（材料加工工程专业论文）65mn弹簧钢激光焊接研究.pdf

摘要 6 5 m n 钢作为常用机器零件钢，广泛应用于机械、交通等部门。传统焊接6 5 m n 钢时，由于该钢的含碳量过高，存在热影响区大，热脆性严重等问题，而难以达 到工况要求。与传统焊接方法相比，激光焊接具有深宽比大、焊缝窄、焊缝结合 强度高、热影响区小、焊接变形小及对周围组织无影响等特点而得到广泛应用。 本文采用t j 5 0 0 0 wc 0 2 激光器对6 5 m n 钢薄片进行激光焊接，利用o m 、x r d 、 显微硬度仪、w d w 3 1 0 0 型拉伸电子万能实验机、s e m 和3 5 0 a 型x 射线应力测 定仪等测试手段对焊接接头的结晶状态、组织、显微硬度、相结构、抗拉强度、 断口以及残余应力进行了研究，得出了激光焊接6 5 m n 的最佳工艺参数、为将来 6 5 m n 钢激光焊接的应用提供理论指导。 研究结果表明：( 1 ) 当p = 2 o k w ，v = 7 m m s 时，激光焊接6 5 m n 钢质量最佳； ( 2 ) 激光焊接6 5 m n 钢后，从焊缝中心区到焊缝边缘依次形成等轴晶、树枝晶和 胞状晶；热影响区组织主要是针状马氏体、贝氏体以及少量铁素体；( 3 ) 焊接接 头主要由细小的基体相a f e 及f e 3 c 、f e s i 等相组成。( 4 ) 在最佳工艺下，焊缝 区最高硬度为7 - 2 0 h v ，热影响区硬度最高值约为7 7 0 h v ，从热影响区到基材硬度 明显下降；激光焊接后材料的抗拉强度的平均值为3 7 5m p a , 最佳工艺参数下抗 拉强度可达到4 9 8 m p a ；激光焊接6 5 m n 钢的残余应力较低，热影响区残余应力平 均值为7 6 m p a ，而焊缝区的残余应力平均值为1 0 4 m p a ，残余应力随焊接功率和 速度的增加而变大。 关键词：弹簧钢；激光焊接；显微硬度；扫描电镜；抗拉强度；残余应力 i i i a b a s t r a c t a sak i n do fm a c h i n ep a r t ss t e e l ，6 5 m ns p n n gs t e e li sw i d e l yu s e di nm a c h i n e r y ， t r a n s p o r t a t i o na n do t h e rf i e l d s a st ot h et r a d i t i o n a lw e l d i n gt e c h n o l o g yf o r6 5 m ns t e e l ， t h e r ee x i s t sp r o b l e m ss u c ha sb i gh e a ta f f e c t e dz o n ea n ds e r i o u st h e r m a lb r i t t l e n e s s ， t h e r e f o r ei t sa p p l i c a t i o nf o rs o m ef i e l d si sl i m i t e d t h ec o m p a r i s i o no fl a s e rw e l d i n g 、枷mt h et r a d i t i o n a lw e l d i n g , i th a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sh i i g hr a t i oo fd e p t ht o w i d e n t h ，t h en a r r o ww e l d i n gz o n e ，t h es m a l lh e a ta f f e c t e dz o n ea n ds m a l l d e f o r m a t i o ne t c ，s ol a s e rw e l d i n gi sw i d e l yu s e di nm a n yi n d u s t r i e s i nt h i sp a p e r , 6 5 m ns t e e li sw e l d e db yl a s e r ( 5 k w ) ，a n dc r y s t a l l i z a t i o n ， r n i e r o s t r u c t u r e ，m i e r o h a r d n e s s ，p h a s es t r u c t u r e ，t e n s i l es t r e n g t h ，f r a c t u r e ，r e s i d u a l s t r e s sa r ei n v e s t i g a t e dw i t ho m ，m i c r o h a r d n e s st e s t e r , x r d ，s e m t h r o u g ht h e e x p e r i m e n t sw ed oa b o v e ，t h eo p t i m u ml a s e rw e l d i n gp a r a m e t e ro n6 5 m ns t e e li s o b t a i n e d t h ea b o v er e s u l t sw ea c h i e v e dp r o v i d et h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o rt h e a p p l i c a t i o no f 6 5 m ns t e e lb yl a s e rw e l d i n g t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t ：( 1 ) v n l e np = 2 o k w , v = t m m s ，t h ep e r f e c t q u a l i f yo f l a s e rw e l d i n g i so b t a i n e d ；( 2 ) t h ef i n ee q u i a x e dc r y s t a l ，d e n d r i t ec r y s t a la n d c e l lg r a i na r ef o r m e df r o mw e l d i n gc e n t r a lz o n et ot h ee d g pz o n e ，a n dm a r t e n s i t e ， b a i n i t ea n das m a l la m o u n to ff e r r i t ea p p e a r e dm a i n l yi nt h eh e a ta f f e c t e dz o n e ； ( 3 ) t h ew e l d i n gj o i n tm a i n l yc o n s i s t so ff i n ea f e 、f e 3 ca n df e s i ；( 4 ) t h ea v e r a g e h i g h e s th a r d n e s si nw e l d i n dz o n ei sh v 7 2 0 ，a n dt h eh i g h e s th a r d n e s si nh e a ta f f e c t e d z o n ei sh v 7 7 0 ，t h eh a r d n e s so b v i o u s l yd e c r e a s e sf r o mt h eh e a ta f f e c t e dz o n et o s u b s t r a t e ；t h ea v e r a g et e n s i l es t r e n g t hi s3 7 5m p a ，a n dt h et e n s i l es t r e n g t hc a nb eu p t o4 9 8 m p au n d e rt h eb e s tw e l d i n gp a r a m e t e r s ；a n dt h er e s i d u a ls t r e s si sv e r yl o w , t h e a v e r a g er e s i d u a ls t r e s si nw e l d i n gz o n ei s10 4 m p a ，a n dt h ea v e r a g er e s i d u a ls t r e s si n h e a ta f f e c t e dz o n ei s 7 6 m p a k e yw o r d s ：s p r i n gs t e e l ；l a s e rw e l d i n g ；m i c r o h a r d n e s s ；t e n s i l es t r e n g t h ；r e s i d u a l s t r e s s i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究在做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：建宴一 e 1 期： ! ! ! 