)一個(gè)的焊點(diǎn)重疊在一起形成的，焊縫中心為細小的等軸晶，焊縫邊沿為向著(zhù)焊縫中心并近似垂直于熔合線(xiàn)方向生長(cháng)的樹(shù)枝晶。首先在200倍顯微鏡下觀(guān)察焊縫半邊的橫截面圖。如圖所示。從圖中可以看出，焊縫的熱影響區非常小，且靠近熔合線(xiàn)的焊縫邊界處為樹(shù)枝晶，靠近焊縫中心的焊縫中部的枝晶開(kāi)始變小，也逐漸變得雜亂無(wú)序，還夾雜著(zhù)部分等軸晶，焊縫中心為等軸晶。再在500倍金相顯微鏡下觀(guān)察焊縫橫截面各個(gè)區域的顯微組織的形貌。如圖所示。從圖中可以看出，焊縫邊界為細長(cháng)的樹(shù)枝晶，且都是近似垂直與焊縫熔合線(xiàn)的；從圖中可以看出，在靠近焊縫中心的焊縫中部區域，有很多雜亂無(wú)序的枝晶；從圖中可以看出，焊縫中心為細小且排列無(wú)序的等軸晶。形成這種組織形貌的原因是：由于母材是未熔化狀態(tài)，而固態(tài)金屬的導熱率高，故焊縫邊界處溫度梯度大，結晶速度小，其成分過(guò)冷區小，原本是傾向于形成柱狀晶，但激光焊焊接熔池小，冷卻速度快，整個(gè)焊縫幾乎是同時(shí)冷卻，在焊縫邊界處，剛開(kāi)始結晶速度極快，后結晶速度減慢，這樣就容易形成樹(shù)枝晶；在很短的時(shí)間內，隨著(zhù)凝固的進(jìn)行，固液界面向焊縫中心推進(jìn)，溫度梯度不斷減小，結晶速度不斷增大，使其成分過(guò)冷區逐漸增大，所以靠近焊縫中心的焊縫中部的枝晶開(kāi)始減小，并逐漸變得雜亂無(wú)序；固液界面推進(jìn)到焊縫中心時(shí)，其溫度梯度已經(jīng)非常小，液相中的成分過(guò)冷區非常大，整個(gè)焊縫中心幾乎是同時(shí)凝固的，這時(shí)，液相內部會(huì )生核，生成新的晶粒，在焊縫中心處形成等軸晶。

 綜上所述，從焊縫的宏觀(guān)結構圖可以看出，脈沖激光焊接薄壁不銹鋼管時(shí)，存在深熔焊和傳導焊兩種焊接模式，所形成的熔池形貌截然不同。深熔焊的焊縫橫截面整體就像一個(gè)杯子狀的漏斗，開(kāi)口處較大，中部和底部窄且深，而傳導焊的焊縫橫截面像一個(gè)很淺的U型形貌，熔池很淺，開(kāi)口處很寬。從放大的焊縫區域的顯微組織圖中可以看出，脈沖激光焊接不銹鋼薄板時(shí)，焊縫顯微組織一般都有明顯的分層現象。深熔焊時(shí)，靠近熔合線(xiàn)的區域為細長(cháng)的樹(shù)枝晶，這些樹(shù)枝晶均是向著(zhù)焊縫表面指向焊縫中心，遠離熔合線(xiàn)的焊縫中部為排列的枝晶，焊縫中心為細小的雜亂無(wú)序的等軸晶。