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摘要: 采用TJ—HL—T 5000型激光器对65Mn弹簧钢进行激光焊接,并用Olympus电子显微镜对焊缝金属进行组织观察,结果表明:65Mn激光焊接的焊缝组织,主要为针状铁素体组织;随着激光输出功率的增大,焊缝区中的针状铁素体、珠光体含量增多,贝氏体及针状马氏体量则减少,焊缝区的组织也随着输出功率的增大而变粗;随着激光焊接扫描速度的减小,焊缝区的铁素体、珠光体的含量增多,贝氏体及马氏体减少,马氏体及贝氏体的晶粒也随着扫描速度的降低而变粗。
关键词:激光焊接;焊缝组织;铁素体;
序言
激光焊接是以激光作为能量载体的一种高能级密度焊接方法,它是用激光束将被焊金属加热至熔化温度以上熔合而成德焊接接头[1]。65Mn钢是弹簧钢的一种,因具有高的弹性极限和高的屈服比,使其具有承受大的静载荷、交变应力和冲击载荷的能力,故该钢广泛用于机械和交通等行业的结构件中。
国内65Mn钢焊接技术多采用手工电弧焊或钨极氩弧焊,这些焊接技术在施焊的过程中容易出现气孔、夹渣、开裂等缺陷,难以达到工况要求[2]。目前,国内对激光焊接65Mn钢的研究报道较少,本文重点研究了该钢激光焊接后焊缝区域的组织,为将来65Mn钢激光焊接的应用作为理论指导。
材料及试验方法
一、实验材料
本实验采用回火状态下65Mn钢棒料,其微观组织为回火索氏体和少量铁素体,化学成分(质量分数,%)为,0.62～0.70 C、0.90～1.20Mn、0.17～0.37 Si、≤0.25 Cr、≤0.25Ni、≤0.040P、余量Fe。
二、试验方法
试样采用钼丝线切割,试样尺寸为45mm×15mm×1mm,使用前用400号金相砂纸打磨表面,再用丙酮清洗备用。
激光器为TJ—HL—T 5000型5kWCO2,光斑直径为3mm,焦距320mm,用氩气作为保护气体。用型号为GX51奥林巴斯金相显微镜进行组织观察。
结果与分析
有关焊缝组织的划分,众多的研究者提出过多种分类方法及不同见解.受到普遍关注的是1985年道尔贝(Dobby)教授在国际焊接年会上提出的焊缝显微组织的分类准则.他根据焊缝金属中铁素体的形貌和析出位置的不同,提出了各种组织的名称,并得到了国际焊接学会的认可。道尔贝关于焊缝组织的分类具有较高的权威性,而且由于国际焊接学会的推荐,在更多的国家得到应用。
道尔贝认为,在进行焊接时,焊缝金属中可能出现的显微组织可以分为两大类,具体如下:
一、焊缝中的典型组织:
(一)先共析铁素体
先共析铁素体可分为晶界铁素体和晶内铁素体。晶界铁素体是沿原奥氏体晶界析出的铁素体,有的沿晶界呈长条扩展,有的呈多边形互相连接沿晶界分布。先共析铁素体通常在高温区发生γ→ɑ相变时优先生成,这是因为晶界能量较高而容易形成新相核心。当冷却速度较慢或者合金成分很少的时候,不仅在晶界,而且在晶内也形成块状或多边形的铁素体。
(二) 带第二相的铁素体
这里所说的第二相是珠光体、渗碳体、马氏体及M-A单元。第二相的性质、分布位置及特征是决定组织类型的关键,也是观察焊缝金属显微组织的重点。
(三)针状铁素体组织
针状铁素体是出现在原奥氏体晶内的有方向性的细小铁素体,宽度为2μm左右,长度比多在(3∶1)--(10∶1)的范围。针状铁素体可能是以氧化物或者氮化物为形核核心,呈放射状生长。因此,相邻的两针状铁素体之间的方位差呈20。以上。
(四)铁素体-碳化物集合体(珠光体组织)
铁素体-碳化物集合体主要是指珠光体组织,但也包括碳化物相与铁素体呈层状或非层状混杂分布区域,该区域要比周围的铁素体板条宽度大[2]。
如图1所示为65Mn激光焊接的焊缝组织,主要为针状铁素体组织。
二、不同强度级别的焊缝金属的组织
对于不同强度级别焊缝金属的组织观察表明,随着焊缝中合金元素的增加,焊缝组织由先析铁素体、针状铁素体和珠光体类型转变成粒状贝氏体类型,再转变成条状贝氏体+马氏体。
(一)名义强度为500MPa的焊缝
这类焊缝金属组织可明显分成两个区域,即柱状晶区和等轴晶区。柱状晶区的晶粒较大,晶界上有先析铁素体以及从晶界向晶内平行生长的侧板条铁素体,板条间有少量的珠光体;晶内为针状铁素体+珠光体。等轴晶区的组织多为多边形铁素体和珠光体。
