激光焊接KMN鋼的工藝參數(shù)及組織和性能

鄧德偉, 呂捷, 馬玉山, 張勇, 黃治冶，田鑫

(1.大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116024; 2.沈陽鼓風(fēng)機集團股份有限公司，沈陽 110869;3.吳忠儀表有限責(zé)任公司，寧夏 吳忠 751100；4.三一重機有限公司，上海201413)

0 前言

壓縮機葉輪的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣，這就對材料的性能提出了很高要求。早期引進于意大利的KMN鋼是一種低合金高強鋼，由于其含碳量低，綜合力學(xué)性能和焊接性較好，且成本較低，經(jīng)常用于制造離心鼓風(fēng)機和壓縮機的焊接葉輪[1-2]。

激光焊接被認(rèn)為是“21世紀(jì)最有發(fā)展前景的制造技術(shù)之一”。與傳統(tǒng)焊接方式相比，激光焊接的焊接速度快，效率高；激光焊接的能量更集中，深寬比也較大，從而有著較小的熱影響區(qū)和較小的變形；激光焊接容易實現(xiàn)自動化，且對于激光束的控制很靈活[3-5]。盡管如此，激光焊接在大型風(fēng)機葉輪的制造中仍很少得到研究和應(yīng)用。

合適的焊接工藝參數(shù)對提高焊接葉輪的整體性能至關(guān)重要[6-7]。該文通過設(shè)計正交試驗來進行不同參數(shù)組合的激光焊接試驗，分析焊接參數(shù)對KMN鋼激光焊接的影響。將激光焊與TIG焊的焊接接頭拉伸和沖擊試驗結(jié)果進行對比，并從微觀角度分析組織對激光焊接接頭性能的影響?？梢詾榧す夂附釉贙MN鋼焊接領(lǐng)域更進一步的應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)，同時對于壓縮機葉輪的制造也有一定的借鑒意義。

1 試驗材料與設(shè)備

試驗選用的材料為熱軋KMN鋼板，用于激光單板自熔焊的試板規(guī)格為100 mm × 250 mm × 6 mm，用于激光對接自熔焊的試板規(guī)格為90 mm × 90 mm × 5 mm。KMN鋼板的化學(xué)成分見表1，可以看出所用材料滿足工廠成分要求。

表1 KMN鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

試驗使用六軸機械臂的激光焊接系統(tǒng)，型號為KR120 R2700 extra HA。激光束來自TruDisk 6602碟片激光器，其技術(shù)參數(shù)見表2。激光頭型號為ALO3，可通過改變聚焦的方式改變聚焦光斑的大小。圖1為焊接時使用的裝夾系統(tǒng)示意圖，試驗過程中背面保護氣只在對接焊時打開，出氣孔設(shè)置在焊縫下端，通過試板兩側(cè)滑塊可以將保護氣較長時間地保留在焊縫下端的空腔中，以提高背面保護效果。正面和背面保護氣送氣量均為10 L/min。

表2 激光焊接系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)

圖1 裝夾系統(tǒng)

焊接完成后，用電火花線切割從各個樣品焊縫位置取下合適的試樣，用200號～1 500號砂紙對試樣進行磨制并拋光，清洗后吹干，用體積分?jǐn)?shù)4%硝酸酒精的試劑對試樣進行腐蝕。在Nikon ECLIPSE MA100金相顯微鏡下觀察焊縫橫截面的顯微組織，并采用Zeiss Supra55型場發(fā)射掃描電子顯微鏡進行微觀組織的觀察和晶粒尺寸的測量。通過X射線衍射儀(島津 XRD-6000)對材料的物相組成進行測定。由型號為MVC-1000B的維氏硬度計對焊縫進行顯微硬度測試，加載載荷300 g，保壓時間15 s。材料的拉伸試驗在DNS300電子萬能試驗機上進行，最大試驗力為300 kN。沖擊試驗在擺錘式?jīng)_擊試驗機JB-300B中進行，最大沖擊能量為300 J。

2 試驗過程和方法

2.1 激光焊接試驗正交參數(shù)選擇

正交試驗采用單板自熔焊的形式，選擇光斑直徑、焊接速度和激光功率3個參量作為因素，設(shè)計這3個因素的不同水平見表3。激光焊接前，用無水乙醇擦拭試板，以去除加工過程中產(chǎn)生的油污。

