不同速度焊接的DV19A硅鋼焊接接頭的微觀組織及力學(xué)性能

胡列峰 胡琳娜

(中華人民共和國長(zhǎng)沙海關(guān),湖南 長(zhǎng)沙 410000)

硅鋼中Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為0.5%～4.5%,是一種含碳極低的硅鐵軟磁合金。硅的加入可提高鐵的最大磁導(dǎo)率和電阻率,降低其矯頑力、鐵芯損耗和磁時(shí)效[1]。目前,硅鋼已被廣泛應(yīng)用于電力、電子、通信和軍事工業(yè)等領(lǐng)域,主要用于制造電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、變壓器、繼電器以及各種電器儀表等,是現(xiàn)代工業(yè)中不可缺少的軟磁合金[2]。

Si元素對(duì)α-Fe具有強(qiáng)烈的固溶強(qiáng)化作用,使硅鋼的硬度、強(qiáng)度提高,塑性、韌性下降。取向硅鋼在生產(chǎn)中往往需要添加抑制劑以得到磁性能良好的組織,因此相較其他鋼種其Al含量較高。硅鋼的導(dǎo)熱系數(shù)較低,焊接時(shí)容易過熱,熱膨脹系數(shù)較大,焊后冷卻易產(chǎn)生變形和應(yīng)力[3]?；诠桎摰某煞旨靶阅?采用傳統(tǒng)的焊接方法,如熔化極惰性氣體保護(hù)焊、鎢極氬弧焊、熔化極活性氣體保護(hù)焊等,焊接得到的接頭組織主要為粗大的鐵素體,焊接接頭韌性差、易開裂,性能遠(yuǎn)低于母材,后續(xù)需進(jìn)行退火才能滿足使用要求[4]。

相比于傳統(tǒng)焊接方法,激光焊接具有速度快、熱輸入小、熱影響區(qū)窄的特點(diǎn),所以焊縫窄,力學(xué)性能好,不容易變形,晶粒也不容易長(zhǎng)大[5]。但是激光焊接也存在著一定的局限性,如接頭脆硬、焊縫區(qū)容易出現(xiàn)氣泡和咬邊等,且焊接成本高等。目前激光焊接工藝仍需不斷改進(jìn),提高焊接質(zhì)量的同時(shí)提高穩(wěn)定性、降低成本[6]。

近年來針對(duì)硅鋼焊接工藝的研究較多,尤其是對(duì)其焊接前后熱處理工藝、焊接方法、焊接工藝參數(shù)、焊接表面涂層等的研究取得了一系列成果[7-11]。本文針對(duì)某廠DV19A硅鋼焊接過程中熱影響區(qū)發(fā)生斷裂的現(xiàn)象,在實(shí)驗(yàn)室條件下采用不同焊接速度對(duì)硅鋼母材進(jìn)行激光焊接,測(cè)定焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和硬度,并采用掃描電子顯微鏡、X射線能譜儀及電子背散射衍射儀等分析焊接接頭的微觀組織及斷口形貌,確定焊縫力學(xué)性能出現(xiàn)差異的原因,得到DV19A硅鋼的最佳焊接速度。

1 試驗(yàn)材料與方法

本文選擇牌號(hào)為DV19A的硅鋼,將硅鋼片激光焊接在一起,焊接速度選定為350、375、400 mm/min,分別編為1、2和3號(hào)。

依據(jù)GB/T 2651—2008《金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn):橫向拉伸試驗(yàn)》[12],分別從母材和3塊焊接接頭上切取3個(gè)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn),夾頭移動(dòng)速率為1 mm/min,取平均值作為結(jié)果。采用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)觀察焊接接頭拉伸斷口的微觀形貌[13]。

依據(jù)GB/T 4043—1999《金屬維氏硬度試驗(yàn)》測(cè)試焊接接頭和母材的硬度[14]。沿焊接接頭厚度方向上中下3條線(如圖1所示),從焊縫處開始每隔50 μm測(cè)1個(gè)點(diǎn),試驗(yàn)力為0.5 N,保持時(shí)間為10 s。為了保證待測(cè)試樣表面平滑,對(duì)其進(jìn)行電解拋光,電解液成分(體積分?jǐn)?shù))為10%HClO4+90%C2H5OH[15]。