(二)名义强度为700～800MPa的焊缝。
强度为700～800MPa的焊缝金属显微组织主要是贝氏体和少量晶界铁素体。除了贝氏体和晶界铁素体外,采用复型样品在扫描电镜下观察时,发现贝氏体铁素体基础上分布有少量的岛状组织,这些岛状组织存在于晶粒交界处,呈三角状或块状。经透射电镜和电子衍射证实,这些黑块组织为M-A单元[2]。
三、激光焊接功率(P)对焊缝区中针状铁素体组织的影响
由图2可以看出,随着激光输出功率的增大,焊缝区中的针状铁素体、珠光体含量增多,贝氏体及针状马氏体量则减少,焊缝区的组织也随着输出功率的增大而变粗。这是因为扫描速度一定时,随着激光输出功率增大,其线能量也相应增大,焊件受激光辐射而获得能量也就相应提高,奥氏体体化的温度高,奥氏体晶粒变粗大,导致组织粗大[3]。。
四、激光焊接速度(V)对焊缝中针状铁素体组织的影响
图3为相同焊接功率,不同焊接速度时焊缝的显微组织。焊缝区的组织由针状铁素体、珠光体、贝氏体及马氏体组成,并且随着激光焊接扫描速度的减小,焊缝区的铁素体、珠光体的含量增多,贝氏体及马氏体减少,马氏体及贝氏体的晶粒也随着扫描速度的降低而变粗。这是由于扫描速度减小,焊接线能量增大,熔池中液体金属的温度越高,且其过冷度比较小,过热奥氏体发生转变,大部分生成铁素体和珠光体,而只有少部分过热奥氏体生成贝氏体和马氏体。且由于扫描速度慢,保温的时间比较长,有利于晶粒的长大,最后生成的晶粒较粗大[4]。
结论
一、65Mn激光焊接的焊缝组织,主要为针状铁素体组织
二、随着激光输出功率的增大,焊缝区中的针状铁素体、珠光体含量增多,贝氏体及针状马氏体量则减少,焊缝区的组织也随着输出功率的增大而变粗。
三、随着激光焊接扫描速度的减小,焊缝区的铁素体、珠光体的含量增多,贝氏体及马氏体减少,马氏体及贝氏体的晶粒也随着扫描速度的降低而变粗。
参考文献:
[1] 刘其斌.激光加工技术及其应用[M].北京:冶金工业出版社,2007.
[2] 刘其斌,李宾.65Mn弹簧钢的激光焊接组织与性能[J].焊接学报,2009,30(9):105-108.
[3] 李亚江,焊接组织性能与质量控制[M].北京:化学工业出版社,2004.
[4] 崔忠圻.金属学与热处理[M].北京:机械工业出版社,2000.
关键词:激光焊接;焊缝组织;铁素体;
序言
激光焊接是以激光作为能量载体的一种高能级密度焊接方法,它是用激光束将被焊金属加热至熔化温度以上熔合而成德焊接接头[1]。65Mn钢是弹簧钢的一种,因具有高的弹性极限和高的屈服比,使其具有承受大的静载荷、交变应力和冲击载荷的能力,故该钢广泛用于机械和交通等行业的结构件中。
国内65Mn钢焊接技术多采用手工电弧焊或钨极氩弧焊,这些焊接技术在施焊的过程中容易出现气孔、夹渣、开裂等缺陷,难以达到工况要求[2]。目前,国内对激光焊接65Mn钢的研究报道较少,本文重点研究了该钢激光焊接后焊缝区域的组织,为将来65Mn钢激光焊接的应用作为理论指导。
材料及试验方法
一、实验材料
本实验采用回火状态下65Mn钢棒料,其微观组织为回火索氏体和少量铁素体,化学成分(质量分数,%)为,0.62～0.70 C、0.90～1.20Mn、0.17～0.37 Si、≤0.25 Cr、≤0.25Ni、≤0.040P、余量Fe。
二、试验方法
试样采用钼丝线切割,试样尺寸为45mm×15mm×1mm,使用前用400号金相砂纸打磨表面,再用丙酮清洗备用。
激光器为TJ—HL—T 5000型5kWCO2,光斑直径为3mm,焦距320mm,用氩气作为保护气体。用型号为GX51奥林巴斯金相显微镜进行组织观察。
结果与分析
有关焊缝组织的划分,众多的研究者提出过多种分类方法及不同见解.受到普遍关注的是1985年道尔贝(Dobby)教授在国际焊接年会上提出的焊缝显微组织的分类准则.他根据焊缝金属中铁素体的形貌和析出位置的不同,提出了各种组织的名称,并得到了国际焊接学会的认可。道尔贝关于焊缝组织的分类具有较高的权威性,而且由于国际焊接学会的推荐,在更多的国家得到应用。
