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65Mn鋼激光焊接組織與硬度研究

65Mn鋼激光焊接組織與硬度研究

摘要:

研究了65Mn鋼激光焊接后微觀組織和硬度的變化,結(jié)果表明:焊接質(zhì)量良好,焊縫區(qū)組織由中心到邊緣依次生成細小等軸晶、枝狀晶、胞狀晶。熱影響區(qū)組織主要是針狀馬氏體、貝氏體以及少量鐵素體。焊接接頭主要由細小的α—Fe及Fe3C、FeSi等相組成。焊縫區(qū)平均硬度為HV710,熱影響區(qū)硬度最高值約為HV770,從熱影響區(qū)到基材硬度明顯下降。

65Mn鋼作為常用機器零件鋼,廣泛應用于機械、交通等部門。在做傳統(tǒng)焊接時,由于65Mn的含碳量過高,有著難以克服的局限性,如熱影響區(qū)大,熱脆形性嚴重,而難以滿足需求,與傳統(tǒng)焊接方法相比,激光焊接具有深寬比大、焊縫窄、焊縫結(jié)合強度高、熱影響區(qū)小、焊接變形小及對周圍組織無影響等特點而得到廣泛應用[1],目前,有關(guān)65Mn鋼激光焊接的研究很少,本文對65Mn鋼進行了CO2激光深熔焊的實驗研究,重點分析了65Mn鋼激光焊接后焊縫及熱影響區(qū)的組織和硬度變化,為將來65Mn鋼激光焊接的應用提供理論指導。 

1 實驗材料及試驗方法 

1.1 實驗材料     取退火狀態(tài)下的65Mn鋼棒料,其成分如表1所示。 

1.2 試驗方法

表1 基材的化學成分(質(zhì)量百分比%) 

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試樣采用鉬絲線切割成厚度為1mm,半徑為12.5mm半圓柱狀,使用前用400金相砂紙打磨表面,再用丙酮清洗備用。激光焊接試驗采用TJ—HL—T5000型5kW CO2激光器,,光斑尺寸為3mm,焦距320mm, 焊縫長度為25mm,采用Ar氣作為保護氣體。用GX51型奧林巴斯金相顯微鏡進行顯微組織觀察和拍照,用D/Max-2200型全自動X射線衍射儀進行物相分析,用HV-1000顯微硬度計進行顯微硬度測試,載荷砝碼200g,加載時間20s。對25個焊接試樣進行焊后觀察,找出焊縫成形好,接頭狹窄,變形小,焊接焊縫筆直、光滑、均勻連續(xù)的三個最好試樣進行分析,工藝如表2。

表2 激光焊接工藝參數(shù) 

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2 實驗結(jié)果分析 

圖1為焊縫中心→近中心區(qū)→邊緣區(qū)的組織分布,由圖1(a)可以看出,焊縫中心主要為等軸晶分布,近中心區(qū)為胞狀晶與樹枝晶的混合組織。由圖1(b)可知,在靠近熱影響區(qū)的邊緣區(qū)為少量的胞狀晶。

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(a)焊縫區(qū) 100× (b)焊縫與熱影響區(qū) 500× 
圖1 焊縫中心區(qū)與結(jié)合區(qū)的組織

在進行激光焊接時,激光束與基材作用時間短,當光束移開后,熔池金屬迅速冷卻,然后快速凝固。在靠近熔池邊緣,由于與母材接觸,液態(tài)金屬的結(jié)晶速度比熔池中心大,這樣使焊縫金屬生成胞狀晶。在近中心區(qū),由于溫度梯度沒有邊緣區(qū)高,成份過冷度大,導致該區(qū)焊縫金屬多數(shù)按樹枝晶長大。而在焊縫中心區(qū)域,熔池金屬溫度梯度很小,熔池中未熔化的懸浮質(zhì)點為非自發(fā)形核的現(xiàn)成凝固表面,這些晶粒不受其他散熱條件的影響,可以自由生長,促使焊縫形成等軸晶[2-5]。 