采用X射線能譜儀(X-ray energy dispersive spectrometer, EDS)分析焊接接頭的成分,對(duì)試樣上表面從焊縫區(qū)至母材進(jìn)行線掃描,如圖1所示。

試樣經(jīng)電解拋光后采用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察焊接接頭不同區(qū)域的微觀組織,并采用電子背散射衍射(electron backscattering diffractometer, EBSD)分析試樣沿基體-熱影響區(qū)-熔合區(qū)的晶粒取向及位錯(cuò)分布[16]。

圖1 硬度測(cè)點(diǎn)及EDS線掃描區(qū)域示意圖Fig.1 Schematic diagram of hardness measurement points and EDS line scanning area

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能

DV19A硅鋼母材與焊接接頭的拉伸性能如表1所示?？梢?3個(gè)母材試樣的抗拉強(qiáng)度無明顯波動(dòng),3個(gè)焊接接頭試樣的抗拉強(qiáng)度均明顯提高,提高幅度分別達(dá)38.47%、37.48%和35.15%。其中1號(hào)和2號(hào)焊接接頭的抗拉強(qiáng)度差別不大,3號(hào)焊接接頭的抗拉強(qiáng)度略低。

表1 母材與焊接接頭的抗拉強(qiáng)度Table 1 Tensile strength of the base metals and the welded joints MPa

DV19A硅鋼母材與焊接接頭的硬度分布如圖2所示?？梢钥闯?3個(gè)母材試樣的硬度為220～240 HV0.5,1號(hào)接頭硬度為210～250 HV0.5,2號(hào)接頭硬度為220～270 HV0.5,3號(hào)接頭硬度為270～300 HV0.5。3個(gè)接頭焊縫區(qū)硬度均有所提高,且3號(hào)接頭硬度明顯高于1號(hào)和2號(hào)接頭。

焊接接頭的熱影響區(qū)可分為過熱區(qū)、正火區(qū)(相變重結(jié)晶區(qū))和部分相變區(qū)。在過熱區(qū),晶粒明顯粗大,形成過熱組織,導(dǎo)致該區(qū)域局部強(qiáng)度、塑性和韌性下降,并易產(chǎn)生應(yīng)力集中,因此過熱區(qū)常常是產(chǎn)生裂紋和脆性破壞的部位;在正火區(qū),材料發(fā)生重結(jié)晶,晶粒細(xì)小,力學(xué)性能較好,甚至優(yōu)于母材。部分相變區(qū)位于過熱區(qū)和正火區(qū)之間,該區(qū)域材料發(fā)生部分相變,即珠光體和部分鐵素體發(fā)生重結(jié)晶,使晶粒細(xì)化;部分鐵素體則來不及轉(zhuǎn)變,晶粒較粗大,力學(xué)性能較差[17]。

結(jié)合拉伸試驗(yàn)結(jié)果,3個(gè)焊接接頭的抗拉強(qiáng)度相比母材均明顯提高,說明焊接接頭的熱影響區(qū)中正火區(qū)占比較大,過熱區(qū)和部分相變區(qū)占比較小甚至沒有。

圖2 母材與焊接接頭的硬度分布Fig.2 Hardness distributions of the base metals and the welded joints

2.2 微觀組織

3個(gè)焊接接頭拉伸試樣斷口的SEM形貌如圖3所示?？梢钥闯?3個(gè)試樣的斷裂方式都為脆性斷裂,斷裂時(shí)無明顯的塑性變形,斷口沒有韌窩,呈平齊的切面;進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn),裂紋沿晶界擴(kuò)展,均為沿晶斷裂[18]。

