預熱溫度對AH36激光焊縫組織及硬度的影響

李赫， 王磊， 黃勇， 周明， 周琦， 王克鴻

(1.南京理工大學，南京210094；2.江蘇靖寧智能制造有限公司, 江蘇 靖江 214513)

0 前言

AH36鋼因其較好的綜合性能與可焊性目前在船舶領域得到了廣泛應用[1-2]。激光焊接具有效率高、成形好、功率大等優(yōu)點，可以有效進行船舶鋼結構件焊接[3-4]。但由于激光焊接冷卻速度較快，使得激光焊接接頭中易出現大量的馬氏體組織，馬氏體作為典型的脆硬相，焊縫中馬氏體含量過多易導致冷裂紋等缺陷[5]，影響接頭沖擊韌性等力學性能[6]。已有研究表明，通過焊前預熱，可以有效的對焊接接頭力學性能進行改善。徐學利等人[7]通過控制預熱溫度，提升了X100管線鋼焊接接頭的抗冷裂性能；岑耀東等人[8]通過焊前預熱工藝，使電阻焊焊接接頭的拉剪載荷提高了7%以上，并改善了接頭的斷裂形態(tài)。

為有效改善AH36船舶鋼焊接接頭性能，文中通過平板對接激光焊接試驗，研究了不同預熱溫度下接頭微觀組織構成與分布，以及預熱溫度對接頭顯微硬度影響，為合理優(yōu)化焊接工藝提供理論依據。

1 試驗方法

試驗所用材料為AH36船舶鋼，其化學成分見表1，母材顯微組織主要由鐵素體與少量珠光體組成。焊接過程如圖1所示，所用的激光器為YLS-10000，焊接機器人為KUKA KR16。采用無間隙平板對接方式進行焊接試驗，對接后板材尺寸為400 mm×150 mm×6 mm，焊接過程中未使用填充焊絲。

圖1 焊接示意圖

表1 AH36船舶鋼化學成分(質量分數,%)

為分析不同預熱溫度對AH36激光焊接接頭組織與性能影響，使用電加熱陶瓷片對板材進行焊前預熱處理，預熱溫度分別為28 ℃(室溫)、128 ℃與250 ℃。不同預熱溫度下，焊接參數保持一致，激光功率為5.5 kW，離焦量為0 mm，焊接速度為1.8 m/min，焊接過程所用保護氣為純氬，氣體流量15 L/min。焊后采用電火花切割制作焊接接頭，經質量分數為4%的硝酸酒精熔液腐蝕后，使用Olympus-GX41光學顯微鏡進行顯微組織觀察，使用維氏硬度測試儀(HVS-50)進行顯微硬度測試。

2 結果與討論

2.1 微觀組織分析

室溫28 ℃下所得焊接接頭微觀組織形貌如圖2所示。可分為焊縫(WM)與熱影響區(qū)(HAZ)兩部分，焊縫組織呈明顯的柱狀晶特征，生長方向基本垂直于熔合線，這是因為該方向溫度梯度大，熔池液態(tài)金屬更易結晶。焊縫中心上下區(qū)域微觀組織均以板條狀馬氏體(M)為主，夾雜較小的粒狀貝氏體(B)。焊縫邊緣處，馬氏體等微觀組織晶粒更為粗大，與熱影響區(qū)間出現明顯的過渡區(qū)域。熱影響區(qū)中除板條馬氏體外，可觀察到未奧氏體化的鐵素體母材(F)與細小的殘余奧氏體，預熱溫度的改變對熱影響區(qū)組織分布與形態(tài)影響較小。

圖2 28 ℃下焊接接頭微觀組織形貌

預熱溫度為128 ℃時，焊接接頭微觀組織形貌如圖3所示。研究表明，焊接熔池從800 ℃冷卻至500 ℃階段相變劇烈，對接頭組織轉變與力學性能起著決定性的影響[9-10]。預熱溫度增加會造成熱量堆積，進而導致冷卻階段冷卻速度降低，冷卻過程中溫度停留在Ms點以上的時間更長，最終導致生成的粒狀貝氏體數目增加，板條狀馬氏體數目減少。

圖3 128 ℃下焊接接頭微觀組織形貌

預熱溫度為250 ℃時，焊接接頭微觀組織形貌如圖4所示。此時冷卻速度進一步降低，焊縫中微觀組織主要以貝氏體為主，焊縫中生成的馬氏體依然呈板條狀。此外，還出現了由板條狀鐵素體與條間分布的不連續(xù)碳化物構成的羽毛狀上貝氏體(Bu)，由于鐵素體板條間所析出的滲碳體呈脆性，上貝氏體的出現會對接頭的塑性與韌性造成影響。焊縫不同區(qū)域熔寬變化如圖5所示，隨預熱溫度升高，焊縫區(qū)域不同位置處熔寬尺寸明顯增加，熱影響區(qū)范圍也有所擴大。焊縫中馬氏體組織分數與貝氏體組織分數變化曲線如圖6所示，室溫時，A點與C點馬氏體組織分數分別可達84.4%與87.1%，預熱溫度為250 ℃時，其組織分數分別降低至45.9%與53.2%。對應的，貝氏體組織分數則隨預熱溫度升高呈明顯的上升趨勢。

圖4 250 ℃下焊接接頭微觀組織形貌

圖5 焊縫熔寬變化圖

圖6 組織分數變化圖

2.2 顯微硬度分析

焊縫中心與焊縫邊緣處顯微硬度在不同預熱溫度下變化如圖7所示。隨預熱溫度升高，各位置點顯微硬度明顯下降。室溫下，焊縫中心A點硬度約為406.8 HV，下方C點硬度約為419.3 HV，受熔池邊界影響，焊縫邊緣處硬度略有上升，B，D點位置焊縫邊緣硬度分別為420 HV與437.6 HV，當預熱溫度升高至250 ℃時， A，C點硬度分別降低至358.6 HV與394.2 HV， B，D點則分別降低至378.1 HV與402.1 HV，由式(1)[11]可知，硬度變化與微觀組織中馬氏體含量變化規(guī)律保持一致。

圖7 特征點顯微硬度變化

(1)

式中：PiM為馬氏體體積分數;α,β為擬合系數。此外，由于板材底部與支撐平臺直接接觸，散熱條件的差異使得接頭下部冷卻速度快，溫度梯度大，晶粒細化的同時更易生成馬氏體組織，導致接頭下部硬度整體高于上部。

3 結論

(1)無預熱時，接頭顯微組織以板條狀馬氏體為主，夾雜粒狀貝氏體。

(2)隨著預熱溫度的升高，熱量堆積會導致焊縫區(qū)域的熔寬尺寸隨之增加，熱影響區(qū)范圍也有所增加。

(3)隨著預熱溫度的升高，冷卻速度降低，導致馬氏體數目減少貝氏體數目上升。預熱溫度升至250 ℃時，微觀組織以貝氏體為主，同時生成羽毛狀上貝氏體。

(4)接頭顯微硬度隨預熱溫度升高而降低，焊縫邊界高于焊縫中心，接頭下部整體高于上部，與馬氏體組織分數變化規(guī)律保持一致。