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        熱輸入對激光焊接800 MPa級微合金化碳錳鋼接頭顯微組織和力學(xué)性能的影響

        2019-01-02 07:09:02,
        機(jī)械工程材料 2018年12期
        關(guān)鍵詞:晶區(qū)板條鐵素體

        ,

        (1.四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,成都 610031; 2.安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,馬鞍山 243002)

        0 引 言

        800 MPa級微合金化碳錳鋼是一種應(yīng)用較廣的高層建筑用鋼,具有易焊接、抗震性好、力學(xué)性能良好等優(yōu)點(diǎn)。該微合金化碳錳鋼在使用時(shí)需要通過焊接來連接,如果焊接工藝選取不當(dāng)或者焊接工藝參數(shù)控制不好,會(huì)極大地影響焊接件的綜合力學(xué)性能,從而對整體結(jié)構(gòu)安全造成隱患[1]。雖然采用常規(guī)電弧焊、等離子焊等方法焊接微合金化鋼具有生產(chǎn)成本低、操作方便等優(yōu)點(diǎn),但是熱影響區(qū)會(huì)產(chǎn)生軟化、晶粒顯著粗化等問題,難以獲得高質(zhì)量焊接接頭。激光焊接具有熱輸入小、加熱冷卻速率快以及熱影響區(qū)窄等優(yōu)勢[2],可以有效解決上述問題。在激光焊接過程中,熱輸入是影響激光焊接接頭組織與性能的重要技術(shù)參數(shù),通過調(diào)整焊接速度可以實(shí)現(xiàn)對熱輸入的控制。對800 MPa級微合金化碳錳鋼而言,當(dāng)焊接速度小于2 cm·s-1或者大于3 cm·s-1時(shí),激光焊接接頭的成形質(zhì)量較差[3],因此將焊接速度控制在2~3 cm·s-1(對應(yīng)熱輸入為1.27~1.90 kJ·cm-1)范圍內(nèi)進(jìn)行研究。作者在1.27,1.52,1.90 kJ·cm-1熱輸入下分別對800 MPa級微合金化碳錳鋼板進(jìn)行了激光對接焊,研究了熱輸入對焊接接頭顯微組織和力學(xué)性能的影響,為激光焊接工藝在微合金化鋼中的推廣應(yīng)用提供參考。

        1 試樣制備與試驗(yàn)方法

        1.1 試樣制備

        母材為800 MPa級微合金化碳錳鋼板(厚度5 mm),由唐山鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司生產(chǎn);焊接材料為ER80-G焊絲,直徑1.4 mm,市售。母材和焊絲的化學(xué)成分如表1所示。根據(jù)國際焊接學(xué)會(huì)(IIW)推薦的碳當(dāng)量計(jì)算公式計(jì)算得到試驗(yàn)鋼板和焊絲的碳當(dāng)量分別為0.44和0.54。

        表1 試驗(yàn)鋼板和焊絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of tested steel plate and welding wire (mass) %

        應(yīng)用線切割方法將鋼板加工成尺寸為120 mm×75 mm×5 mm的試樣,經(jīng)打磨、清洗、吹干后,采用JKY/315009型高功率光纖激光器對120 mm長邊進(jìn)行對接焊(間隙為0 mm,無坡口),激光功率3.8 kW,離焦量為-2 mm,焊接速度分別為2.0,2.5,3.0 cm·s-1,對應(yīng)的熱輸入為1.90,1.52,1.27 kJ·cm-1,保護(hù)氣為純度99.99%的高純氬氣,流量為22 L·min-1。

