65Mn與W6542激光焊接后熱處理實驗分析

吳學宏，董兵天，許 璐，張仁峰

1.甘肅有色冶金職業技術學院機電工程系，甘肅金昌 737100 2.天津工業大學機械工程學院，天津 300384 3.天津渤海職業技術學院機械工程系，天津 300019

65Mn與W6542激光焊接后熱處理實驗分析

吳學宏1，董兵天1，許 璐2，張仁峰3

1.甘肅有色冶金職業技術學院機電工程系，甘肅金昌 737100 2.天津工業大學機械工程學院，天津 300384 3.天津渤海職業技術學院機械工程系，天津 300019

現代工業對材料的要求越來越高，一般的材料很難滿足特定要求下的工業需求，異種金屬的有機結合可以有效解決這個問題，由于激光技術的迅速發展，異種金屬的激光焊接越來越成為熱點，本文研究65Mn與W6542兩種材料激光焊接后熱處理的方法，焊接后熱處理對于異種金屬的焊接效果起到關鍵作用，研究為兩種材料的激光焊接打下堅實基礎。

高速鋼；65Mn鋼；激光焊接；焊后熱處理

1 焊縫區元素分布

隨著工業激光器的發展，激光焊接已經成為工業生產中的一項常用技術，在某些領域中，激光焊接已經取代了一些傳統的焊接方法。

目前，焊接熱處理已廣泛應用于電力、石油、化工、船舶和核工業等領域的焊接過程，為保證焊接質量起到了積極的作用。特別是推行ISO9000標準的單位，由于熱處理對焊件結構影響的特殊性，一般均將熱處理作為特殊過程而加以控制。此外，由于熱處理一般是影響焊接結構質量的最后工序，所以，對焊接熱處理進行質量控制與考核對保證焊接質量有重要的實際意義。

焊接熱處理質量控制是焊接質量控制的一個重要組成部分，熱處理作為一個獨立的工序，有其自身的工序特點。因而搞好熱處理的質量控制是保證焊接質量控制的關鍵之一。

2 熱處理質量控制的必要性

1）母材、焊接材料質量的不均勻性，主要反映在化學成分上的不均勻，從而導致焊接接頭的組織偏析和機械性能上的不均勻性。焊接熱處理質量監督多采用硬度檢驗的方法，硬度評定標準均以母材硬度為依據。所以，這種不均勻性會導致檢驗標準的不確定性。

此外，這種不均勻性還影響對焊接接頭抗裂性的評定。一般用熱影響區最高硬度作為評定焊接接頭抗裂性的一項指標。如對σb=50~60kgf/mm2的鋼材。

Hmax=(666Ceq+40)±40 HV

式中 Hmax為熱影響區的最高硬度。

Ceq為碳當量(Ceq=C+Mn/6+Si/24+Ni/40 +Cr/5+Mo/4+V/5)

2）工藝評定的局限性和不完善性，主要是試驗室評定與現場施工條件的差異，短焊接試樣與實際焊接結構的不一致（如：電站焊接現場熱處理采用的遠紅外電加熱，屬外伸構件的加熱，與整體加熱不同），少量試驗與大量施工的不一致等，使得在試驗室評定合格的工藝在實際施工中引起新的問題。

3）焊接過程的不穩定性與接頭淬硬的可能性。特別是手工焊接，使得接頭質量的不穩定性更為突出。從質量控制考慮，不希望得到淬硬組織。不同的組織狀態對質量控制有不同程度的影響，按其嚴重性程度排列為：M-B-T-S-P-F。避免淬硬組織，削弱這種不穩定性對組織和性能的影響，正是熱處理工作的主要任務，也是熱處理質量控制的主要目的。

4）焊接過程中不可避免的缺陷，主要是組織和性能上的缺陷，如成分， 組織的不均勻性，應力集中，過熱組織等，均需通過熱處理的手段來改善。

5）管理上的問題，事實上這一問題更為突出。如英國管理學會在1970年對質量事故的統計分析指出，因管理因素(包括質量管理，技術管理，生產管理，計劃管理)造成的事故占88%。因而，要確保產品質量，不單要靠先 進的技術，更重要的是抓好管理。