表3 正交試驗設(shè)計因素及其水平值

2.2 焊接接頭組織和性能測試

選擇能量密度較高和較低的2組參數(shù)焊接的試板，切取試樣進行金相觀察和顯微硬度測試。對焊縫橫截面拍攝不同區(qū)域的金相組織照片，隨后在焊縫橫截面中部沿水平方向測試維氏硬度。拉伸試樣按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》加工，焊縫置于試樣的中心位置。沖擊試樣按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗方法》加工，U形缺口取在焊縫上。

3 試驗結(jié)果

3.1 激光焊接正交試驗結(jié)果

試驗以熔深和飛濺熔滴數(shù)為響應(yīng)量，要求在達(dá)到較大熔深的同時獲得良好的表面質(zhì)量。采用L25(56)正交表，選定的焊接工藝參數(shù)和對應(yīng)焊縫的熔滴飛濺、熔深測量結(jié)果列于表4。其中：d表示光斑直徑；v為焊接速度；P為激光功率。選擇能量密度(激光功率與焊接速度和光斑直徑乘積的比值[8])作為綜合參量。

表4 正交試驗參數(shù)和結(jié)果

采用極差分析法對結(jié)果進行分析，以熔深、飛濺程度為響應(yīng)量，得到各響應(yīng)量的極差見表5，影響熔深的各因素主次順序為：d，P，v，而影響飛濺數(shù)量的各因素主次順序為：d，v，P。

圖2為熔深隨各因素的變化曲線，從圖2a可以看出，d對熔深的影響比較復(fù)雜，并非呈單調(diào)變化，而是表現(xiàn)為隨著d的增大，先減小后增大再減小。Katayama等人[9-10]研究了不同光斑直徑下，用10 kW功率的光纖激光器焊接304不銹鋼時的焊道熔透深度。結(jié)果表明，當(dāng)焊接速度在1～2 m/min(即16.7～33.3 mm/s)范圍內(nèi)時，相同的焊接速度下，熔深也并未隨著光斑的增大而單調(diào)減小。溫鵬等人[11]，在用3合不同光斑直徑的光纖激光器焊接304鋼平板時也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。根據(jù)激光原理[12]；聚焦光斑直徑與聚焦透鏡焦距成正比，與發(fā)散角成反比。因而當(dāng)改變透鏡焦距使光斑直徑增大時，發(fā)散角減小，從而使光束在熔池中的傳播和能量的傳遞發(fā)生變化，更多的能量作用于小孔底部，使熔池的寬度減小。另外，隨著光斑直徑的增大，功率密度減小，熔透能力下降。這兩方面綜合作用，導(dǎo)致了熔深的變化。圖2b和2c為熔深隨焊接速度v和激光功率P的變化曲線。如圖所示，隨著v增加熔深減小，而隨著P的增加熔深變大。這是因為，其他參數(shù)不變時，v增加導(dǎo)致單位時間作用在單位長度上的激光能量(即熱輸入)降低，從而使熔深減?。籔增加導(dǎo)致熱輸入升高，使得熔深也增大。

表5 正交試驗的響應(yīng)量極差表

圖3為飛濺程度隨各因素的變化曲線。圖3a也呈現(xiàn)出非單調(diào)變化且曲線形態(tài)與圖2a相似。當(dāng)d為1.0mm和2.0 mm時，飛濺的程度最小。隨著光斑直徑的增加，焊縫的橫截面逐漸由釘子形轉(zhuǎn)變?yōu)榈瑰F形，表明激光傳遞能量的方式也由小孔型向熱傳導(dǎo)型轉(zhuǎn)變。而熱傳導(dǎo)型焊縫的熔池相比小孔型熔池更加穩(wěn)定，不易產(chǎn)生飛濺，因而在大光斑下飛濺較少。圖3b和圖3c為飛濺程度隨v和P變化的曲線，隨著v和P的增加，飛濺程度增大。這是因為，飛濺程度的大小與熔池的穩(wěn)定性有關(guān)，增大v和P使熔池中金屬溶液的流動更加紊亂，熔體的垂直動量更容易滿足克服表面張力的要求，因而更容易產(chǎn)生飛濺[13-14]。