墨生月 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权贵州大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名乙虚宣导师签 第一章绪论 1 16 5 m n 弹簧钢在工业中的应用 弹簧钢是指制造各种弹簧的钢种。在各种机器设备中，弹簧的主要作用是吸 收冲击能量，缓和机械的振动和冲击。例如用于汽车、拖拉机和机车上的板弹簧， 它们除了承受车厢及载物的重量外，还要承受因地面不平所引起的冲击载荷和振 动，使汽车、火车等车辆运转平稳，以免某些零件因受冲击而过早地破坏。此外， 弹簧还可以存储能量使其他机件完成事先规定的动作，如汽阀弹簧、高压油泵上 的柱塞簧、喷嘴簧等，可以保证机器和仪表的正常工作。根据以上的工作条件， 弹簧钢应具有以下性能： ( 1 ) 高的弹性极限或屈服极限和高的屈强比( o0 2 ob ) ，以保证弹簧有足 够高的弹性变形能力，能承受大的载荷。 ( 2 ) 高的疲劳极限，以保证弹簧在长期的振动和交变应力作用下不产生疲劳 和破坏。 ( 3 ) 为了满足成形的需要和可能承受的冲击载荷，弹簧钢应具有一定的塑 性和韧性。 此外，一些在高温及易腐蚀条件下工作的弹簧，还应具有良好的耐热性和抗 腐蚀性。 1 2 目前6 5 1 n 弹簧钢的焊接方法 由于6 5 m n 钢是高碳钢，含碳量高( 0 6 2 - 0 7 0 ) ，强度高，耐磨性好。 但是，高碳钢焊接性能极差，随着含碳量的增加，焊接热影响区容易出现脆硬马 氏体。含碳量越高，马氏体的硬度和脆性越大，在接头中容易出现热裂纹。当 接头中含有较多的扩散氢，焊件刚度较大和焊条选用不当时，还容易产生冷裂纹， 所以焊接弹簧钢在国内外都属于一个难题。 目前，6 5 m n 弹簧钢的主要焊接方法有：手工电弧焊、电渣焊、电阻焊、钨 极氩弧焊、激光焊接等。以下主要介绍几种较常用的焊接工艺。 1 2 1 手工电弧焊 手工电弧焊是利用焊条与工件之间产生的电弧将焊条和工件局部加热到熔 化状态，焊条端部熔化后的熔滴和熔化的母材熔合在一起，形成熔池，随着焊接 电弧向前移动，熔池逐步冷却结晶形成焊缝金属【2 】。 目前，6 5 m n 弹簧钢的手工电弧焊通常采用j 4 2 6 、j 4 2 7 、a 3 0 2 、a 3 0 7 等焊条 进行焊接，焊前局部预热3 0 0 以上，预热区的宽度在焊缝两侧各5 0m m 以上。 焊接后，对焊接接头进行3 5 0 - - - 4 0 0 c 的回火处理，然后缓慢冷却，减少焊接应力 和焊缝扩散氢含量，防止出现焊接裂纹1 3 】。手工电弧焊是比较常用的焊接方式， 但手工电弧焊对操作者技术水平依赖性强，劳动强度大，生产效率低下，而且手 工电弧焊接的能量小，气孔、裂纹等缺陷明显【4 】。 1 2 2 钨极氩弧焊( t i g ) 钨极氩弧焊是在惰性气体的保护下，利用钨电极与工件之间产生的电弧热熔 化母材和填丝的一种焊接方法。焊接时保护气体从焊枪喷嘴中连续喷出，在电弧 周围形成气体保护层隔绝空气，防止对钨电极、熔池及热影响区的有害影响，从 而获得优质的焊接接头。 山东大学高伟教授尝试采用钨极氩弧焊的方法对6 5 m n 钢丝进行了焊接试 验。研究表明，当焊接电流为1 0 a 时可得到外形完美的柱状焊接接头，但接头非 常脆硬。采用加热温度2 8 0 0 c ，保温1 0m i n 的后续热处理工艺可以适当的降低接 头脆性及硬度【5 1 。但由于钨电极载流能力的限制，所焊接的工件厚度有限，焊接 速度和生产率都比较低。 1 2 3 激光焊接 激光焊接是以高能量密度的激光束作为热源，对金属进行熔化形成焊接接头 的熔焊方法。具体地说，激光焊接是将激光束直接照射到材料表面，通过激光与 材料相互作用，使材料内部熔化而实现焊接【6 1 。激光焊接技术与传统的焊接相比 具有很大的优势，由于激光焊的热量输入小，焊缝凝固过程很快，晶粒细小，且 焊接的效率高。而且，由于激光能够实现小范围加热的特性，能在一个小的区域 内产生很高的温度，所以焊接高碳钢时候有着非常大的优势。