為此，國際焊接學會第Ⅺ委員會的質量保證工作組對焊接質量控制作出了具體的規定，并把熱處理的控制規定了四個檢驗要點。國內的各有關標準，如SD340-89，DL5007-92等對焊接熱處理的工藝，檢驗，評定等方面都作出了相應的規定[9]。

高速鋼與彈簧鋼焊接過后，使用能譜儀對焊縫中心觀測，如圖1所示。在熱循環過程中，C、Cr、Mo等元素發生了由齒材高速鋼向焊縫中心區的擴散，焊縫 中其元素含量明顯高于母材 高速鋼，同時焊縫中W、V含量受到熔池稀釋作用含量較母材低。W在焊接過程中，易于C形成含 W 碳化物，且該碳化物熔點較高，在焊接過程中不易被溶解。表現為未熔碳化物。V、Mo、Cr元素為強碳化物形成元素，在擴散過程中，C與它們的親和力較強，且C濃度越大，越易于這些元素結合形成碳化物。

3 焊縫區顯微硬度分布

對焊后材料進行硬度分析，實驗用設備為DHV-1000數顯顯微硬度計，如圖2所示，兩材料對應區域維氏硬度相差不大，最高硬度出現在高速鋼熔合區，主要相為高碳馬氏體。熱影響區發生相變，碳及合金元素從馬氏體和殘余奧氏體中脫溶，析出高彌散性的碳化物，發生馬氏體二次硬化，故此區域硬度值也很高。

4 試件退火保溫時間對焊縫硬度的影響

兩種不同組織的材料經過焊接后，在齒背材組織不惡化的前提下，通過退火消除焊接殘余應力、降低焊縫維氏硬度，為后續的軋平校直和洗齒及最終熱處理作相關的準備。查閱相關高速鋼和彈簧鋼熱處理工藝資料，確定齒材高速鋼和背材彈簧鋼的奧氏體化溫度分別為850℃和755℃。根據現有退火工藝，選擇先加熱到低于奧氏體化溫度后進行保溫。根據保溫時間的同觀察退火后試件焊縫的實際情況。退火設備為RJX49箱型電阻爐 最高溫度1000℃。

退火前焊縫維氏硬度為879HV，然而保溫2h后迅速降至 365HV，此后保溫時間逐漸增加，但齒部硬度變化卻很小，直至保溫10h后，齒部最終硬度為309HV。背部硬度也有類似規律，如圖3所示。

退火試件在保溫初期，再結晶發生軟化而導致硬度急劇下降，隨著保溫時間的延長，再結晶完成的同時硬度基本不再發生變化。退火后焊縫組織均勻，焊縫中心區碳化物出現顆粒球化現象，退火后的焊縫處晶粒多為柱狀晶，且沿著熔合線界面方向均勻分布。

5 結論

由于激光焊接的加工特性，高速鋼與彈簧鋼在焊接時表面溫度驟然升高后又在空氣中冷卻，相當于將材料淬火，且在焊接中，不同元素之間的流動性增強，會在部分區域內出現碳化物，碳化物的形成提高了組織材料的硬脆行，容易開裂，這在加工生產中是不允許的，故焊接后的熱處理是十分必要的，論文研究發現在加熱到850℃后冷卻2h時材料的組織性能最優且趨于穩定，為生產加工提供了一定的技術理論支持。

[1]祁峻峰，牛振，張冬云，等.雙金屬帶鋸條異種接頭的CO激光焊接試驗研究[J].中國激光，2007，34：314-318.

[2]田燕.焊接區端口金相分析[M].機械工業出版社，1992，23.

[3]趙琳.大功率光纖激光焊接過程中工藝參數對熔深和氣孔的影響[J].中國激光，2013，40（11）.

TG4

A

1674-6708（2015）144-0167-02

甘肅省高等學校科研項目（2014A-149）

吳學宏，碩士研究生，研究方向：機電類專業課程的教學與研究

吳學宏