激光熱處理對(duì)420不銹鋼焊縫硬度及抗拉強(qiáng)度的影響

付龍虎

激光熱處理對(duì)420不銹鋼焊縫硬度及抗拉強(qiáng)度的影響

付龍虎

（四川化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 瀘州 646000）

對(duì)420不銹鋼焊縫進(jìn)行激光熱處理，研究微觀結(jié)構(gòu)對(duì)焊縫硬度的影響規(guī)律。通過(guò)光纖激光對(duì)420不銹鋼進(jìn)行焊接，然后采用激光對(duì)焊縫進(jìn)行熱處理，采用金相顯微鏡對(duì)焊縫微觀組織進(jìn)行分析，并采用顯微硬度儀測(cè)試焊縫的硬度，采用拉力機(jī)對(duì)焊縫接頭進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測(cè)試。隨著激光加熱功率的提高，焊縫抗拉強(qiáng)度沒(méi)有明顯變化；隨著激光加熱速度的降低，焊縫抗拉強(qiáng)度逐漸增加。當(dāng)激光加熱功率為500 W、加熱速度為5 mm/s時(shí)，焊縫抗拉強(qiáng)度達(dá)到667 MPa。采用激光對(duì)焊縫進(jìn)行熱處理后，焊縫微觀組織中晶粒尺寸變大，焊縫硬度降低，有利于焊縫抗拉強(qiáng)度的增加。

420不銹鋼；激光熱處理；抗拉強(qiáng)度；顯微硬度

420不銹鋼具有良好的耐磨性和耐腐蝕性[1-3]，常用于制造耐水蒸氣、水及氧化性酸腐蝕的零部件，比如各類精密機(jī)械、蒸汽發(fā)生器、壓力容器、混合器葉片、切削工具和海上采油平臺(tái)等。采用常規(guī)的焊接方式如電阻焊、氬弧焊等進(jìn)行420不銹鋼焊接[4]，會(huì)得到硬度值較大、抗拉強(qiáng)度較低的焊縫，如Badheka等[5]進(jìn)行了AISI 420馬氏體不銹鋼的電阻點(diǎn)焊，研究了電阻點(diǎn)焊焊接電流和加熱后參數(shù)對(duì)熔核尺寸、拉伸剪切強(qiáng)度、交叉拉伸強(qiáng)度和硬度的影響，結(jié)果表明，焊縫組織為馬氏體組織，硬度達(dá)623HV。

激光焊接的熱輸入小，熱影響區(qū)小，焊縫抗拉強(qiáng)度高，常用于304不銹鋼等材料的焊接[6-13]。采用激光焊接420不銹鋼時(shí)，焊縫組織中殘余δ鐵素體會(huì)對(duì)力學(xué)性能有不利影響，另外熱影響區(qū)硬度的增加使材料在制造過(guò)程中容易產(chǎn)生裂紋。Khan等[14]研究了激光功率、焊接速度和激光束直徑對(duì)AISI 440FSe和AISI 416馬氏體不銹鋼焊縫幾何形狀和力學(xué)性能的影響，雖然實(shí)現(xiàn)了焊接，但是焊縫抗拉強(qiáng)度相對(duì)較低。

為了提高420不銹鋼焊縫的抗拉強(qiáng)度，需要對(duì)焊縫進(jìn)行熱處理（PWHT），因?yàn)闊崽幚砜梢允共糠竹R氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和細(xì)碳化物，提高焊縫的韌性和延展性[15]，對(duì)焊縫進(jìn)行熱處理的方式一般為回火處理。Lippold等[16]研究了回火溫度對(duì)420不銹鋼力學(xué)性能的影響，采用的回火處理工具為專業(yè)的真空加熱爐，這種回火處理時(shí)間一般較長(zhǎng)，實(shí)際生產(chǎn)效率較低。激光加熱速度快，與工件不接觸，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，非常適合于對(duì)材料進(jìn)行熱處理。截至目前，未見(jiàn)有采用激光對(duì)420不銹鋼激光焊縫進(jìn)行熱處理的報(bào)道出現(xiàn)。

文中對(duì)420不銹鋼進(jìn)行激光焊接，然后直接采用激光對(duì)焊縫進(jìn)行熱處理，節(jié)約生產(chǎn)時(shí)間及成本，提高效率，提高焊縫抗拉強(qiáng)度，為實(shí)際生產(chǎn)提供技術(shù)參考。

1 焊接實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)材料為420不銹鋼，厚度為2.0 mm，材料的化學(xué)成分如表1所示。將材料切割成200 mm′100 mm的板材，用酒精、水清洗干凈，備用，焊接方式為拼接。母材硬度值為241HV，抗拉強(qiáng)度為650 MPa。采用夾具將材料固定。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

采用光纖激光器對(duì)420不銹鋼進(jìn)行焊接，焊接完成后，對(duì)焊縫進(jìn)行熱處理，焊接和熱處理的激光設(shè)備一致，節(jié)約了設(shè)備成本及占地空間。激光器最大平均功率為2 000 W，激光束由光纖進(jìn)行傳輸，經(jīng)過(guò)激光加工頭的聚焦鏡聚焦后，對(duì)材料進(jìn)行焊接及熱處理。激光加工頭在伺服驅(qū)動(dòng)器的帶動(dòng)下進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，形成焊縫軌跡，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。

