A514鋼和D500鋼在激光電弧復(fù)合焊下接頭顯微組織與力學(xué)性能研究

管佳佳，程 超，王熙熙，王曉云

（安徽信息工程學(xué)院 機械系，安徽 蕪湖 241000）

A514鋼和D500鋼在激光電弧復(fù)合焊下接頭顯微組織與力學(xué)性能研究

管佳佳，程 超，王熙熙，王曉云

（安徽信息工程學(xué)院 機械系，安徽 蕪湖 241000）

通過激光電弧復(fù)合焊，采用X射線衍射法測量其殘余應(yīng)力；然后取樣、對試樣進行鑲嵌，用砂紙對試樣進行研磨、磨光、拋光、腐蝕、拍攝金相；最后對試樣的硬度進行測量.實驗結(jié)果表明，在本課題研究范圍內(nèi)，同種鋼A514接頭的殘余應(yīng)力峰值小于異種鋼A514-D500的殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力的分布規(guī)律與硬度的分布規(guī)律較為一致.

激光電弧復(fù)合焊；殘余應(yīng)力；金相組織；硬度

1 引言

1.1 激光電弧復(fù)合焊的背景

就目前由于激光焊接的成本仍然較高，因此以激光為核心的復(fù)合熱源焊接技術(shù)孕育而生.激光電弧復(fù)合熱源焊接技術(shù)是1976年由英國學(xué)者W.Steen首次提出的，幾十年來，人們研究最多，應(yīng)用最廣的還是激光電弧復(fù)合熱源焊接技術(shù)，它的主要目的是有效地應(yīng)用電弧熱源，以減小激光的應(yīng)用成本、降低激光焊接的裝配精度.激光與電弧聯(lián)合應(yīng)用進行焊接有兩種方式，一種是沿焊接方向，激光與電弧間距較大，前后串聯(lián)排布，兩者作為獨立的熱源作用于工件，主要是利用電弧熱源對焊縫金屬進行預(yù)熱或后熱，達到提高吸收率、改善焊縫組織性能的目的.另外一種方式是激光與電弧共同作用于熔池，焊接過程中，激光與電弧之間存在相互作用和能量的耦合，也就是激光電弧復(fù)合熱源焊接.

1.2 激光電弧復(fù)合焊基本原理

激光-電弧復(fù)合焊接時，激光作用產(chǎn)生的金屬蒸汽進入電弧區(qū)，由于金屬蒸汽電離能較低，更容易電離，導(dǎo)致電弧通道的電阻降低，電弧電流密度增加，電弧穩(wěn)定性增強，電弧的能量利用率提高.同時激光作用形成的小孔處溫度較高，熱發(fā)射電子比較容易，因此電弧被壓縮并吸引進入小孔中，復(fù)合熱源的能量利用率提高，產(chǎn)生相互增強的協(xié)同效應(yīng)，可使焊接效率、過程穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量進一步提高.

2 激光電弧復(fù)合焊下，同種鋼、異種鋼接頭殘余應(yīng)力的比較

2.1 本文主要研究內(nèi)容

伴隨著激光電弧復(fù)合焊的發(fā)展，其焊接特點正逐漸被人們所知曉，尤其是其焊接速度快、熔深大、單面焊雙面成型好、一次性焊層厚度厚的優(yōu)勢.但是，由于激光電弧復(fù)合焊的能量高且在焊接過程中易在焊縫及其熱影響區(qū)形成二級結(jié)晶，對材料的內(nèi)部組織產(chǎn)生一定的變化，從而對材料的金相組織，硬度分布和殘余應(yīng)力產(chǎn)生比較大的影響.

（a）本文主要對在激光電弧復(fù)合焊下的同種鋼A514+ A514和異種鋼A514+D500的焊接接頭的殘余應(yīng)力的進行測量和比較.

（b）繪圖分析殘余應(yīng)力的分布變化，測量繪圖分析硬度的分布變化以及觀察金相組織的變化.