3個(gè)試樣的SEM形貌如圖4所示?？梢钥闯?焊接接頭母材主要由大小不一的等軸晶組成(圖4(a));焊縫區(qū)為傾斜的鑄態(tài)柱狀晶組織,這是由于焊縫處母材完全熔化后重新凝固,晶粒沿著溫度梯度方向生長(zhǎng),最終形成了如圖4(d)所示的柱狀晶組織[19];熱影響區(qū)晶粒大小不一,但相比母材細(xì)小,導(dǎo)致焊接接頭的抗拉強(qiáng)度提升。

此外還發(fā)現(xiàn),3號(hào)接頭焊縫處柱狀晶晶粒明顯比1、2號(hào)接頭的粗大,導(dǎo)致其力學(xué)性能較差。

3個(gè)焊接接頭EDS元素線掃描結(jié)果如圖5所示。對(duì)比可見,1號(hào)接頭成分分布最均勻,2號(hào)和3號(hào)接頭焊縫區(qū)成分波動(dòng)較大,且無規(guī)律。

圖6為3個(gè)焊接接頭的EBSD晶粒取向分布?？梢钥闯?母材和熱影響區(qū)主要以細(xì)小的等軸晶為主,焊縫區(qū)多為柱狀晶。隨著焊接速度的提高,焊縫處局部熱量大,在同樣的散熱條件下,凝固速度逐漸減小,柱狀晶尺寸也隨之增大[20-21],因此焊接速度最高的3號(hào)接頭(400 mm/min)柱狀晶尺寸明顯大于1號(hào)和2號(hào)接頭。

試樣在焊接過程中發(fā)生了熔化—凝固—再結(jié)晶等多個(gè)階段的物相變化,其不同區(qū)域的冷卻速率存在差異,焊接完成后,焊接區(qū)域可能產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力[22]。內(nèi)應(yīng)力越大、分布越集中,對(duì)材料力學(xué)性能的危害越大。圖7為采用EBSD測(cè)得的試樣內(nèi)部位錯(cuò)分布情況,圖中藍(lán)色為背景顏色,綠色表示位錯(cuò)。位錯(cuò)越密集的部位應(yīng)力越大[23]。

圖3 焊接接頭拉伸斷口的SEM形貌Fig.3 Scanning electron micrographs of tensile factures of the welded joints

圖4 焊接接頭的SEM形貌Fig.4 Scanning electron micrographs of the welded joints

圖5 焊接接頭的EDS線掃描結(jié)果Fig.5 EDS line scanning results of the welded joints

圖6 焊接接頭的晶粒取向分布Fig.6 Grain orientation distributions in the welded joints

圖7 焊接接頭的位錯(cuò)分布Fig.7 Dislocation distributions in the welded joints

根據(jù)圖7可知:對(duì)于1號(hào)焊接接頭,其應(yīng)力主要集中在焊縫區(qū),熱影響區(qū)只有極少應(yīng)力分布;2號(hào)接頭的應(yīng)力也主要集中在焊縫區(qū),熱影響區(qū)有部分應(yīng)力分布,且明顯多于1號(hào)接頭;3號(hào)接頭焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的應(yīng)力分布明顯多于另2個(gè)接頭。由于焊接接頭的內(nèi)應(yīng)力主要由不同區(qū)域的溫度及冷卻速率不同所致,所以適當(dāng)降低焊接速度可以使焊縫局部接收到的熱量降低、焊縫處溫度場(chǎng)分布更均勻,進(jìn)而減少內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生。

綜上分析得出,1號(hào)焊接接頭的性能最好,即焊接速度為350 mm/min時(shí),可以得到最好的焊接效果。

3 結(jié)論

(1)DV19A硅鋼激光焊接接頭熱影響區(qū)的晶粒與母材相比明顯細(xì)化,導(dǎo)致焊接接頭的抗拉強(qiáng)度提升。

(2)焊接速度為400 mm/min的焊接接頭晶粒最粗,應(yīng)力分布最多,力學(xué)性能最差。焊接速度為350和375 mm/min的接頭力學(xué)性能相當(dāng),但前者的成分穩(wěn)定性更好、應(yīng)力分布更均勻,力學(xué)性能更優(yōu)。

(3)DV19A硅鋼的最佳激光焊接速度為350 mm/min。