激光器发明后，西 方发达国家尝试用激光焊接6 5 m n 弹簧钢，取得了一定的焊接效果，并应用于工 业生产中。 2 可见，激光焊接技术为6 5 m n 弹簧钢的焊接开创了一个新的局面。由激光束 形成的焊缝质量高，且操作灵活，因而在工业中得到广泛应用。目前，西方发达 国家已经把激光焊接技术广泛的用于汽车、飞机等弹簧钢部件的焊接中。 1 3 6 5 8 n 弹簧钢激光焊接研究进展 1 3 1 激光焊接技术 激光( l a s e r ) 一词是l i g h ta m p l i f i c a t i o nb ys t i m u l a t e de m i s s i o no fr a d i a t i o n 的首 字母缩写，其含义是受激发射产生的光放大 熨。自1 9 6 0 年美国梅曼制成世界上 第一台红宝石激光器以来，激光技术的发展突飞猛进。激光具有其他普通光源所 无法比拟的高单色性、高方向性、高相干性和高强度，它不仅强有力地促进了物 理学、化学和现代光学技术的巨大发展，而且成功地在现代工业、农业、医学、 生物学等领域中得以广泛的应用。在表面工程方面，突出地表现在通过激光表面 改性以提高材料的抗氧化、耐腐蚀、耐磨损等性能。已经发展起来的激光表面处 理技术有激光相变硬化、激光熔凝硬化、激光表面合金化、激光表面熔覆、激光 非晶化、激光冲击硬化等表面改性技术。 1 9 6 0 年发明第一台激光器以来，人们对激光的特性进行了研究，并论证了 激光的应用前景。在1 9 6 4 - - 一1 9 6 5 年相继发明了c 0 2 、y a g 激光器后才进一步证 实了激光加工材料的可行性，这是因为这两种激光器可以产生高的平均功率和峰 值功率。经过物理学家对激光特性和激光束与物质相互作用机理的研究，激光技 术的应用领域才不断明确和具体化。激光焊接技术是激光工业应用的一个重要方 面，在激光出现不久就有人开始了激光焊接技术的研究。目前，常用的激光加工 技术和其对应的能量范围如1 1 图所利7 】： 图1 1 中各种激光加工使用的功率密度范围 3 妒 伊 舻 铲 舻 铲 c_毒醒铆争毒 激光焊接是近年来增长最快，也是发展最为看好的一项激光加工技术。激光 焊接技术经历由脉冲波向连续波的发展，由小功率薄板焊接向大功率厚件焊接发 展，由单工作台、单工件加工向多工作台、多工件加工，以及由简单焊缝形状向 可控的复杂焊缝形状发展，激光收集物质也包含了多种气体和固体晶体。激光焊 接的应用也随着激光焊接技术的发展而发展，目前，激光焊接技术已在航空航天、 武器制造、船舶工业、汽车制造、压力容器制造、民用及医用等多个领域。很多 学者将激光加工技术连同电子束m - r 和离子束加工并称为2 1 世纪最具有前景及 最有效的加工技术。 激光焊接具有其独到的优势，在激光焊接过程中，当激光束触及到激光材料 时，其能量通过热传导传输到工件表面以下更深处。在激光热源的作用下，材料 熔化、蒸发，并穿透工件的厚度方向形成狭长空洞，随着激光焊接的进行，小孔 在两工件之间的接缝区域移动，进而形成焊缝。激光焊接的显著特征是大熔深、 窄焊道、小热影响区以及高功率密度。激光焊接代表着一种在微小区域内加热与 冷却之间的精细平衡。激光焊接的目的是通过辐射吸收产生液态熔池，并使之长 到理想尺寸，然后沿固体界面移动，消除被焊构件的初始缝隙，形成高质量的焊 缝。 激光焊接以高能量密度的激光作为光源，对金属进行熔化形成焊接接头。与 一般焊接方法相比，激光焊具有以下特点： 聚焦后的激光具有很高的功率密度( 1 0 5 1 0 7 w c m 2 或更高) ，焊接以深熔 的方式进行；由于激光加热的范围小，( l m m 2 ) ，在同种功率和焊接厚度条件下， 焊接速度高，热输入小，热影响小，焊接应力和变形小； 激光能发射、透射，能在空间传播相当距离而衰减很小，可以进行远距离 或一些难以接近部件的焊接，激光可通过光导纤维、棱镜等光学的方法弯曲传输、 偏转、聚焦，特别适合于微型零件的焊接； 一台激光器可供多个工作台进行不同的工作，既可用于焊接，又可用于 切割、合金化和热处理： 激光在大气中损耗不大，可以穿过玻璃等透明物质，适合在玻璃制成密 封容器中焊接剧毒材料，激光不受电磁场影响，不存在射线保护，也不需要真空 保护： 4 可以焊一般焊接方法难以焊接的材料，如高熔点金属等，甚至可用于非金 属材料焊接，如陶瓷、有机玻璃；焊接后无需要热处理，适合于某些对热输入敏 感的金属材料的焊接； 属于非接触焊接，接近焊区的距离比电弧焊的要求低，焊区材料的疲劳强 度比电子束焊接高； 当激光束进入熔融孔道时，光束反复反射并对孔壁金属表面相互作用( 即 壁聚焦效应) 过程中，如遇到夹杂物( 如氧化物、硅化物) 时，便首先被吸收。 