圖2 熔深隨各因素的變化

圖3 飛濺程度隨各因素的變化

焊接效果采用加權(quán)評分的方式來評估，熔深以最大值5.18 mm為10分，最小值3.38 mm為0分；飛濺以最小值4個為10分，最大值40個為0分。中間值按等間距劃分，并對熔深和飛濺評分分別乘以0.5后相加，最終得到的評分值與能量密度的關(guān)系如圖4所示?？梢钥吹侥芰棵芏容^大時評分較高，評分最高的3組編號為21號、1號和4號。考慮到21號參數(shù)組合能耗較高，選擇1號參數(shù)組合。

圖4 焊接效果與能量密度的關(guān)系

3.2 焊接接頭的組織和性能

3.2.1宏觀形貌和顯微組織分析

根據(jù)能量密度高低選取出3號和23號2個參數(shù)下的試樣，其相應(yīng)的能量密度分別為214.3 J/mm2和80.4 J/mm2。圖5為3號和23號試樣的焊縫橫截面形貌，可以明顯地看出3號焊縫截面為釘子形，而23號焊縫接近倒錐形。能量密度較高的3號焊縫熔深和熔寬明顯大于23號，計算得3號和23號焊縫的深寬比分別為1.25和1.06。

圖5 高、低能量密度下激光焊焊縫橫截面宏觀形貌

圖6為3號焊縫母材和焊縫的金相組織。圖6a為母材區(qū)域，其組織為板條馬氏體(白色)和斷續(xù)鏈狀分布的鐵素體以及碳化物(黑色)。圖6b中熔化區(qū)的顯微組織主要是白色的板條馬氏體，并有少量鐵素體和細(xì)小的碳化物分布在原奧氏體晶界和馬氏體板條界處。圖6c為緊靠熔合線的熱影響區(qū)組織形貌，可看到等軸狀原奧氏體晶粒內(nèi)分布著不同取向馬氏體束，此區(qū)域晶粒尺寸較大，稱為粗晶熱影響區(qū)[15]。這是由于該區(qū)靠近熔化區(qū)，高溫奧氏體區(qū)停留時間較長，使晶粒發(fā)生粗化。圖6d為遠(yuǎn)離熔合線的熱影響區(qū)組織形貌，此區(qū)域的組織由回火馬氏體和大量彌散分布的黑色碳化物組成。該區(qū)域在焊接時被加熱到奧氏體化溫度以下，馬氏體發(fā)生回火，析出大量的碳化物[16-18]。

圖6 3號試樣的金相組織

圖7為3號和23號試樣焊縫熔化區(qū)的SEM照片，其組織中馬氏體板條寬度分別約為0.72 μm和0.50 μm。3號試樣由于焊接能量密度較高，焊縫區(qū)域的冷卻速度慢，晶粒易長大，因而馬氏體板條也較為粗大。

圖7 3號和23號試樣焊縫的SEM二次電子像

圖8給出了母材、3號試樣和23號試樣焊縫的X射線衍射譜。衍射譜中3個試樣均只含有α相的衍射峰而沒有γ相的衍射峰，表明焊縫組織主要為馬氏體而沒有大量的殘余奧氏體。

圖8 母材、3號和23號試樣焊縫的X射線衍射譜

3.2.2顯微硬度分析

圖9為3號和23號焊接試樣不同區(qū)域的硬度曲線。3號試樣的熔化區(qū)平均硬度為428 HV，母材平均硬度為368 HV，約為熔化區(qū)的86%。硬度最低的位置出現(xiàn)在熱影響區(qū)中緊靠熔合線的位置，硬度約為326 HV，僅為熔化區(qū)的76%。結(jié)合金相觀察可知，晶粒粗化是該區(qū)域硬度下降的主要原因。遠(yuǎn)離熔合線的熱影響區(qū)硬度逐漸升高，甚至略高于母材，這與該區(qū)在焊接時不完全奧氏體化，冷卻過程中形成部分馬氏體以及碳化物彌散分布有關(guān)。23號與3號相似，最高硬度值同樣出現(xiàn)在熔化區(qū)，約為447 HV，最低硬度值出現(xiàn)在熔合線附近的熱影響區(qū)，約為386 HV，是熔化區(qū)的86%?？梢钥吹匠覆耐?，23號試樣各區(qū)域硬度均高于3號相應(yīng)區(qū)域，這與能量密度降低使晶粒細(xì)化有關(guān)。

