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65Mn钢激光焊接组织与硬度研究
[ 编辑:admin | 时间:2016-05-22 04:28:46 | 浏览:1263次 | 来源: | 作者: ]
摘要:研究了65Mn钢激光焊接后微观组织和硬度的变化,结果表明:焊接质量良好,焊缝区组织由中心到边缘依次生成细小等轴晶、枝状晶、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。焊接接头主要由细小的α—Fe及Fe3C、FeSi等相组成。焊缝区平均硬度为HV710,热影响区硬度最高值约为HV770,从热影响区到基材硬度明显下降。 

65Mn钢作为常用机器零件钢,广泛应用于机械、交通等部门。在做传统焊接时,由于65Mn的含碳量过高,有着难以克服的局限性,如热影响区大,热脆形性严重,而难以满足需求,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[1],目前,有关65Mn钢激光焊接的研究很少,本文对65Mn钢进行了CO2激光深熔焊的实验研究,重点分析了65Mn钢激光焊接后焊缝及热影响区的组织和硬度变化,为将来65Mn钢激光焊接的应用提供理论指导。 

1 实验材料及试验方法 

1.1 实验材料 

取退火状态下的65Mn钢棒料,其成分如表1所示。 

1.2 试验方法

表1 基材的化学成分(质量百分比%) 
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试样采用钼丝线切割成厚度为1mm,半径为12.5mm半圆柱状,使用前用400金相砂纸打磨表面,再用丙酮清洗备用。激光焊接试验采用TJ—HL—T5000型5kW CO2激光器,,光斑尺寸为3mm,焦距320mm, 焊缝长度为25mm,采用Ar气作为保护气体。用GX51型奥林巴斯金相显微镜进行显微组织观察和拍照,用D/Max-2200型全自动X射线衍射仪进行物相分析,用HV-1000显微硬度计进行显微硬度测试,载荷砝码200g,加载时间20s。对25个焊接试样进行焊后观察,找出焊缝成形好,接头狭窄,变形小,焊接焊缝笔直、光滑、均匀连续的三个最好试样进行分析,工艺如表2。

表2 激光焊接工艺参数 
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2 实验结果分析 

图1为焊缝中心→近中心区→边缘区的组织分布,由图1(a)可以看出,焊缝中心主要为等轴晶分布,近中心区为胞状晶与树枝晶的混合组织。由图1(b)可知,在靠近热影响区的边缘区为少量的胞状晶。

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(a)焊缝区 100× (b)焊缝与热影响区 500× 
图1 焊缝中心区与结合区的组织

在进行激光焊接时,激光束与基材作用时间短,当光束移开后,熔池金属迅速冷却,然后快速凝固。在靠近熔池边缘,由于与母材接触,液态金属的结晶速度比熔池中心大,这样使焊缝金属生成胞状晶。在近中心区,由于温度梯度没有边缘区高,成份过冷度大,导致该区焊缝金属多数按树枝晶长大。而在焊缝中心区域,熔池金属温度梯度很小,熔池中未熔化的悬浮质点为非自发形核的现成凝固表面,这些晶粒不受其他散热条件的影响,可以自由生长,促使焊缝形成等轴晶[2-5]。 

2.2热影响区金相组织

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图2 热影响区的组织 500×

图2为焊接热影响区组织,由图2(a)可见:焊接的热影响区粗晶区主要是由针状马氏体组成,这是由于在靠近熔合线附近,温度在1350 ºC,奥氏体晶粒明显长大,快速冷却后转变成了粗大的高碳针状马氏体。 

由图2(b)可见,相变重合区主要是由较为细小的针状马氏体组成,这是因为,在这个区域,焊接时的温度在950 ºC,奥氏体晶粒来不及长大,冷却速度没有熔合线附近快,冷却后转变成为细小的针状马氏体+铁素体+下贝氏体组织。 

在相变不完全重合区,由于峰值温度在800 ºC,而且Ac1以上时间短,只有部分组织奥氏体化,冷却后转变为细小针状马氏体+铁素体+上贝氏体+下贝氏体组织,如图2(c)所示。 

2.3 ΧRD衍射分析 

图3为3号试样的XRD衍射图谱。由衍射结果可以看出,焊接接头相组成除了基体相α—Fe外,还有Fe3C、FeSi等相。由于α—Fe的硬度较低,而Fe3C和FeSi的硬度比较高,这些相的存在,可以保证焊接区有良好的强韧性配合。

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图3 焊接接头的 ΧRD衍射结果

2.4 显微硬度分析

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图4 焊接接头的显微硬度曲线

三种焊接工艺的焊缝接头的硬度分布曲线从图4可以看出其硬度分布曲线的走向成三个明显的区域:一是中间突起的平台区域,这是焊缝区域,平均硬度为HV710,其硬度值要明显高于其他区域;二是从平台区域往两边各有一个斜率较大的坡度,说明硬度值在这个区域有一个明显的锐减,这部分是焊接热影响区,从上面的组织分析可以看出这部分还是有马氏体和贝氏体存在.所以硬度值还是比较高的;第三区又是一个硬度平台,这是基材组织,平均硬度为HV230左右。 

3 小结 

(1) 65Mn钢经激光焊接后,焊接区的组织发生了较大的变化,焊缝区组织依次为细小等轴晶→枝状晶→胞状晶。热影响区粗晶区为粗大的针状马氏体,相变重合区为细小针状马氏体+铁素体+下贝氏体,不完全相变重合区为针状马氏体+铁素体+上贝氏体+下贝氏体组织。 

(2)焊接接头的基体相为α—Fe,其上分布有结晶析出的Fe3C、FeSi等相。 

(3)焊接接头的硬度分布规律为:焊缝区域平均硬度最大,平均为HV710,在焊缝与热影响结合区达到最高值为HV770,从热影响区到基材硬度明显下降。
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