不纯杂质有选择的被加热并被汽化而逸出焊缝。激光焊接接头的韧性与母材相当 或高于母材【8 1 。 在国外，激光焊接的应用已极为普遍几乎涉及到各个工业领域，仅以汽车工 业为例，据国外专家预测，汽车零件中有5 0 以上可以用激光加工，除激光切割、 打孔外，激光焊接占百分之四十，8 0 年代以来，国外激光焊接设备的年增长率为 2 5 以上。 美国福特汽车公司，用4 7 k wc o ：激光焊接车轮轮盘钢圈，钢圈厚l m m ，焊接 速度为2 5 c m m 。该公司还采用6 k w 激光系统建成汽车底盘自动化生产线，整条生 产线用电子计算机控制，只需一名操作工人。 日本东芝公司月产彩色显像管5 5 万只。其中6 4 用有光导纤维的y a g 激光焊 接，激光输出功率为4 0 w ，一个脉冲激光分为2 4 个光点，最多可分为1 0 个光点r 光导纤维长l o o m ，直径为0 4 m m ，工作效率比传统焊接方法提高4 倍。 西德大众汽车公司，用c o ：激光焊接轿车底板，焊线全自动化，配有焊缝监 控系统，焊缝长1 9 5 0 m m ，板厚0 9 m m ，热影响区l m m ，焊缝光亮平整，焊缝强度好 于母材，焊接单件时间为2 0 s 9 加】。 目前国内激光焊接工艺，正从实验室逐步应用于工业生产，在“七五期间， 又完成了多联齿轮激光焊接、热轧硅钢片焊接、双金属锯条焊接及电容器壳体激 光焊接等一批具有较高水平的激光焊接工艺研究课题，使我国激光焊接的应用向 前迈进了重要的一步。 按激光焊时焊缝的形成特点，可以把激光焊接分成热传导焊和深熔焊。前者 使用激光功率低，熔池形成时间长，且熔深浅，多用于小型零件的焊接。本论文 所采用的激光焊接方式为深熔焊，其基本原理是：当激光光斑的功率密度大于 5 10 6 c m 2 时，金属在激光的照射下被迅速加热，其表面温度在极短的时间内升高 到沸点，使金属熔化或汽化，产生的金属蒸气以一定的速度离开熔池，逸出的蒸 气对熔化液态金属产生一个附加压力，使熔池金属表面向下凹陷，在激光光斑下 产生个小凹坑。当光束在小孔底部继续加热时，所产生的金属蒸气一方面压迫 坑底的液态金属使小坑进一步加深；另一方面，向坑外飞出的蒸气将熔化的金属 挤向熔池四周，此过程连续进行下去，便在液态金属中形成一个细长的孔洞。当 光束能量所产生的金属蒸气的反冲压力与液态金属的表面张力和重力平衡后，小 孔不再继续加深，形成一个深度稳定的孔而进行焊接，因此称之为激光深熔焊， 如图卜2 所利6 1 。如果激光功率足够大而材料相对较薄，激光焊接形成的小孔贯 穿整个板厚且背面也可以接受到部分激光，这种方法称为薄板激光小孔效应焊。 从机理上看，这两种焊接方法的前提都是焊接时存在小孔，两者没有本质的区别， 小孔的周围被熔池金属所包围，熔化金属的重力及表面张力有使小孔弥合的趋 势，而连续产生的金属蒸气则力图维持小孔的存在。随光束的运动，小孔将随着j 光束运动但其形状和尺寸却是稳定的。 小孔的前方形成一个倾斜的烧蚀前沿。在这个区域，小孔的周围存在压力橇 度。在压力梯度的作用下，烧熔材料绕小孔的周围由前沿流动。温度梯度沿小孔 的周围建立了一个前面大而后面小的表面张力，这就进一步驱使烧熔材料绕小孔 周边由前沿向后沿流动，最后在小孔后方凝固起来形成焊缝。 图1 - 2 激光深熔焊的示意图 6 1 3 26 5 m n 弹簧钢激光焊接国内外研究现状 激光焊接6 5 m n 弹簧钢技术的应用最先出现的汽车工业中。8 0 年代中期，日 本的丰田汽车公司和美国的福特汽车公司就尝试把激光焊接技术应用在弹簧钢 的焊接中，主要用于车厢底座板簧的焊接，用氮气作为保护气体，取得了较好的 效果。 在国内，华中科技大学进行y 6 5 钢、6 0 s i 2 m n 激光焊接，采用氩气作为保护 气体，并对焊接后的焊接接头组织进行了分析。浙江工业大学激光加工工程中心 熊缨、姚建华等人利用激光对淬回火态的高速钢( w 1 8 c r 4 v ) 和弹簧钢( 6 5 m n ) 进行 焊接，通过金相显微镜、显微硬度仪，针对不同焊接工艺条件下的焊接接头进行 了微观组织、显微硬度，讨论了接头组织成分的变化与接头硬度的关系，结果表 明，用激光焊接的焊缝均焊接缺陷，加过渡层的高速钢与弹簧钢的焊接接头硬 度高于无过渡层的焊接接头。