道尔贝认为,在进行焊接时,焊缝金属中可能出现的显微组织可以分为两大类,具体如下:
一、焊缝中的典型组织:
(一)先共析铁素体
先共析铁素体可分为晶界铁素体和晶内铁素体。晶界铁素体是沿原奥氏体晶界析出的铁素体,有的沿晶界呈长条扩展,有的呈多边形互相连接沿晶界分布。先共析铁素体通常在高温区发生γ→ɑ相变时优先生成,这是因为晶界能量较高而容易形成新相核心。当冷却速度较慢或者合金成分很少的时候,不仅在晶界,而且在晶内也形成块状或多边形的铁素体。
(二) 带第二相的铁素体
这里所说的第二相是珠光体、渗碳体、马氏体及M-A单元。第二相的性质、分布位置及特征是决定组织类型的关键,也是观察焊缝金属显微组织的重点。
(三)针状铁素体组织
针状铁素体是出现在原奥氏体晶内的有方向性的细小铁素体,宽度为2μm左右,长度比多在(3∶1)--(10∶1)的范围。针状铁素体可能是以氧化物或者氮化物为形核核心,呈放射状生长。因此,相邻的两针状铁素体之间的方位差呈20。以上。
(四)铁素体-碳化物集合体(珠光体组织)
铁素体-碳化物集合体主要是指珠光体组织,但也包括碳化物相与铁素体呈层状或非层状混杂分布区域,该区域要比周围的铁素体板条宽度大[2]。
如图1所示为65Mn激光焊接的焊缝组织,主要为针状铁素体组织。
二、不同强度级别的焊缝金属的组织
对于不同强度级别焊缝金属的组织观察表明,随着焊缝中合金元素的增加,焊缝组织由先析铁素体、针状铁素体和珠光体类型转变成粒状贝氏体类型,再转变成条状贝氏体+马氏体。
(一)名义强度为500MPa的焊缝
这类焊缝金属组织可明显分成两个区域,即柱状晶区和等轴晶区。柱状晶区的晶粒较大,晶界上有先析铁素体以及从晶界向晶内平行生长的侧板条铁素体,板条间有少量的珠光体;晶内为针状铁素体+珠光体。等轴晶区的组织多为多边形铁素体和珠光体。
(二)名义强度为700～800MPa的焊缝。
强度为700～800MPa的焊缝金属显微组织主要是贝氏体和少量晶界铁素体。除了贝氏体和晶界铁素体外,采用复型样品在扫描电镜下观察时,发现贝氏体铁素体基础上分布有少量的岛状组织,这些岛状组织存在于晶粒交界处,呈三角状或块状。经透射电镜和电子衍射证实,这些黑块组织为M-A单元[2]。
三、激光焊接功率(P)对焊缝区中针状铁素体组织的影响
由图2可以看出,随着激光输出功率的增大,焊缝区中的针状铁素体、珠光体含量增多,贝氏体及针状马氏体量则减少,焊缝区的组织也随着输出功率的增大而变粗。这是因为扫描速度一定时,随着激光输出功率增大,其线能量也相应增大,焊件受激光辐射而获得能量也就相应提高,奥氏体体化的温度高,奥氏体晶粒变粗大,导致组织粗大[3]。。
四、激光焊接速度(V)对焊缝中针状铁素体组织的影响
图3为相同焊接功率,不同焊接速度时焊缝的显微组织。焊缝区的组织由针状铁素体、珠光体、贝氏体及马氏体组成,并且随着激光焊接扫描速度的减小,焊缝区的铁素体、珠光体的含量增多,贝氏体及马氏体减少,马氏体及贝氏体的晶粒也随着扫描速度的降低而变粗。这是由于扫描速度减小,焊接线能量增大,熔池中液体金属的温度越高,且其过冷度比较小,过热奥氏体发生转变,大部分生成铁素体和珠光体,而只有少部分过热奥氏体生成贝氏体和马氏体。且由于扫描速度慢,保温的时间比较长,有利于晶粒的长大,最后生成的晶粒较粗大[4]。
结论
一、65Mn激光焊接的焊缝组织,主要为针状铁素体组织
二、随着激光输出功率的增大,焊缝区中的针状铁素体、珠光体含量增多,贝氏体及针状马氏体量则减少,焊缝区的组织也随着输出功率的增大而变粗。
三、随着激光焊接扫描速度的减小,焊缝区的铁素体、珠光体的含量增多,贝氏体及马氏体减少,马氏体及贝氏体的晶粒也随着扫描速度的降低而变粗。
参考文献:
[1] 刘其斌.激光加工技术及其应用[M].北京:冶金工业出版社,2007.
[2] 刘其斌,李宾.65Mn弹簧钢的激光焊接组织与性能[J].焊接学报,2009,30(9):105-108.
[3] 李亚江,焊接组织性能与质量控制[M].北京:化学工业出版社,2004.
[4] 崔忠圻.金属学与热处理[M].北京:机械工业出版社,2000.