（c）比較異種鋼的殘余應(yīng)力，包括橫向殘余應(yīng)力和縱向殘余應(yīng)力的分析比較.

（d）比較同一接頭的殘余應(yīng)力、硬度分布規(guī)律及金相組織變化.

2.1.1 焊接殘余應(yīng)力的概念

焊接構(gòu)件由焊接而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力稱為焊接應(yīng)力.按作用時間可分為焊接瞬時應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力，焊接過程中，某一瞬時的焊接應(yīng)力稱為焊接瞬時應(yīng)力，它隨時間而變化:焊后殘留在焊件內(nèi)的焊接應(yīng)力稱為焊接殘余應(yīng)力.焊件焊后的熱應(yīng)力超過彈性極限，以致冷卻后焊件中留有未能消除的應(yīng)力.

2.1.2 焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因及影晌因素

焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的主要原因是由焊接過程中不均勻加熱所引起的.焊接應(yīng)力按其發(fā)生源來區(qū)分.有如下3種情況:A:直接應(yīng)力，這是進行不均勻加熱和冷卻的結(jié)果.它取決于加熱和冷卻時的溫度梯度.是形成焊接殘余的主要原因，B:間接應(yīng)力.這是由焊前加工狀況所造成的應(yīng)力.構(gòu)件若經(jīng)歷過軋剎或拉拔時，都會使之具有此類殘余應(yīng)力.這.C:組織應(yīng)力.這是由組織變化而產(chǎn)生的應(yīng)力也就是相變造成的比容變化而產(chǎn)生的應(yīng)力.

影響因素：（1）材料物理特性和力學(xué)性能的影響.一些常用材料的熱物理特性在給定的溫度T區(qū)間的平均值熱導(dǎo)率α、比熱容C、密度ρ或由這幾個參數(shù)聯(lián)合表示的熱擴散率以及熱焓S是影響焊接溫度場分布的主要物理參數(shù).線膨脹系數(shù)隨溫度的變化則是決定焊接熱應(yīng)力、應(yīng)變的重要物理特性.

（2）不同類型焊接熱源的影響，焊接時的熱輸入是產(chǎn)生焊接應(yīng)力的決定性因素，焊接熱源的種類熱、熱源能量的密度的分布、熱源的移動速度，被焊接件的形狀與厚度都直接影響著熱源引起的溫度場分布同，因而也改變焊接殘余應(yīng)力的分布規(guī)律.

2.1.3 研究焊接殘余應(yīng)力的意義

（1）對結(jié)構(gòu)剛度的影響 當外載產(chǎn)生的應(yīng)力與結(jié)構(gòu)中某區(qū)域的殘余應(yīng)力疊加之和達到屈服點時，這一區(qū)域的材料就會產(chǎn)生局部塑性變形，喪失了進一步承受外載的能力，造成結(jié)構(gòu)的有效截面積減小，結(jié)構(gòu)的剛度也隨之降低.

（2）對受壓桿件穩(wěn)定性的影響 當外載引起的壓應(yīng)力與殘余應(yīng)力中的壓應(yīng)力疊加之和達到屈服點口，這一部分截面就喪失進一步承受外載的能力.這就削弱了構(gòu)件的有效截面積，并改變了有效截面積的分布，降低了受壓桿件的穩(wěn)定性.

（3）對靜載強度的影響 沒有嚴重應(yīng)力集中的焊接結(jié)構(gòu)，只要材料具有一定的塑性變形能力，殘余應(yīng)力不影響結(jié)構(gòu)的靜載強度.反之，如材料處于脆性狀態(tài)，則拉伸殘余應(yīng)力和外載應(yīng)力疊加有可能使局部區(qū)域的應(yīng)力首先達到斷裂強度，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)早期破壞.

