9Ni鋼激光自熔焊焊接接頭組織及性能研究

王浩，樊湘芳，袁秋林，王景琨

（南華大學(xué)機械工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001）

0 引言

9Ni鋼強度高、低溫性能和焊接性好，價格相對低廉，廣泛地應(yīng)用于各種儲運低溫液體的大型容器，其焊接工藝是LNG船低溫液罐和天然氣運輸管道建造的關(guān)鍵點和難點[1-2]。我國的LNG產(chǎn)業(yè)起步較晚，技術(shù)相對還比較落后，生產(chǎn)周期長，而且成本高，不利于國產(chǎn)9Ni低溫鋼的推廣及應(yīng)用[3-5]。

目前9Ni鋼的焊接主要采用手工電弧焊、埋弧焊等傳統(tǒng)焊接方法[6-7]，坡口尺寸較大，多道焊接消耗焊材多且焊接效率較低，焊接過程易產(chǎn)生磁偏吹，影響焊接質(zhì)量。激光焊接技術(shù)作為新興的焊接方式，提高焊接效率的同時，可節(jié)約焊材，降低成本[8-9]。與電弧加熱焊接相比，激光焊接不存在外加磁場，能夠有效避免焊接過程中產(chǎn)生磁偏吹。Jaewoong Kim等[10]通過板上焊道熔透形狀研究激光焊接的熔透特性，獲得了15 mm厚9%鎳鋼的最佳焊接條件。黃哲等[11]對16 mm厚度9%Ni鋼板進行了超窄間隙激光填絲焊，通過正交試驗將工藝參數(shù)與焊縫成形質(zhì)量建立聯(lián)系,分析發(fā)現(xiàn):側(cè)壁熔合比主要受激光功率和離焦量影響。

本文采用廣州興萊XL-F2000機器人激光焊接機嘗試對2 mm厚度9Ni鋼板材進行激光自熔焊，分析測試焊接接頭的組織和力學(xué)性能，為9Ni鋼板材的激光焊接提供試驗依據(jù)。

1 試驗條件及方法

試驗材料為調(diào)質(zhì)態(tài)處理的9Ni鋼，板厚為2 mm；基材化學(xué)成分如表1所示，力學(xué)性能如表2所示；如圖1所示，其微觀組織由回火馬氏體和少量殘余奧氏體組成。

表1 9Ni鋼基材的化學(xué)成分質(zhì)量分數(shù)%

表2 基材力學(xué)性能

圖1 9Ni鋼基材顯微組織

試驗采用XL-F2000機器人光纖激光焊接機，最大功率為2000 W，激光波長為1080 nm，透鏡焦距為200～250 mm，焊接方式為激光自熔焊，為避免裝夾不準確對焊接產(chǎn)生影響，本次試驗選用的焊接槍頭為搖擺槍頭，搖擺焊接頭結(jié)合了激光光束擺動與焊縫追蹤技術(shù)，當(dāng)焊縫位置發(fā)生變化時，能夠調(diào)整焊接接頭的橫向位置，焊接工藝參數(shù)如表3所示。

表3 焊接工藝參數(shù)

對焊接試樣進行線切割取樣、鑲嵌、打磨、拋光、腐蝕，腐蝕試劑為4%體積分數(shù)的硝酸酒精溶液。利用金相顯微鏡觀察試樣不同區(qū)域的組織；利用HVS-1000AV型顯微硬度計檢測焊接接頭各個位置的顯微硬度，測試載荷為200 g，保載時間為10 s，點間距為0.2 mm；利用PWSE100型萬能力學(xué)試驗機進行拉伸試驗，拉伸試樣尺寸如圖2所示；利用TESCAN MIRA3 LMU型號JSM-6701F掃描電子顯微鏡分析斷口的微觀形貌。