        1.2 試驗(yàn)方法

        在焊接接頭焊縫區(qū)取金相試樣,在砂紙上逐級打磨,經(jīng)拋光機(jī)拋光后,用4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液腐蝕,在SU5000型高新熱場式場發(fā)射掃描電鏡(SEM)上觀察顯微組織。使用Wilson402MVD型顯微維氏硬度計(jì)測試顯微硬度,載荷2.94 N,保載時(shí)間10 s,以焊縫為中心向兩側(cè)母材,每隔0.2 mm取點(diǎn)測試。根據(jù)GB/T 228.1-2010,在Instron 5965型萬能拉伸機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn),拉伸速度為3 mm·min-1,拉伸試樣的尺寸見圖1(a),厚度為 3 mm,標(biāo)距為30 mm。根據(jù)GB/T 229-2007,在Instron ceast 9000系列擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行-40 ℃沖擊試驗(yàn),沖擊試樣的尺寸見圖1(b),開V型缺口,缺口分別位于母材和焊縫,缺口深度2 mm。用SU5000型高新熱場式場發(fā)射掃描電鏡觀察沖擊斷口形貌。

        圖1 拉伸和沖擊試樣的形狀和尺寸Fig.1 Shapes and dimensions of tensile and impact specimens

        2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

        2.1 宏觀形貌

        由圖2可見:在不同熱輸入下,焊接接頭上下表面均較為平整,未見局部堆積、飛濺、未焊透和裂紋等缺陷;當(dāng)熱輸入為1.27,1.52 kJ·cm-1時(shí),焊接接頭上下表面均未出現(xiàn)塌陷,成形較好,而當(dāng)熱輸入增加至1.90 kJ·cm-1時(shí),焊接接頭上表面出現(xiàn)深度約為1 mm的塌陷,成形質(zhì)量相對較差;隨著熱輸入的增加,焊接接頭上下表面焊縫的寬度增加,且下表面焊縫寬度小于上表面的。這主要是因?yàn)樵诩す夂附舆^程中,焊縫的寬度與熱輸入有直接關(guān)系:在較低的熱輸入下,熔化的金屬較少,凝固后的焊縫寬度較小[3]。

        2.2 顯微組織

        由圖3可見,由于熱影響區(qū)粗晶區(qū)冷卻速率較快,在3種熱輸入下焊接接頭熱影響區(qū)粗晶區(qū)的組織都為板條馬氏體(LM),原始奧氏體晶界如圖中白色線條所示。根據(jù)GB/T 6394-2002,對距表面1.5 mm處的熱影響區(qū)粗晶區(qū)的晶粒尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。當(dāng)熱輸入為1.27,1.52,1.90 kJ·cm-1時(shí),熱影響區(qū)粗晶區(qū)的平均晶粒尺寸分別為9.3,10.6,12.1 μm。

        圖2 不同熱輸入下激光焊接接頭的宏觀形貌Fig.2 Macroscopic morphology of laser welded joints under different heat inputs: (a,d,g) profile; (b,e,h) upper surface and (c,f,i) lower surface

        圖3 不同熱輸入下激光焊接接頭熱影響區(qū)粗晶區(qū)的顯微組織Fig.3 Microstructures of coarse-grained heat affected zone of laser welded joints under different heat inputs

        由此可見,隨著熱輸入的增加,熱影響區(qū)粗晶區(qū)的晶粒尺寸不斷增大,這主要是因?yàn)闊彷斎氲脑黾犹岣吡朔逯禍囟龋娱L了高溫停留時(shí)間,從而使晶粒發(fā)生粗化[4]。

        由圖4可見:在3種熱輸入下,焊接接頭熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)的顯微組織均由尺寸約3 μm的細(xì)晶鐵素體(F)和在鐵素體晶界處的馬氏體-奧氏體(M-A)組元組成;隨著熱輸入的增加,熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)的晶粒尺寸并未明顯增大,且都明顯小于粗晶區(qū)的,這主要是因?yàn)榧?xì)晶區(qū)遠(yuǎn)離焊縫,受熱輸入的影響較小[5]。