（4）對疲勞強度的影響 殘余應(yīng)力的存在使變載荷的應(yīng)力循環(huán)發(fā)生偏移.這種偏移，只改變其平均值，不改變其幅值.結(jié)構(gòu)的疲勞強度與應(yīng)力循環(huán)的特征有關(guān)，當應(yīng)力循環(huán)的平均值增加時，其極限幅值就降低，反之則提高.

2.2 試驗的材料及其性能

本課題所用的材料分別是鋼材A514和D500.

A514是ASTM標準下的經(jīng)淬火與回火的高強度可焊接鋼板，主要用途是用在需要高抗拉，高屈服的場所，它的硬度在235-290之間，屈服大于630MPa，抗拉強度在700MPa以上，此種鋼板加工難度較大一點，國內(nèi)用的地方不是太多，但在美國，A514的使用量非常之大.

D500是高強度淬火回火鋼，它是一種船體用鋼，它是按照其最小屈服點來劃分的級別.具有很高的強度.

2.2 試驗方法及過程

表1 A514鋼的成分和性能

表2 D500的成分和性能

2.2.1 殘余應(yīng)力的測量

測量采用一定規(guī)格的A514和D500試樣，選用適當焊接工藝參數(shù)進行激光電弧復(fù)合焊對接板焊接試驗.復(fù)合焊接時的試板開Y形坡口，焊后對試板進行清理、標號，為后面的試驗做準備.

殘余應(yīng)力的測量采用X射線衍射法：晶體在應(yīng)力作用下原子間的距離發(fā)生變化，其變化與應(yīng)力成正比.如果能直接測得晶格尺寸，則可不破壞物體而直接測出內(nèi)應(yīng)力的數(shù)值.當X射線以掠角θ入射到晶面上時（圖2），如能滿足公式2dsinθ=nλ式中d為晶面之間的距離，λ為X射線的波長，n為任一正整數(shù)，則X射線在反射方向上將因干涉而加強.根據(jù)這一原理可以求出d值.用X射線以不同角度入射物體表面，則可測出不同方向的d值，從而求得表面內(nèi)應(yīng)力.

2.2.2 X射線衍射儀

生產(chǎn)過程中，工件在經(jīng)熱處理、機械加工、焊接、表面處理等工序處理時就會產(chǎn)生殘余應(yīng)力.這類應(yīng)力會永久的影響工件抗力，尤其在有應(yīng)變的情況下，它往往導(dǎo)致工件的斷裂，這種斷裂原因用冶金學(xué)無法解釋.殘余應(yīng)力的分析越來越重要.焊接工件、齒輪、噴丸或噴砂工件，以及工件進行熱處理或其它工序時，都可以借助X射線衍射進行控制和監(jiān)督.金屬中的應(yīng)力測量是根據(jù)原子面間距大小反映應(yīng)力大小的原理來實現(xiàn)的.通過X射線在分析部位的衍射來測量原子面間距.即使殘余奧是體含量很低（5%）也能導(dǎo)致工件變形而使其不能使用.例如：內(nèi)燃發(fā)動機的噴射器銷、球軸承溝槽.測定它們的存在，可以改進熱處理工藝.

將焊接完成的同種鋼和異種鋼的試樣，進行表面清潔處理，選取合適的焊縫部位，在相應(yīng)的距離上取點，進行幾組殘余應(yīng)力的測量，并且認真記錄下殘余應(yīng)力的數(shù)值，最后進行重復(fù)性試驗.

2.3 實驗方案

用激光—電弧復(fù)合焊對同種鋼A514+A514和異種鋼A514+D500進行焊接，對焊接完成的試驗，選取合適的焊縫，并且進行焊接殘余應(yīng)力的測量.將焊接完成的鋼材進行切取，磨光，拋光，腐蝕處理，在顯微鏡下，觀察鋼材的表面特征，并進行焊接接頭組織觀察、硬度分布測試等，并進行必要的重復(fù)性試驗和補充試驗.

金相試樣的制備：

（1）試樣的切取

在焊接完成后，對焊接的試樣接頭進行表面的清洗，在相對較好的表面上進行試樣的切取.