表1 420不銹鋼的化學(xué)成分

Tab.1 Chemical composition of 420 stainless steal wt.%

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1.3 焊縫測(cè)試儀器

采用金相顯微鏡對(duì)焊縫微觀組織進(jìn)行觀察分析，金相顯微鏡由上海臨嘉科教儀器有限公司生產(chǎn)，型號(hào)為C3203A，如圖2a所示。采用顯微硬度儀對(duì)焊縫接頭不同位置進(jìn)行硬度測(cè)試，硬度儀由東莞市廣泰精密儀器有限公司生產(chǎn)，型號(hào)為HV?1000A，如圖2b所示。采用拉力實(shí)驗(yàn)機(jī)將焊縫兩端夾緊，測(cè)試焊縫的抗拉強(qiáng)度，拉力實(shí)驗(yàn)機(jī)由廣東威邦儀器科技公司生產(chǎn)，型號(hào)為WBE?9909，實(shí)驗(yàn)機(jī)可以測(cè)試的最大拉力值為200 kN，如圖2c所示，焊縫的抗拉強(qiáng)度=抗拉力值/焊縫面積，每組實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)試5組抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)，取5組數(shù)據(jù)的平均值為該實(shí)驗(yàn)條件下的抗拉強(qiáng)度。

圖2 焊縫測(cè)試儀器

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

2.1 焊接及激光熱處理實(shí)驗(yàn)

對(duì)厚度為2.0 mm的420不銹鋼板進(jìn)行激光焊接，當(dāng)激光功率為1 000 W、焊接速度為50 mm/s時(shí)，在激光焦點(diǎn)處進(jìn)行焊接，焊縫的最大抗拉強(qiáng)度為498 MPa，只有母材抗拉強(qiáng)度（650 MPa）的76%。采用同樣的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)焊縫進(jìn)行熱處理，為了使加熱范圍較大，離焦量設(shè)為20 mm，使激光光斑變大，起到均勻加熱的目的。首先對(duì)激光功率進(jìn)行研究，設(shè)定激光在焊縫表面的熱處理速度為50 mm/s，激光加熱功率從600 W增加到2 000 W，焊縫抗拉強(qiáng)度與激光加熱功率的關(guān)系如圖3a所示，隨著激光加熱功率的增加，焊縫抗拉強(qiáng)度幾乎沒(méi)有變化，這是因?yàn)榧す庠诤缚p表面的熱處理速度較快，對(duì)焊縫加熱時(shí)間較短，未能改變焊縫的微觀組織，焊縫的抗拉強(qiáng)度未發(fā)生根本變化。對(duì)激光熱處理速度進(jìn)行研究，設(shè)定熱處理的激光功率為500 W，激光熱處理速度從50 mm/s降低到5 mm/s，焊縫的抗拉強(qiáng)度與激光熱處理速度（即激光在材料表面的加熱運(yùn)行速度）的關(guān)系如圖3b所示，當(dāng)激光熱處理速度為50～30 mm/s時(shí)，焊縫抗拉強(qiáng)度只有較小的變化，這是因?yàn)樗俣容^快，對(duì)焊縫的影響很小。當(dāng)激光熱處理速度降低到15 mm/s時(shí)，焊縫抗拉強(qiáng)度急劇增加，隨著激光熱處理速度的繼續(xù)降低，焊縫抗拉強(qiáng)度繼續(xù)增加，當(dāng)激光熱處理速度為5 mm/s時(shí)，焊縫抗拉強(qiáng)度達(dá)到最高的667 MPa，已經(jīng)超過(guò)了母材的抗拉強(qiáng)度。

圖3 激光熱處理功率、速度與抗拉強(qiáng)度關(guān)系

2.2 焊縫宏觀形貌分析

對(duì)焊縫截面進(jìn)行分析，激光焊接后未進(jìn)行激光熱處理的焊縫截面如圖4a所示，熱處理的激光功率為500 W時(shí)，熱處理速度為15 mm/s和5 mm/s的焊縫截面分別如圖4b和圖4c所示，可以看出，焊縫截面外觀形貌幾乎一樣，無(wú)明顯變化，說(shuō)明激光熱處理未改變焊縫的宏觀形貌。

圖4 焊縫截面

2.3 焊縫硬度分析

不同熱處理?xiàng)l件下的焊縫顯微硬度如圖5所示，由圖5可以看出，未進(jìn)行熱處理、熱處理速度為5 mm/s和15 mm/s情況下焊縫的共同特點(diǎn)是0～ 0.3 mm為焊縫中心區(qū)域，0.4～0.6 mm為熱影響區(qū)域，大于0.6 mm為母材區(qū)域。在焊縫中心區(qū)域，焊縫的硬度值均明顯較高，在熱影響區(qū)域急劇降低。相對(duì)于未進(jìn)行激光熱處理的焊縫，熱處理速度為15 mm/s時(shí)，焊縫中心以及熱影響區(qū)的顯微硬度有明顯降低。焊縫中心以及熱影響區(qū)的顯微硬度值最低。