目前，该技术已经应用于塑料造型粉碎刀片的焊接 【l i l 0 国内外对激光焊接6 5 m n 弹簧钢的研究主要集中焊接后接头的组织与硬度 的研究，而对于焊接前的热处理，焊接以后力学性能( 抗拉强度、断口分析、残 余应力等) 、激光焊接工艺参数对力学性能的影响等方面尚无公开的报道。 1 4 本论文的研究内容 针对目前弹簧钢激光焊接存在的问题，本论文的主要研究内容如下： ( 1 ) 针对6 5 m n 弹簧钢的化学成分、性能等特点，研究6 5 m n 钢焊前预热工艺； ( 2 ) 研究激光焊接工艺参数对焊接6 5 m n 钢组织与性能的的影响；获得激光焊 接6 5 m n 弹簧钢的最佳焊接工艺参数； ( 3 ) 研究最佳焊接工艺情况下焊接接头的的组织性能和力学性能。 7 2 1 实验材料 第二章实验材料与试验方法 本论文选用的是6 5 m n 钢，由于6 5 m n 价格低廉，渗透性优良，所阱是最常 用的一种弹簧钢，取回火状态下直径为2 5 m m 的6 5 m n 棒料。实验材料的化学成 分见表2 1 所示f l 】： 表2 1 材料的化学成分( w t ) 化学成分 标准号钢号 c s im npsc rn i c u g b 厂n 2 2 2 - - 2o l o lv = 5 栅，8( b )1 = = - 2o k i t lv = 7 r r ，5 c 、i = - 20 瑚v = g m m s 圈3 - 8 相同焊接功率，不同焊接速度的相变重结晶区组织5 0 0 x 3 5 3 激光焊接工艺对部分相变区组织的影响 部分相变e , 0 n 热温度在a c ，一a c a 之间的范围。在该区域加热的时候，由于 钢的珠光体和部分铁索体转变成晶粒比较细小的奥氏体，但仍保留部分铁素体。 冷却时奥氏体转变成细小的铁素体和珠光体( 称为重结晶) ，未熔入奥氏体的铁 素体不发生转变，晶粒比较租大，故成为不完全重结晶区或者部分相变区，因而 冷却后的组织晶粒大小非常不均匀，并保留原始组织中的带状组织特性口l 。下面， 将针对焊接功率和焊接速度对部分相变区组织的影响进行分析。 爹i ? 鬻i - 瓣 ，m * ， 骛穗露篝4 誊耋舞碡1 萋j 溱溅；髯。蠢j 簿：。键黪舞逐嚣囊 ( c ) p = - 25 删v = 7 呲8 围3 _ 9 相同焊接速度，不同焊接功率时 l z 部分相变区组织5 0 0 由图39 可以看出，6 5 m n 钢部分相变区的组织由铁素体和珠光体组成，并 且随着激光功率的增大，组织中细小铁素体的量逐渐增多，珠光体的量逐渐增多， 未溶的铁素体减少。这是由于该区域受热的影响比较小，只有部分铁素体熔入奥 氏体中，随着激光功率的增大，熔入奥氏体的铁素体的量相对较多，因此组织中 经相变重结晶后转变的细小铁素体的量逐渐的增多，未熔的粗大铁素体的量减少 闭。珠光体组织的生成受冷却速度的影响很大，由图3 9 可知，激光功率增大， 冷却速度减慢，生成珠光体越粗大。 3 5 3 2 激光焊接速度( v ) 对焊接热影响区部分相变区组织的影响 图3 一l o 为相同焊接功率，不同焊接速度 i a z 部分相变区组织。由图可以， 随着扫描速度的加快，组织中的细小铁素体的量在减少，未熔的粗大铁索体的量 在遂渐的增多。这是因为，由于焊接功率不变，随着焊接速度的加快，焊接线能 量在降低，这样造成了更多的铁索体来不及熔化”。 ( a ) i ；= - 25 k n o ( b ) p = 25 k wv = 7 m m s ( c 】p = 25 k i iv 习h “s 3 - 1 0 相同焊接功率，不同焊接时建度h a z 部分相变区组织5 0 0 ； 3 6 关于6 5 m n 钢激光焊接中出现针状铁素体组织的分析与讨论 有关焊缝组织的划分，众多的研究者提出过多种分类方法及不同见解受到 普遍关注的是1 9 8 5 年道尔贝( d o o b y ) 教授在国际焊接年会上提出的焊缝显微组 织的分类准则他根据焊缝金属中铁索体的形貌和析出位置的不同，提出了各种 组织的名称，并得到了国际焊接学会( i1w ) 的认可。道尔贝关于焊缝组织的分 类具有较高的权威性，而且由于国际焊接学会的推荐，将会在更多的国家得到应 用。 道尔贝认为在进行焊接时，焊缝金属中可能出现的显微组织可以分为两大 类，具体如下： 1 、焊缝中的典型组织： 1 ) 先共析铁素体( pf ) 先菇析铁素体( pf ) 可分为品界铁索体和晶内铁豪体。