（2）砂輪磨平

確認需要磨平的試樣表面，磨平面就是試樣的被觀察表面.將試樣的磨面正對著砂輪大側(cè)平面，并使兩平面相互平行.在磨削過程中，應(yīng)將試樣不斷浸水冷卻，以防磨面局部過熱.待試樣切割時的表面損傷層去除后，觀察試樣磨面，若整個磨面已處于同一平面，并且磨削后的條痕粗細及方向均勻一致，就可以停止磨削.如果磨面不是在同一平面內(nèi)，或者磨面上的磨痕粗細不均勻、方向不一致，則需要繼續(xù)進行磨削，但此時應(yīng)輕輕施力，以便達到磨平的目的.

（3）試樣鑲嵌

當試樣形狀不規(guī)則、尺寸過小、較軟、易碎或邊緣需要保護時，須將試樣鑲嵌起來，以便于金相試樣的制備.

本實驗采用冷鑲法，將配置好的鑲嵌樹脂攪拌均勻，沿著模具內(nèi)壁緩緩倒入樹脂，直至將模具澆注滿為止，在背面加上標注.把澆注完得鑲嵌試樣放在通風(fēng)陰涼處，靜置24h即硬化.

（4）砂紙磨制

本實驗采用手工磨樣，試樣磨制分為粗磨，半精磨和精磨.在水砂紙上進行粗磨，從顆粒號180的砂紙開始向700號順序磨制，然后再在700到1000號的水砂紙上進行半精磨，當試樣開始精磨時，精磨在金相砂紙上，金相試紙必須平鋪在光滑平整的表面，否則會產(chǎn)生嚴重的后果，當試紙平鋪后，將試樣按一定的位置，沿一定的順序進行研磨.

（5）試樣拋光

經(jīng)過金相砂紙細磨后的試樣待檢驗表面，仍然存在輕度的表面加工損傷層，而且其表面存在細磨痕.因此必須對磨面進行拋光，才能滿足顯微組織的顯示要求.

本實驗使用單盤金相拋光機、Cr2O3拋光粉和金絲絨拋光布.

（6）顯微分析試樣的組織顯示和金相觀察

焊接接頭顯微分析試樣的顯示主要采用化學(xué)試劑浸蝕法.本實驗采用浸入法，將試樣浸入盛有4%硝酸酒精溶液的玻璃皿中，磨面朝下接觸試劑，浸蝕4-5秒后用清水沖洗并用電吹風(fēng)機吹干.

使用金相顯微儀在放大400倍下觀察焊接接頭的母材區(qū)、熱影響區(qū)和焊縫區(qū)金相組織，并拍攝金相圖片.

2.4 顯微硬度測量

硬度是衡量金屬材料軟硬程度的性能指標.硬度值實際上不是一個單純的物理量，它是表征材料的彈性、塑性、強度和韌性等一系列不同物理量組合的一項綜合指標.

本實驗測量維氏顯微硬度，試樣測定時，在載荷P的作用下，試樣表面上壓出一個四方錐形的壓痕，測量壓痕對角線長度d（mm），據(jù)此計算壓痕的表面積F（mm2），以P/F的數(shù)值表示試樣的硬度值，用符號HV表示.

在MH-3型顯微硬度儀上進行硬度測量，參數(shù)設(shè)置為：載荷300g，保持載荷10s.在焊縫上表面以下1mm處測一條線上的硬度，從焊縫中心向兩邊取點，每隔1mm測一個點.記錄數(shù)據(jù)，然后通過origin繪圖軟件做出不同焊接參數(shù)下焊縫區(qū)的顯微硬度分布.