圖2 拉伸試樣尺寸

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 接頭組織形貌

焊接接頭組織形貌如圖3～圖5所示。如圖3所示，焊接接頭宏觀形貌良好，無氣孔等缺陷。如圖4（a）、圖5（a）所示,熔合線兩側(cè)的熱影響區(qū)與焊縫組織形貌有明顯差異；如圖4（b）、圖5（b）所示,焊縫中心的組織主要由馬氏體與針狀鐵素體組成，中心結(jié)晶形態(tài)為等軸晶，兩側(cè)為柱狀樹枝晶結(jié)構(gòu)，枝狀晶生長方向指向焊縫中心，產(chǎn)生該形貌是因為焊縫中心溫度高，且相比于焊縫邊緣位置，焊縫中心對于基材的傳熱更慢，冷卻和凝固比其他位置要慢，枝狀晶的生長又存在擇優(yōu)取向性，隨溫度梯度升高擇優(yōu)生長，故枝狀晶指向焊縫中心生長；如圖4（c）、圖5（c）所示，熱影響區(qū)的組織為粗大的板條狀馬氏體和殘余奧氏體，主要由基材中的奧氏體經(jīng)過高溫處理后快速冷卻產(chǎn)生。

圖3 接頭宏觀形貌

圖4 接頭不同位置微觀組織金相圖像

圖5 接頭不同位置微觀組織SEM圖像

2.2 接頭力學(xué)性能

圖6為焊接接頭顯微硬度分布圖。由圖6可知，隨著測試點距焊縫中心距離的增加，硬度呈現(xiàn)先上升、后急劇下降的趨勢，在熱影響區(qū)達到硬度峰值390 HV，在基材位置達到最低值240 HV，焊縫硬度值為350 HV略低于峰值。熱影響區(qū)組織由粗大的板條狀馬氏體和殘余奧氏體組成，具有較高的硬度；而焊縫區(qū)的針狀鐵素體具備較高的韌性，但硬度相對較低，故產(chǎn)生圖示硬度曲線。

圖6 焊接接頭各區(qū)域顯微硬度分布

表4為拉伸試驗結(jié)果，圖8為拉伸試驗應(yīng)力應(yīng)變曲線。由表4可知各拉伸試驗試樣屈服強度和抗拉強度；由圖7可看出斷裂位置在遠離焊縫的基材處，且存在縮頸現(xiàn)象，韌性斷裂特征明顯。綜上可知，焊接接頭整體拉伸性能優(yōu)于基材標準力學(xué)性能，且由斷裂位置可知焊縫拉伸性能優(yōu)于基材。

表4 拉伸試驗結(jié)果

圖7 拉伸試樣斷裂宏觀形貌

圖8 拉伸試驗應(yīng)力應(yīng)變曲線

接頭拉伸斷口形貌如圖9所示。由圖9（a）斷口宏觀形貌可看出，拉伸試樣斷口分別由切唇區(qū)、纖維區(qū)組成，且斷口表面沒有出現(xiàn)脆性斷裂的特征，從圖9（b）、圖9（c）可以看出斷口形狀不規(guī)則且出現(xiàn)大量韌窩，韌窩產(chǎn)生的原因是拉伸試驗時所加載荷臨界于焊接接頭材料的屈服強度時，材料發(fā)生塑性變形，材料內(nèi)部夾雜物和晶體等其它范性形變不連續(xù)的區(qū)域發(fā)生滑移位錯，致使應(yīng)力集中，產(chǎn)生微孔[12]。

圖9 拉伸斷口形貌

3 結(jié)論

1）采用激光自熔焊，可以獲得性能良好的9Ni鋼焊接接頭，拉伸試樣斷裂位置均在遠離焊縫的基材處，且為韌性斷裂。

2）焊縫中心的組織主要以馬氏體與針狀鐵素體組成，中心結(jié)晶形態(tài)為等軸晶，兩側(cè)為柱狀樹枝晶結(jié)構(gòu)，枝狀晶生長方向指向焊縫中心，熱影響區(qū)的組織為粗大的板條狀馬氏體和殘余奧氏體。

3）隨著測試點至焊縫中心距離的增加，硬度呈現(xiàn)先上升后急劇下降的趨勢，在熱影響區(qū)達到硬度峰值390 HV，在基材位置達到最低值240 HV，焊縫硬度值為350 HV略低于峰值，焊接接頭整體拉伸性能優(yōu)于基材標準力學(xué)性能，且由斷裂位置在基材處可知焊縫拉伸性能優(yōu)于基材。