UNS S32507双相不锈钢GTAW与LBW焊接残余应力及微观结构的建模与实验对比研究

本研究针对UNS S32507双相不锈钢焊接过程中残余应力与微观结构调控难题，通过对比气体保护钨极电弧焊(GTAW)和激光束焊(LBW)工艺，结合有限元热分析(Gaussian热源模型)与X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)等实验验证，揭示了LBW工艺因局部高温(2436°C)和快速冷却(>103 K/s)特性，可降低33%残余应力(168 MPa)并提升7.5%抗拉强度(855 MPa)，为高精度焊接提供了量化依据。

　　

双相不锈钢(UNS S32507)因其优异的耐腐蚀性和机械强度，在石油化工、海洋工程等领域应用广泛。然而焊接过程中产生的残余应力和微观组织变化，直接影响构件寿命和安全性。传统气体保护钨极电弧焊(GTAW)存在热影响区(HAZ)宽、冷却速率慢等问题，而新兴激光束焊(LBW)技术虽具潜力，但缺乏系统性的工艺对比数据。印度海得拉巴Marri Laxman Reddy理工学院的研究团队在《Journal of Materials Research and Technology》发表研究，通过多尺度分析揭示了两种焊接工艺的量化差异。

研究采用三维有限元热分析(SOLID70单元)模拟移动高斯热源，结合XRD残余应力测量、SEM/EDX微观表征和拉伸测试。实验选用5mm厚UNS S32507板材，GTAW采用ERNiCrMo-3焊丝(140A)，LBW使用3.5kW CO₂激光，通过控制焊接速度(1.5m/min)实现工艺对比。

温度分布

GTAW产生1968°C峰值温度，HAZ宽度达1680°C等温区，冷却缓慢；LBW实现2436°C高温但热影响区仅1480°C，冷却速率超10³ K/s。有限元模拟显示LBW等温线更密集，验证其能量集中特性。

微观结构

SEM显示GTAW焊缝为粗大枝晶(图7)，LBW形成细柱状晶(图8)。EDX证实LBW界面元素梯度更陡，HAZ宽度减少50%。

残余应力

XRD测量显示GTAW横向残余应力达253MPa，LBW仅168MPa(图11a)，二者均低于基材屈服强度(550MPa)，安全系数2.5。

力学性能

拉伸测试表明LBW接头抗拉强度(855MPa)显著高于GTAW(795MPa)，断裂位置分析显示LBW失效发生于母材区，反映焊缝强化效果(图11c)。

该研究首次建立GTAW与LBW工艺在UNS S32507焊接中的全参数对比体系，证实LBW通过快速冷却(<10³ K/s)可同步实现残余应力降低33%和强度提升7.5%。G.Surya Prakash Rao团队提出的"热输入-微观组织-力学性能"关联模型，为航空航天、深海装备等高端领域焊接工艺选择提供了理论依据。研究特别指出，虽然LBW设备成本较高，但其在关键构件焊接中的性能优势，可显著延长设备服役寿命，具有重要工程应用价值。