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 異種鋼焊接接頭的正面背面橫向、縱向殘余應(yīng)力的分析、比較

焊接溫度場消失后的應(yīng)力稱為焊接殘余應(yīng)力.產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因：焊接過程的不均勻溫度場以及由它引起的局部塑性變形和比容不同的組織是產(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形的根本原因.縱向殘余應(yīng)力是由于焊縫縱向收縮引起的，橫向殘余應(yīng)力產(chǎn)生是由焊縫及其附近塑性變形區(qū)的橫向收縮和縱向收縮共同作用的結(jié)果

圖3 異種鋼A514-D500焊縫正面的縱向殘余應(yīng)力

圖4 異種鋼A514-D500焊縫正面的的橫向殘余應(yīng)力

通過觀察圖4和圖5，可以發(fā)現(xiàn)許多相似之處，正面的橫向應(yīng)力普遍表現(xiàn)為拉應(yīng)力，而背面的橫向應(yīng)力普遍表現(xiàn)為壓應(yīng)力.且圖形表現(xiàn)的趨勢是相同的.正面的拉應(yīng)力和背面的壓應(yīng)力相互可以抵消，例如，圖4的3mm到15mm表現(xiàn)為拉應(yīng)力，而-13到-2mm表現(xiàn)為壓應(yīng)力.但是，圖5和圖8峰值部分，表現(xiàn)的有差異，在圖3的-7mm到0之間，表現(xiàn)為平滑的曲線，且規(guī)律比較明顯，但是，圖3的0到9mm并不像圖6那樣平滑，其原因可能是由于正面和背面的成分不一樣、加熱冷卻速度也不一樣導(dǎo)致.圖中的上面的橫向殘余應(yīng)力和縱向殘余應(yīng)力與背面的橫向殘余應(yīng)力和縱向殘余應(yīng)力相互對應(yīng).

宏觀上是因為正面的焊接，焊縫受熱而膨脹，導(dǎo)致拉應(yīng)力很大，而背面的壓應(yīng)力很大，從而導(dǎo)致上面的橫向殘余應(yīng)力和縱向殘余應(yīng)力表現(xiàn)為拉應(yīng)力，而背面的是壓應(yīng)力.

微觀上，焊縫加熱到一定溫度，當溫度下降時，發(fā)生二次結(jié)晶，從而導(dǎo)致正的殘余應(yīng)力，而背面為了保持平衡，表現(xiàn)為負的殘余應(yīng)力.

圖5 異種鋼A514-D500焊縫背面橫向殘余應(yīng)力

圖6 異種鋼A514-D500焊縫背面縱向殘余應(yīng)力

3.2 同種鋼A514+A514和異種鋼A514+D500在激光復(fù)合焊下的金相組織

圖7 A514熱影響區(qū)

圖8 A514焊縫

觀察上圖，7、8是同種鋼A514在激光電弧復(fù)合焊下熱影響區(qū)、焊縫的金相組織結(jié)構(gòu).圖10的組織成分是馬氏體和少量貝氏體.

圖9 A514-D500——A514側(cè)焊縫

圖9是異種鋼A514-D500在激光電弧復(fù)合焊下的A514的影響區(qū)、A514的母材、A514的影響區(qū)、D500的母材、D500的影響區(qū)、D500的焊縫、焊縫中間部分的金相組織結(jié)構(gòu).其組織分別是鐵素體和奧氏體、鐵素體和珠光體、馬氏體和少量貝氏體、珠光體和鐵素體、珠光體和奧氏體、鐵素體和奧氏體、鐵素體和奧氏體.

圖10 D500焊縫

圖11 D500影響區(qū)

圖10、11分別表示同種鋼D500的焊縫和影響區(qū)，母材用400倍的顯微鏡看不清楚，圖10的組織成分是奧氏體和鐵素體，圖11的組織成分是鐵素體和奧氏體.