圖9 3號和23號焊接試樣不同區(qū)域的硬度曲線

3.2.3激光對接焊接頭形貌及拉伸性能

經(jīng)單板激光自熔焊正交試驗優(yōu)化參數(shù)后，對KMN鋼進行對接焊。對接焊由于間隙的存在，光束更容易到達(dá)試板底部，故相同參數(shù)的激光束在對接時獲得的熔深更大，因此對接焊時需對前述優(yōu)化參數(shù)進行適當(dāng)調(diào)整，在保證全熔透的同時，盡量減少飛濺和塌陷等缺陷。調(diào)整后的激光參數(shù)為：激光光斑直徑0.8 mm，焊接速度30 mm/s，激光功率4.5 kW。圖10為利用該參數(shù)得到焊縫的外觀形貌，焊縫上表面周圍較光滑且沒有飛濺，大部分區(qū)域呈金黃色，局部因氧化而呈灰黑色，焊縫呈連續(xù)的魚鱗狀；下表面的飛濺也較少，焊縫均勻連續(xù)，因背面的保護氣裝置效果較好，導(dǎo)致焊縫背面未受氧化整體呈銀白色。

圖10 優(yōu)化參數(shù)下激光對接焊焊縫表面宏觀形貌

為了考察焊縫是否符合工程要求，采用工廠中普遍使用的焊接方法——手工TIG填絲焊(焊絲牌號為ER 90S-B3，直徑1.2 mm)焊接相同厚度的KMN鋼板(焊接電流105 A，電弧電壓13 V)，焊后檢測其拉伸性能并與激光焊焊縫進行對比。表6列出了兩種焊接方法獲得焊接接頭的力學(xué)性能，激光焊接頭的抗拉強度、屈服強度及斷后伸長率均高于手工TIG填絲焊接頭，而沖擊韌性略低。

表6 優(yōu)化參數(shù)下激光焊接頭與TIG焊接頭力學(xué)性能對比

圖11a為優(yōu)化參數(shù)激光對接焊試板的拉伸斷裂試樣，接頭位于試樣的中間位置，從圖中可以看出試樣斷裂在母材處，表明焊縫的強度高于母材。圖11b為激光焊拉伸試樣斷口，主要由纖維區(qū)和剪切唇組成，說明材料的塑性較好。圖11c、圖11d為TIG填絲焊拉伸斷裂試樣及其斷口，可以看出，試樣斷裂面與拉伸方向呈一定角度貫穿整個焊縫，斷口近似呈階梯型。由于其斷口處發(fā)生頸縮，且斷裂延伸率為10.5%，可以推斷其發(fā)生塑性斷裂。但因填充材料的強度低于母材，導(dǎo)致斷裂發(fā)生在焊縫區(qū)。

圖11 優(yōu)化參數(shù)下激光焊接頭與TIG焊接頭拉伸斷裂試樣對比

4 結(jié)論

(1)在選定的試驗參數(shù)范圍內(nèi)，通過極差分析可知，隨著激光光斑直徑d從0.8 mm增大到2.0 mm，KMN鋼激光自熔焊焊縫的熔深值和焊縫表面的飛濺數(shù)量的變化規(guī)律接近，均呈非單調(diào)變化，在d= 1.2 mm時達(dá)到最大，在d= 2.0 mm時最??；隨著焊接速度的增大，焊縫熔深值緩慢減小，而飛濺數(shù)量緩慢增多；焊縫熔深值和飛濺數(shù)量均隨著激光功率的增大而增大。通過加權(quán)評分的方法得到的優(yōu)焊接參數(shù)為：光斑直徑0.8 mm，焊接速度24 mm/s，激光功率4.2 kW。

(2)焊縫熔化區(qū)顯微組織為白色板條馬氏體，并含有少量鐵素體和細(xì)小碳化物，緊靠熔合線的熱影響區(qū)處，原奧氏體為較粗的等軸晶，而遠(yuǎn)離熔合線的熱影響區(qū)組織為馬氏體和彌散分布的黑色碳化物。能量密度高時，焊縫熔深和熔寬較大，形成的馬氏體較為粗大；能量密度低時，與之相反。

(3)接頭熔化區(qū)的硬度最高，母材次之，熱影響區(qū)最低；能量密度低的焊接接頭各區(qū)域顯微硬度高于能量密度高的焊接接頭；激光對接焊拉伸試樣在母材處發(fā)生斷裂，相比于手工TIG焊接接頭，激光焊接接頭的強度、塑性更高，而沖擊韌性略低。