        由圖5可見,在3種熱輸入下,焊接接頭熱影響區(qū)混晶區(qū)的組織均由尺寸不等的鐵素體和M-A組元組成,且都沿鋼板軋制方向呈帶狀分布,這主要是因?yàn)檐堉茙系娜毕菽軌虺蔀樾魏它c(diǎn)和擴(kuò)散通道。在熱影響的作用下,碳元素沿軋制帶擴(kuò)散至奧氏體中,冷卻時(shí)析出細(xì)小的鐵素體,而沒有溶入奧氏體的鐵素體發(fā)生粗化[6],從而形成尺寸不等的鐵素體。當(dāng)熱輸入增加至1.9 kJ·cm-1時(shí),M-A組元明顯粗化。

        圖4 不同熱輸入下激光焊接接頭熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)的顯微組織Fig.4 Microstructures of fine-grained heat affected zone of laser welded joints under different heat inputs

        圖5 不同熱輸入下激光焊接接頭熱影響區(qū)混晶區(qū)的顯微組織Fig.5 Microstructures of mixed-grained heat affected zone of laser welded joints under different heat inputs

        由圖6可以看出,當(dāng)熱輸入為1.27,1.52 kJ·cm-1時(shí),焊縫區(qū)組織都為板條馬氏體,較低熱輸入下的板條馬氏體的交織程度相對較輕;當(dāng)熱輸入增至1.90 kJ·cm-1時(shí),除板條馬氏體外,焊縫中還形成了少量粒狀貝氏體(GB)以及在原奧氏體晶界處的鐵素體組織。在較低熱輸入(1.27,1.52 kJ·cm-1)下,焊縫冷卻速率較快,凝固過程中的鐵、碳原子來不及擴(kuò)散而形成了板條馬氏體組織;在較高熱輸入(1.90 kJ·cm-1)下,焊縫冷卻速率變慢,碳原子擴(kuò)散能力增強(qiáng),導(dǎo)致在奧氏體晶界形成了鐵素體以及沿晶界向內(nèi)生長的粒狀貝氏體[7]。

        圖6 不同熱輸入下激光焊接接頭焊縫區(qū)的顯微組織Fig.6 Microstructure of weld zone of laser welded joints under different heat inputs

        2.3 顯微硬度

        圖7中BM為母材,HAZ為熱影響區(qū),WS為焊縫區(qū)。由圖7可見:在3種熱輸入下,焊接接頭的截面硬度分布均呈馬鞍形,焊縫硬度最高,其次為熱影響區(qū)的,其中熱影響區(qū)粗晶區(qū)的硬度高于細(xì)晶區(qū)的(靠近焊縫為粗晶區(qū));隨著熱輸入的增加,焊縫區(qū)和熱影響區(qū)粗晶區(qū)的顯微硬度呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。結(jié)合圖4、圖6分析可知:隨著熱輸入的增加,焊縫中出現(xiàn)了硬度相對較低的鐵素體和粒狀貝氏體,導(dǎo)致焊縫硬度降低;粗晶區(qū)中的組織雖然都是板條馬氏體,但是其晶粒長大,造成硬度減小[8]。

        2.4 拉伸和沖擊性能

        母材的室溫抗拉強(qiáng)度為815 MPa,屈服強(qiáng)度為742 MPa,伸長率為22%,-40 ℃沖擊功為20.5 J。在3種熱輸入下,焊接接頭的室溫拉伸斷裂位置均位于母材區(qū)。由表2可以看出,在3種熱輸入下,焊接接頭的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度均高于母材的,斷后伸長率與母材的相當(dāng)或略低于母材的;隨著熱輸入的增加,焊接接頭的屈服強(qiáng)度增大,而抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率變化較??;隨著熱輸入的增加,焊縫區(qū)的沖擊功先增大后降低,當(dāng)熱輸入為1.52 kJ·cm-1時(shí)最大;當(dāng)熱輸入為1.27 kJ·cm-1時(shí)焊縫的沖擊功低于母材的。

