65Mn與W6542激光焊接后熱處理實驗分析

吳學(xué)宏，董兵天，許 璐，張仁峰

1.甘肅有色冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，甘肅金昌 737100 2.天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300384 3.天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，天津 300019

65Mn與W6542激光焊接后熱處理實驗分析

吳學(xué)宏1，董兵天1，許 璐2，張仁峰3

1.甘肅有色冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，甘肅金昌 737100 2.天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300384 3.天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，天津 300019

現(xiàn)代工業(yè)對材料的要求越來越高，一般的材料很難滿足特定要求下的工業(yè)需求，異種金屬的有機(jī)結(jié)合可以有效解決這個問題，由于激光技術(shù)的迅速發(fā)展，異種金屬的激光焊接越來越成為熱點(diǎn)，本文研究65Mn與W6542兩種材料激光焊接后熱處理的方法，焊接后熱處理對于異種金屬的焊接效果起到關(guān)鍵作用，研究為兩種材料的激光焊接打下堅實基礎(chǔ)。

高速鋼；65Mn鋼；激光焊接；焊后熱處理

1 焊縫區(qū)元素分布

隨著工業(yè)激光器的發(fā)展，激光焊接已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中的一項常用技術(shù)，在某些領(lǐng)域中，激光焊接已經(jīng)取代了一些傳統(tǒng)的焊接方法。

目前，焊接熱處理已廣泛應(yīng)用于電力、石油、化工、船舶和核工業(yè)等領(lǐng)域的焊接過程，為保證焊接質(zhì)量起到了積極的作用。特別是推行ISO9000標(biāo)準(zhǔn)的單位，由于熱處理對焊件結(jié)構(gòu)影響的特殊性，一般均將熱處理作為特殊過程而加以控制。此外，由于熱處理一般是影響焊接結(jié)構(gòu)質(zhì)量的最后工序，所以，對焊接熱處理進(jìn)行質(zhì)量控制與考核對保證焊接質(zhì)量有重要的實際意義。

焊接熱處理質(zhì)量控制是焊接質(zhì)量控制的一個重要組成部分，熱處理作為一個獨(dú)立的工序，有其自身的工序特點(diǎn)。因而搞好熱處理的質(zhì)量控制是保證焊接質(zhì)量控制的關(guān)鍵之一。

2 熱處理質(zhì)量控制的必要性

1）母材、焊接材料質(zhì)量的不均勻性，主要反映在化學(xué)成分上的不均勻，從而導(dǎo)致焊接接頭的組織偏析和機(jī)械性能上的不均勻性。焊接熱處理質(zhì)量監(jiān)督多采用硬度檢驗的方法，硬度評定標(biāo)準(zhǔn)均以母材硬度為依據(jù)。所以，這種不均勻性會導(dǎo)致檢驗標(biāo)準(zhǔn)的不確定性。

此外，這種不均勻性還影響對焊接接頭抗裂性的評定。一般用熱影響區(qū)最高硬度作為評定焊接接頭抗裂性的一項指標(biāo)。如對σb=50~60kgf/mm2的鋼材。

Hmax=(666Ceq+40)±40 HV

式中 Hmax為熱影響區(qū)的最高硬度。

Ceq為碳當(dāng)量(Ceq=C+Mn/6+Si/24+Ni/40 +Cr/5+Mo/4+V/5)

2）工藝評定的局限性和不完善性，主要是試驗室評定與現(xiàn)場施工條件的差異，短焊接試樣與實際焊接結(jié)構(gòu)的不一致（如：電站焊接現(xiàn)場熱處理采用的遠(yuǎn)紅外電加熱，屬外伸構(gòu)件的加熱，與整體加熱不同），少量試驗與大量施工的不一致等，使得在試驗室評定合格的工藝在實際施工中引起新的問題。

3）焊接過程的不穩(wěn)定性與接頭淬硬的可能性。特別是手工焊接，使得接頭質(zhì)量的不穩(wěn)定性更為突出。從質(zhì)量控制考慮，不希望得到淬硬組織。不同的組織狀態(tài)對質(zhì)量控制有不同程度的影響，按其嚴(yán)重性程度排列為：M-B-T-S-P-F。避免淬硬組織，削弱這種不穩(wěn)定性對組織和性能的影響，正是熱處理工作的主要任務(wù)，也是熱處理質(zhì)量控制的主要目的。

4）焊接過程中不可避免的缺陷，主要是組織和性能上的缺陷，如成分， 組織的不均勻性，應(yīng)力集中，過熱組織等，均需通過熱處理的手段來改善。

5）管理上的問題，事實上這一問題更為突出。如英國管理學(xué)會在1970年對質(zhì)量事故的統(tǒng)計分析指出，因管理因素(包括質(zhì)量管理，技術(shù)管理，生產(chǎn)管理，計劃管理)造成的事故占88%。因而，要確保產(chǎn)品質(zhì)量，不單要靠先 進(jìn)的技術(shù)，更重要的是抓好管理。