z 弱界铁索体是沿原 史氏体品界析出的铁索体，有的沿品界呈长条扩展，柯的呈多边形互相连接沼品 能量较高面容易形成新相核心。1 冷却遮度较臣或哲合命成分报少的h t 候，不仪 针状铁素体是出现在原奥氏体晶内的有方向性的细小铁素体，宽度为2um 左右，长度比多在( 3 ：】) 一( 10 ：】) 的范田。针状铁索体可能是以氧化物或 层状或非层状混杂分布区域，该区域要比周围的铁索体板条宽度大。 如图3 1 1 所示为6 5 m n 激光焊接的焊缝组织，主要为针状铁豪体组织”1 。 r ， ，f 、1 。 一 。 + 譬譬0 ；i 。j 。? 一多； 。 。： ， p | | ， h一 1 酗3 一1 16 5 m n 馓光焊接焊缝区的组织5 0 0 2 、不同强度级别的焊缝金属的组织 对于不同强度级别焊缝会属的组织观察表明，随着焊缝中台金元素的增加， 焊缝组织由先析铁素体、针状铁索体和珠光体类型转变成粒状贝氏体类型，再转 变成条状贝氏体+ 马氏体。 】) 名义强度为5 0 0 m p a 的焊缝( e 5 0 1 5 ) 这类焊缝金属组织可明显分成两个区域，即柱状品区和等轴晶区。柱状晶区 的晶粒较大，晶界上有先析铁素体( pf ) 咀及从晶界向晶内平行生长的侧板条 铁索体( fsp ) ，板条问有少量的珠光体：品内为针状铁素体f af ) + 珠光 体( p ) 。等轴晶区的组织多为多边形铁素体和珠光体。 2 ) 名义强度为7 0 08 0 0 m pa 的焊缝( e 7 0 】5 、e 8 0 1 5 ) 强度为? 0 0 8 0 0 mp a 的焊缝金属显微组织主要是贝氏体和少量晶界铁素 体。除了贝氏体和晶界铁素体外，采用复型样品在扫描电镜下观察时，发现贝氏 体铁素体基础上分布有少量的岛状组织，这些岛状组织存在于晶粒交界处，呈三 角状或块状。经透射电镜和电子衍射证实，这些黑块组织为m a 单元。 3 6 1 激光焊接功率( p ) 对焊缝区中针状铁嘉体组织的影响 图3 一1 2 为相同焊接速度，不同焊接功率时焊缝的显微组织。 ( a ) d = - i5 k w v = t m n s( b ) 1 ：= - 2o 哪v = 7 耐s ( c ) 1 ：= - 25 1 ( wv = 7 r a l s 圉3 1 2 相同焊接速度不同焊接功率的焊缝组织5 0 0 2 9 由圈3 一1 2 可以看出，随着激光输出功率的增大，焊缝区中的针状铁索体、 珠光体含量增多，贝氏体及针状马氏体量则减少，焊缝区的组织也随着输出功率 的增丈而变粗。这是因为扫描速度一定时，随着辙光输出功率增大，其线能量也 相应增大，焊件受激光辐射而获得能量也就相应提高，奥氏体体化的温度高，舆 氏体晶粒变粗大，导致组织粗大m ” 。 3 6 2 激光焊接速度( v ) 对焊缝中针状铁素体组织的影响 图3 - 13 为相同焊接功率，不同焊接速度时焊缝的显微组织。焊缝区的组织 由针状铁索体、珠光体、贝氏体及马氏体组成，并且随着激光焊接扫描速度的减 小，焊缝区的铁索体、珠光体的含量增多，贝氏体及马氏体减少，马氏体及贝氏 体的晶粒也随着扫描速度的降低而变檀。这是由于扫描速度减小，焊接线能量增 大，熔池中液体金属的温度越高，且其过冷度比较小，过热奥氏体发生转变，大 部分生成铁索体和珠光体，而只有少部分过热奥氏体生成贝氏体和马氏体。且由 于扫描速度慢保温的时间比较长，有利于晶粒的长大，最后生成的晶粒较粗大 i q 。 壁 ( a ) p - - 2o 肼，v = 3 n a v s( b ) p - 2o k wv - 5 r a “s 。# ? 毫 。 k - 。； ( b ) p = 2o k wv = 9 m s 图3 - 1 3 相同焊接功率，不同焊接速度时焊缱组织5 0 0 x 3 0 3 7x r d 物相分析 任何结晶物质，无论它是单晶体还是多晶体，都具有特定的晶体结构类型、 晶胞大小、晶胞中原子、离子或分子数目的多少，以及它们所在的位置，因此能 给出特定的多晶体衍射花样。也就是说，种多晶物质，无论是纯相还是存在于 多相混合试样中，它都给出特定的衍射花样。事实上没有两种不同的结晶物质可 以给出完全相同的衍射花样，就相当于在世界上不可能找两个人的指纹完全相同 一样。另一方面，未知混合物的衍射花样是混合物中各相物质衍射花样的总和， 每种相的各衍射线条的d 值( 表征衍射线的位置) 、i 值( 表征衍射线相对强度) 不变。这就是能用各种衍射方法作物相定性分析( 物相鉴定) 的基础。 j d h a n a w a l t 等人于1 9 3 8 年首次发起，以纠数据组代替衍射花样，制备衍射 数据卡片的工件。