3.3 同種鋼A514+A514和異種鋼A514+D500在激光電弧復(fù)合焊下硬度分布

圖12 A514的硬度分布

圖13 同種鋼D500+D500的硬度分布

由圖12可以看出，A514母材的硬度在235-290之間，當同種鋼A514進行相互對接時，焊接接頭的硬度由母材向焊縫逐漸增大，其中在熱影響區(qū)，上升的速度非常明顯，以焊縫軸線為中心線，兩邊的硬度分布相互對稱.在激光電弧復(fù)合焊下，接頭部分的溫度較高，當以較高的速度進行連續(xù)冷卻時，焊接接頭的組織為少量的貝氏體，大量的馬氏體和殘余奧氏體，所以，在接頭的熱影響區(qū)和焊縫的硬度較高.

由圖13可以看出，在同種鋼D500焊接接頭的焊縫處，硬度比兩邊低很多，這是因為D500的焊縫處的組織成分多為鐵素體.

4 結(jié)論

通過對在激光電弧復(fù)合焊下，同種鋼A514+A514和異種鋼A514+D500的殘余應(yīng)力的進行比較，可以看出，焊接接頭的焊縫處，橫向殘余應(yīng)力和縱向殘余應(yīng)力都表現(xiàn)為拉應(yīng)力，焊縫周圍表現(xiàn)為壓應(yīng)力，因為焊縫在焊接過程中，一方面因為焊接冷卻的速度較快，焊縫部分膨脹后，殘余應(yīng)力得不到回復(fù)，另一方面，焊縫處存在二次結(jié)晶，導(dǎo)致焊縫膨脹無法回復(fù)，從而導(dǎo)致焊縫部分產(chǎn)生拉應(yīng)力，為了保持應(yīng)力的平衡，焊縫周圍表現(xiàn)為壓應(yīng)力.同種鋼A514+A514，它們的焊縫的中心表現(xiàn)為拉應(yīng)力，焊縫兩側(cè)表現(xiàn)為壓應(yīng)力，且焊縫中心的拉應(yīng)力遠大于焊縫兩側(cè)，這是由于焊縫的中心更多的存在馬氏體等組織.異種鋼A514+D500，焊縫中心的應(yīng)力值相對較小，焊縫兩側(cè)的應(yīng)力比焊縫中心略有差別.且圖形表現(xiàn)的趨勢是相同的.殘余應(yīng)力的大小與硬度的分布密切相關(guān)，與金相組織也有一定的關(guān)系.殘余應(yīng)力的分布規(guī)律與硬度的分布規(guī)律較為一致；硬度隨著金相組織的變化而變化.

在本課題內(nèi)，同種鋼A514+A514焊接接頭的殘余應(yīng)力峰值小于異種鋼A514-D500的殘余應(yīng)力峰值，殘余應(yīng)力的大小與金相組織，硬度的分布有關(guān).

〔1〕陳彥賓.現(xiàn)代激光焊接技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，P103-111.

〔2〕楊修榮.綜合性能優(yōu)異的激光復(fù)合焊[J].珠海市科盈焊接器材有限公司.航空制造技術(shù)，2005(1).

〔3〕嚴軍，曾曉雁，高明，等.316L不銹鋼激光一鎢極惰性氣體復(fù)合焊接工藝研究[J].激光技術(shù)，2007，31(5)：489-452．

〔4〕高明，曾曉雁，胡乾午，等.CO：激光一TIG復(fù)合焊接氣體的保護方式[J].中國激光，2006，33(10)：1422-1428．

〔5〕高明，曾曉雁，胡乾午，等.激光一電弧復(fù)合焊接咬邊缺陷分析及抑制方法[J].焊接學(xué)報，2008，29(6)：85-88．

〔6〕張旭東，陳武柱，雙元卿，等.CO激光一MIG同軸復(fù)合焊方法及鋁合金焊接的研究[J].應(yīng)用激光，2005，25(1)：1-3.

TG456

A

1673-260X（2017）08-0024-05

2017-04-08

北京市自然科學(xué)基金項目（2112011）；北京市教委科研計劃面上項目（SQKM20120011009）；2.2016年安徽省教育廳自然基金重大項目（KJ2016SD07）