為此，國際焊接學(xué)會第Ⅺ委員會的質(zhì)量保證工作組對焊接質(zhì)量控制作出了具體的規(guī)定，并把熱處理的控制規(guī)定了四個檢驗要點(diǎn)。國內(nèi)的各有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如SD340-89，DL5007-92等對焊接熱處理的工藝，檢驗，評定等方面都作出了相應(yīng)的規(guī)定[9]。

高速鋼與彈簧鋼焊接過后，使用能譜儀對焊縫中心觀測，如圖1所示。在熱循環(huán)過程中，C、Cr、Mo等元素發(fā)生了由齒材高速鋼向焊縫中心區(qū)的擴(kuò)散，焊縫 中其元素含量明顯高于母材 高速鋼，同時焊縫中W、V含量受到熔池稀釋作用含量較母材低。W在焊接過程中，易于C形成含 W 碳化物，且該碳化物熔點(diǎn)較高，在焊接過程中不易被溶解。表現(xiàn)為未熔碳化物。V、Mo、Cr元素為強(qiáng)碳化物形成元素，在擴(kuò)散過程中，C與它們的親和力較強(qiáng)，且C濃度越大，越易于這些元素結(jié)合形成碳化物。

3 焊縫區(qū)顯微硬度分布

對焊后材料進(jìn)行硬度分析，實驗用設(shè)備為DHV-1000數(shù)顯顯微硬度計，如圖2所示，兩材料對應(yīng)區(qū)域維氏硬度相差不大，最高硬度出現(xiàn)在高速鋼熔合區(qū)，主要相為高碳馬氏體。熱影響區(qū)發(fā)生相變，碳及合金元素從馬氏體和殘余奧氏體中脫溶，析出高彌散性的碳化物，發(fā)生馬氏體二次硬化，故此區(qū)域硬度值也很高。

4 試件退火保溫時間對焊縫硬度的影響

兩種不同組織的材料經(jīng)過焊接后，在齒背材組織不惡化的前提下，通過退火消除焊接殘余應(yīng)力、降低焊縫維氏硬度，為后續(xù)的軋平校直和洗齒及最終熱處理作相關(guān)的準(zhǔn)備。查閱相關(guān)高速鋼和彈簧鋼熱處理工藝資料，確定齒材高速鋼和背材彈簧鋼的奧氏體化溫度分別為850℃和755℃。根據(jù)現(xiàn)有退火工藝，選擇先加熱到低于奧氏體化溫度后進(jìn)行保溫。根據(jù)保溫時間的同觀察退火后試件焊縫的實際情況。退火設(shè)備為RJX49箱型電阻爐 最高溫度1000℃。

退火前焊縫維氏硬度為879HV，然而保溫2h后迅速降至 365HV，此后保溫時間逐漸增加，但齒部硬度變化卻很小，直至保溫10h后，齒部最終硬度為309HV。背部硬度也有類似規(guī)律，如圖3所示。

退火試件在保溫初期，再結(jié)晶發(fā)生軟化而導(dǎo)致硬度急劇下降，隨著保溫時間的延長，再結(jié)晶完成的同時硬度基本不再發(fā)生變化。退火后焊縫組織均勻，焊縫中心區(qū)碳化物出現(xiàn)顆粒球化現(xiàn)象，退火后的焊縫處晶粒多為柱狀晶，且沿著熔合線界面方向均勻分布。

5 結(jié)論

由于激光焊接的加工特性，高速鋼與彈簧鋼在焊接時表面溫度驟然升高后又在空氣中冷卻，相當(dāng)于將材料淬火，且在焊接中，不同元素之間的流動性增強(qiáng)，會在部分區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)碳化物，碳化物的形成提高了組織材料的硬脆行，容易開裂，這在加工生產(chǎn)中是不允許的，故焊接后的熱處理是十分必要的，論文研究發(fā)現(xiàn)在加熱到850℃后冷卻2h時材料的組織性能最優(yōu)且趨于穩(wěn)定，為生產(chǎn)加工提供了一定的技術(shù)理論支持。

[1]祁峻峰，牛振，張冬云，等.雙金屬帶鋸條異種接頭的CO激光焊接試驗研究[J].中國激光，2007，34：314-318.

[2]田燕.焊接區(qū)端口金相分析[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1992，23.

[3]趙琳.大功率光纖激光焊接過程中工藝參數(shù)對熔深和氣孔的影響[J].中國激光，2013，40（11）.

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1674-6708（2015）144-0167-02

甘肅省高等學(xué)?？蒲许椖浚?014A-149）

吳學(xué)宏，碩士研究生，研究方向：機(jī)電類專業(yè)課程的教學(xué)與研究

吳學(xué)宏