2.2熱影響區(qū)金相組織

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圖2 熱影響區(qū)的組織 500×

圖2為焊接熱影響區(qū)組織,由圖2(a)可見:焊接的熱影響區(qū)粗晶區(qū)主要是由針狀馬氏體組成,這是由于在靠近熔合線附近,溫度在1350 oC,奧氏體晶粒明顯長大,快速冷卻后轉(zhuǎn)變成了粗大的高碳針狀馬氏體。

由圖2(b)可見,相變重合區(qū)主要是由較為細小的針狀馬氏體組成,這是因為,在這個區(qū)域,焊接時的溫度在950 oC,奧氏體晶粒來不及長大,冷卻速度沒有熔合線附近快,冷卻后轉(zhuǎn)變成為細小的針狀馬氏體+鐵素體+下貝氏體組織。 

在相變不完全重合區(qū),由于峰值溫度在800 oC,而且Ac1以上時間短,只有部分組織奧氏體化,冷卻后轉(zhuǎn)變?yōu)榧毿♂槧铖R氏體+鐵素體+上貝氏體+下貝氏體組織,如圖2(c)所示。 

2.3 ΧRD衍射分析 

圖3為3號試樣的XRD衍射圖譜。由衍射結(jié)果可以看出,焊接接頭相組成除了基體相α—Fe外,還有Fe3C、FeSi等相。由于α—Fe的硬度較低,而Fe3C和FeSi的硬度比較高,這些相的存在,可以保證焊接區(qū)有良好的強韌性配合。

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圖3 焊接接頭的 ΧRD衍射結(jié)果

2.4 顯微硬度分析

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圖4 焊接接頭的顯微硬度曲線

三種焊接工藝的焊縫接頭的硬度分布曲線從圖4可以看出其硬度分布曲線的走向成三個明顯的區(qū)域:一是中間突起的平臺區(qū)域,這是焊縫區(qū)域,平均硬度為HV710,其硬度值要明顯高于其他區(qū)域;二是從平臺區(qū)域往兩邊各有一個斜率較大的坡度,說明硬度值在這個區(qū)域有一個明顯的銳減,這部分是焊接熱影響區(qū),從上面的組織分析可以看出這部分還是有馬氏體和貝氏體存在.所以硬度值還是比較高的;第三區(qū)又是一個硬度平臺,這是基材組織,平均硬度為HV230左右。 

3 小結(jié) 

(1) 65Mn鋼經(jīng)激光焊接后,焊接區(qū)的組織發(fā)生了較大的變化,焊縫區(qū)組織依次為細小等軸晶→枝狀晶→胞狀晶。熱影響區(qū)粗晶區(qū)為粗大的針狀馬氏體,相變重合區(qū)為細小針狀馬氏體+鐵素體+下貝氏體,不完全相變重合區(qū)為針狀馬氏體+鐵素體+上貝氏體+下貝氏體組織。

(2)焊接接頭的基體相為α—Fe,其上分布有結(jié)晶析出的Fe3C、FeSi等相。 

(3)焊接接頭的硬度分布規(guī)律為:焊縫區(qū)域平均硬度最大,平均為HV710,在焊縫與熱影響結(jié)合區(qū)達到最高值為HV770,從熱影響區(qū)到基材硬度明顯下降。 


參考文獻 
[1] 劉其斌. 激光加工技術(shù)及其應用[M].北京:冶金工業(yè)出版社 2007. 
[2] 崔忠圻.金屬學與熱處理.北京:機械工業(yè)出版社 2000. 
[3] 張永康. 激光加工技術(shù)[M].北京:化學工業(yè)出版社 2004. 
[4] 王紅英,李志軍 AZ61鎂合金激光焊接接頭的組織與性能[J] 中國有色金屬學報,2006,16(8):1388-1392. 
[5] 李亞江. 焊接組織性能與質(zhì)量控制[M].北京:化學工業(yè)出版社 2004.


(end)


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