        圖7 不同熱輸入下激光焊接接頭的截面顯微硬度分布Fig.7 Cross-section microhardness distribution of laser weldedjoints under different heat inputs

        表2 不同熱輸入下激光焊接接頭的拉伸和沖擊性能Table 2 Tensile and impact properties of laser welded jointsunder different heat inputs

        2.5 沖擊斷口形貌

        由圖8可以看出,在焊接接頭焊縫區(qū)的沖擊斷口上均存在纖維區(qū)和放射區(qū)(如位置A所示),且在斷口邊緣處出現(xiàn)了剪切唇(如位置B所示),未見脆性斷裂區(qū)的存在,呈現(xiàn)韌性斷裂特征。

        圖8 不同熱輸入下激光焊接接頭焊縫區(qū)的沖擊斷口宏觀形貌Fig.8 Macroscopic morphology of impact fracture in weldzone of laser welded joints under different heat inputs

        由圖9可以看出:當(dāng)熱輸入為1.27 kJ·cm-1時(shí),焊縫區(qū)沖擊斷口中可見少量細(xì)小的等軸狀韌窩以及大量尺寸較大且較淺的拋物線狀韌窩,這是因?yàn)樵谳^小的熱輸入下,熔池凝固時(shí)的冷卻速率較快,組織均勻性相對較差[9],導(dǎo)致形成了尺寸不一的韌窩;當(dāng)熱輸入增加至1.52 kJ·cm-1時(shí),沖擊斷口可見大量細(xì)小韌窩,說明焊縫的韌性很好,這是因?yàn)榇藷彷斎脒m中,焊接熔池的冷卻速率適宜,焊縫區(qū)硬脆性較小[10];當(dāng)熱輸入增加至1.90 kJ·cm-1時(shí),沖擊斷口由等軸狀韌窩和拋物線狀韌窩組成,且等軸狀韌窩的分布較為均勻,拋物線狀韌窩的尺寸有所減小,這說明焊縫的沖擊韌性比熱輸入為1.27 kJ·cm-1時(shí)的好,這是因?yàn)榇藭r(shí)的熱輸入較高,焊接熔池冷卻速率較慢,使得焊縫組織中除形成板條馬氏體外,還形成了韌性相對較好的粒狀貝氏體+鐵素體組織[11]。

        3 結(jié) 論

        (1) 在3種熱輸入下,激光焊接接頭焊縫區(qū)的上下表面較為平整,未見局部堆積、飛濺、未焊透和裂紋等缺陷,但當(dāng)熱輸入為1.90 kJ·cm-1時(shí),焊縫區(qū)出現(xiàn)了塌陷。

        (2) 熱輸入對焊接接頭不同區(qū)域顯微組織的影響很小,3種熱輸入下焊縫區(qū)和熱影響區(qū)粗晶區(qū)的顯微組織均為板條馬氏體,熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)的為細(xì)晶鐵素體和M-A組元,混晶區(qū)由尺寸不等的鐵素體和M-A組元組成;隨著熱輸入的增加,熱影響區(qū)粗晶區(qū)的晶粒尺寸增大,細(xì)晶區(qū)的晶粒尺寸未明顯增大。

        (3) 在3種熱輸入下,激光焊接接頭的截面硬度分布均呈馬鞍形,焊縫區(qū)的硬度最高,熱影響區(qū)的次之,其中熱影響區(qū)粗晶區(qū)的硬度高于細(xì)晶區(qū)的;熱輸入對焊接接頭拉伸性能的影響較小,接頭均在母材區(qū)發(fā)生斷裂;在3種熱輸入下激光焊接后,焊接接頭焊縫區(qū)的沖擊斷口都為韌性斷口,隨著熱輸入的增加,焊縫區(qū)的沖擊功先增大后降低,當(dāng)熱輸入為1.52 kJ·cm-1時(shí)最大,為23.4 J。

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