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(xì)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(xì)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(jī)器零件鋼，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、交通等部門。在做傳統(tǒng)焊接時(shí)，由于65Mn的含碳量過(guò)高，有著難以克服的局限性，如熱影響區(qū)大，熱脆形性嚴(yán)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(qiáng)度高、熱影響區(qū)小、焊接變形小及對(duì)周圍組織無(wú)影響等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用[1]，目前，有關(guān)65Mn鋼激光焊接的研究很少，本文對(duì)65Mn鋼進(jìn)行了CO2激光深熔焊的實(shí)驗(yàn)研究，重點(diǎn)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(lái)65Mn鋼激光焊接的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。
1 實(shí)驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法
1.1 實(shí)驗(yàn)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(yàn)方法
表1 基材的化學(xué)成分(質(zhì)量百分比%)
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(yàn)采用TJ—HL—T5000型5kW CO2激光器，，光斑尺寸為3mm，焦距320mm, 焊縫長(zhǎng)度為25mm，采用Ar氣作為保護(hù)氣體。用GX51型奧林巴斯金相顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察和拍照，用D/Max-2200型全自動(dòng)X射線衍射儀進(jìn)行物相分析，用HV-1000顯微硬度計(jì)進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，載荷砝碼200g，加載時(shí)間20s。對(duì)25個(gè)焊接試樣進(jìn)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(gè)最好試樣進(jìn)行分析，工藝如表2。
表2 激光焊接工藝參數(shù)
2 實(shí)驗(yàn)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(shù)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。
(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(jìn)行激光焊接時(shí)，激光束與基材作用時(shí)間短，當(dāng)光束移開(kāi)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(méi)有邊緣區(qū)高，成份過(guò)冷度大，導(dǎo)致該區(qū)焊縫金屬多數(shù)按樹(shù)枝晶長(zhǎng)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(diǎn)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(zhǎng)，促使焊縫形成等軸晶[2-5]。
2.2熱影響區(qū)金相組織
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(jiàn)：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(zhǎng)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(jiàn)，相變重合區(qū)主要是由較為細(xì)小的針狀馬氏體組成，這是因?yàn)椋谶@個(gè)區(qū)域，焊接時(shí)的溫度在950 oC，奧氏體晶粒來(lái)不及長(zhǎng)大，冷卻速度沒(méi)有熔合線附近快，冷卻后轉(zhuǎn)變成為細(xì)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(shí)間短，只有部分組織奧氏體化，冷卻后轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小針狀馬氏體+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(hào)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(qiáng)韌性配合。
圖3 焊接接頭的 ΧRD衍射結(jié)果
2.4 顯微硬度分析
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(gè)明顯的區(qū)域：一是中間突起的平臺(tái)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(tái)區(qū)域往兩邊各有一個(gè)斜率較大的坡度，說(shuō)明硬度值在這個(gè)區(qū)域有一個(gè)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(gè)硬度平臺(tái)，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(xì)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(xì)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(dá)到最高值為HV770，從熱影響區(qū)到基材硬度明顯下降。
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