1 9 4 2 年美国材料试验协会( 彳卯聊出版了大约1 3 0 0 张衍射数 据卡片，称a s t m 卡片。这种卡片的数量逐年增加的速度越来越快，大大促进了 物相分析的进程。如果对某混合物进行x 射线物相分析，得到图谱后将其与标准 卡片进行对比便能够知道其所含物相。所以x 物相分析广泛应用于冶金、采矿、 地质、化工等领埘4 1 1 。 3 7 1x r d 物相分析结果 焊接接头在几种焊接工艺下生成物相相同，并且物相数量多少也相近，取 a l l 号工艺进行x r d 分析，结果如图3 一1 4 所示，通过标准物质的p d f 卡片图比 较，可以得到结论：焊接接头中相组成复杂，除了基体相q 叫e 外，还有f e s i 、 f e 。c 等相， f e 。c 和f e s i 的形成可以从以下方式解释： 从原子尺寸考虑，非晶态合金中两种组元原子半径( r l 和r 2 ) 之比需满足 r l r 2 1 1 2 的条件，如表3 - 1 ，这两种非晶合金形成满足了以上 条俐4 2 1 。 从金属电子论角度出发，把非晶态金属当作近自由电子固体来处理，满足 2 k f = q p ( k f 为费密波矢之模，q p 为结构因子第一峰的倒易距离) 条件的合金成分， 所形成的非晶态相比较稳定。 简单立方结构体心立方的f e s i 也有其各种因素：金属f e 、非金属s i 的 负电性差距较大，半径比值为1 0 5 5 ( 0 8 5 工竹蚺中c它l|ojo重 图4 - 3 相同焊接功率，不同焊接速度的显微硬度曲线 图4 3 为相同激光焊接功率，不同焊接速度下钢焊接接头的硬度分布曲线。 由曲线可见，焊随着焊接速度的加快，焊缝区的硬度值也在降低，而热影响区的 硬度值在升高。这是因为，当激光输出功率p 一定，而扫描速度v 提高时，单 位时瑚单位面积所受热量减少，冷速较快，在焊缝中心区，等轴晶减少，而枝状 晶和胞状晶增多，所以焊缝区的硬度降低。而在热影响区，冷却速度快，容易形 成马氏体，珠光体及铁素体较少，所以热影响区的硬度升高 。 4 2 拉伸实验及断口分析 4 2 1 试样拉伸试验 抗拉强度是衡量焊接接头质量的一个重要力学指标，因此对焊接后6 5 m n 首 先将试样切割成长度为8 0m m ，宽度为8 0 m m ，厚度为1m m 的板料1 4 9 1 ，然后对 该板料进行不同工艺下的激光焊接。焊接后，用砂轮打掉应力集中点，并用粗砂 纸打磨，最后用丙酮清晰表面，拉伸试样如图4 - 4 所示： 鬻 蒌羹主显翟 工 图4 - 4 拉伸试样 采用c m t 系列微机控制电子万能( 拉伸) 试验机进行拉伸实验，实验结果 如表4 - i 所示： 由表4 - l 可知，6 5 m n 薄板基材的抗拉强度较高，为9 9 0 m p a ，而焊接后的抗拉 强度均未超过基材，平均抗拉强度为3 7 5 m p a 这是因为6 5 m n 的碳含量高，加上 m n 与s i 的联合作用，使其碳当量达0 8 以上。这就使6 5 m n 钢具有极大的淬硬 倾向，焊接性极差的缘故f 5 0 j 。 表4 - 1不同焊接工艺参数下试样的抗拉强度参数表 试样编号功率( k w )速度( r n m s )抗拉强度( m p a )断裂部位 基材 9 9 0 a1 1 533 1 0焊缝 a2 1 553 0 0焊缝 a3 1 542 7 5焊缝 a4 1 572 5 5焊缝 a5 1 592 3 0焊缝 a6 1 51 11 9 8焊缝 a 2 033 7 5焊缝 a 口 2 054 5 0焊缝 a1 l 2 074 9 8焊缝 a1 2 2 094 6 5焊缝 a1 3 2 01 14 4 0焊缝 a1 4 2 533 1 0焊缝 a1 5 2 553 6 5焊缝 a1 6 2 574 1 0焊缝 a1 7 2 594 7 0焊缝 a1 8 2 5114 5 3焊缝 a1 9 3 032 1 0 热影响区 a2 03 052 3 2 热影响区 a2 l3 07 2 5 1 热影响区 a2 2 3 092 7 0 热影响区 a2 33 01 12 9 4 热影响区 由于6 5 m n 是高碳钢，所以焊接时候温度太高材料的热脆性严重。如表所示， a 1 9 一a 2 3 号样品，抗拉强度普遍在3 0 0 m p a 以下，断裂区域都在热影响区，应该 属于明显的脆性断裂。在显微硬度测试中，3o k w 以上功率的焊接接头的热影 响区的硬度很高，一般在h v 8