圖5 焊縫硬度值分布

2.4 焊縫微觀組織分析

未經(jīng)過(guò)激光熱處理的焊縫微觀組織如圖6a所示，激光焊接過(guò)程中，激光與材料作用時(shí)間短，當(dāng)激光束移開(kāi)后，熔池金屬迅速冷卻，然后快速凝固，焊縫中心形成晶粒細(xì)化的奧氏體，硬度值較高，靠近熔合區(qū)的熔池金屬由于靠近母材，溫度梯度比較大，但結(jié)晶速度比焊縫中心慢，生成柱狀晶組織，晶粒相對(duì)較粗，導(dǎo)致顯微硬度相比焊縫中心區(qū)有降低的趨勢(shì)。當(dāng)熱處理激光功率為500 W、在焊縫表面的熱處理速度為15 mm/s時(shí)，靠近焊縫的區(qū)域?yàn)榇慊饏^(qū)，焊縫中心組織由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，在熱影響區(qū)，冷卻速度稍慢，組織由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體及殘余奧氏體，如圖6b所示，導(dǎo)致焊縫顯微硬度相對(duì)未經(jīng)過(guò)激光熱處理的焊縫有明顯降低。熱處理激光功率為500 W、在焊縫表面的熱處理速度為5 mm/s時(shí)，由于速度較慢，熱量從焊縫中心區(qū)傳遞到熱影響區(qū)，焊縫中心及熱影響區(qū)的組織由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，晶粒有充分的時(shí)間生長(zhǎng)，均得到粗化，如圖6c所示，這種粗化的晶粒將降低焊縫的顯微硬度，但有利于提高焊縫的抗拉強(qiáng)度。

圖6 焊縫微觀結(jié)構(gòu)

2.5 焊縫斷口形貌分析

拉伸實(shí)驗(yàn)后，所有的斷裂位置均在焊縫中心位置，未經(jīng)過(guò)激光熱處理的焊縫斷口形貌如圖7a所示，斷口無(wú)明顯變形，屬于韌性斷裂，但是韌窩較小且不均勻。當(dāng)熱處理激光功率為500 W、在焊縫表面的熱處理速度為15 mm/s時(shí)的焊縫斷口形貌如圖7b所示，斷口有明顯的變形，屬于典型的韌性斷裂，韌窩較大，且韌窩是連續(xù)的，這種狀態(tài)下焊縫抗拉強(qiáng)度較大，這可能是焊縫的顯微硬度相對(duì)較小，焊縫表現(xiàn)出更好的韌性斷裂。

圖7 焊縫斷口形貌

3 結(jié)論

對(duì)厚度為2.0 mm的420不銹鋼板進(jìn)行激光焊接，焊縫的最大抗拉強(qiáng)度為498 MPa，只有母材抗拉強(qiáng)度（650 MPa）的76%。在激光功率為500 W、熱處理速度為5 mm/s條件下進(jìn)行激光熱處理后，焊縫抗拉強(qiáng)度達(dá)到667 MPa，超過(guò)了母材的抗拉強(qiáng)度。

激光熱處理時(shí)，熱量從焊縫中心區(qū)傳遞到熱影響區(qū)，晶粒有充分的時(shí)間生長(zhǎng)，晶粒得到粗化，這種粗化的晶粒將降低焊縫的顯微硬度，但有利于提高焊縫的抗拉強(qiáng)度，斷口形貌測(cè)試結(jié)果表明，焊縫表現(xiàn)出韌性斷裂。

采用與激光焊接同樣的設(shè)備對(duì)焊縫進(jìn)行激光熱處理，增加了焊縫抗拉強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)減少了生產(chǎn)設(shè)備的投入。

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Effects of Laser Heat Treatment on the Hardness and Tensile Strength of 420 Stainless Steels Welds

FU Long-hu

(Sichuan Vocational College of Chemical Technology, Sichuan Luzhou 646000, China)

The effect of microstructure on the hardness of 420 stainless steel welds was studied by laser heating. The 420 stainless steel was welded by fiber laser, and then the welds was heating treatment by laser, the microstructure of the weld was analyzed by metallographic microscope, the hardness of the weld was tested by microhardness tester, and the tensile strength of the weld joint was tested by tensile machine. With the increase of laser heating treatment power, the tensile strength of the weld had no obvious change. With the decrease of laser heating speed, the tensile strength of the weld gradually increased. When the laser heating power was 500 W and the heating speed was 5 mm/s, the tensile strength of the weld reached to 667 MPa.After heating treatment on the welds by laser, the grain size in the microstructure of the welds becomed larger, the hardness of the welds decreased, and the tensile strength of the welds increased.

420 stainless steel; laser heating treatment; tensile strength; microhardness

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.05.017

TG456.7

A

1674-6457(2022)05-0115-06

2021?07?02

四川省高等教育研究中心（GZY21B20）

付龍虎（1973—），男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及制造。

責(zé)任編輯：蔣紅晨