預(yù)熱溫度對AH36激光焊縫組織及硬度的影響

李赫， 王磊， 黃勇， 周明， 周琦， 王克鴻

(1.南京理工大學(xué)，南京210094；2.江蘇靖寧智能制造有限公司, 江蘇 靖江 214513)

0 前言

AH36鋼因其較好的綜合性能與可焊性目前在船舶領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。激光焊接具有效率高、成形好、功率大等優(yōu)點(diǎn)，可以有效進(jìn)行船舶鋼結(jié)構(gòu)件焊接[3-4]。但由于激光焊接冷卻速度較快，使得激光焊接接頭中易出現(xiàn)大量的馬氏體組織，馬氏體作為典型的脆硬相，焊縫中馬氏體含量過多易導(dǎo)致冷裂紋等缺陷[5]，影響接頭沖擊韌性等力學(xué)性能[6]。已有研究表明，通過焊前預(yù)熱，可以有效的對焊接接頭力學(xué)性能進(jìn)行改善。徐學(xué)利等人[7]通過控制預(yù)熱溫度，提升了X100管線鋼焊接接頭的抗冷裂性能；岑耀東等人[8]通過焊前預(yù)熱工藝，使電阻焊焊接接頭的拉剪載荷提高了7%以上，并改善了接頭的斷裂形態(tài)。

為有效改善AH36船舶鋼焊接接頭性能，文中通過平板對接激光焊接試驗(yàn)，研究了不同預(yù)熱溫度下接頭微觀組織構(gòu)成與分布，以及預(yù)熱溫度對接頭顯微硬度影響，為合理優(yōu)化焊接工藝提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用材料為AH36船舶鋼，其化學(xué)成分見表1，母材顯微組織主要由鐵素體與少量珠光體組成。焊接過程如圖1所示，所用的激光器為YLS-10000，焊接機(jī)器人為KUKA KR16。采用無間隙平板對接方式進(jìn)行焊接試驗(yàn)，對接后板材尺寸為400 mm×150 mm×6 mm，焊接過程中未使用填充焊絲。

圖1 焊接示意圖

表1 AH36船舶鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

為分析不同預(yù)熱溫度對AH36激光焊接接頭組織與性能影響，使用電加熱陶瓷片對板材進(jìn)行焊前預(yù)熱處理，預(yù)熱溫度分別為28 ℃(室溫)、128 ℃與250 ℃。不同預(yù)熱溫度下，焊接參數(shù)保持一致，激光功率為5.5 kW，離焦量為0 mm，焊接速度為1.8 m/min，焊接過程所用保護(hù)氣為純氬，氣體流量15 L/min。焊后采用電火花切割制作焊接接頭，經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精熔液腐蝕后，使用Olympus-GX41光學(xué)顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察，使用維氏硬度測試儀(HVS-50)進(jìn)行顯微硬度測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀組織分析

室溫28 ℃下所得焊接接頭微觀組織形貌如圖2所示。可分為焊縫(WM)與熱影響區(qū)(HAZ)兩部分，焊縫組織呈明顯的柱狀晶特征，生長方向基本垂直于熔合線，這是因?yàn)樵摲较驕囟忍荻却螅鄢匾簯B(tài)金屬更易結(jié)晶。焊縫中心上下區(qū)域微觀組織均以板條狀馬氏體(M)為主，夾雜較小的粒狀貝氏體(B)。焊縫邊緣處，馬氏體等微觀組織晶粒更為粗大，與熱影響區(qū)間出現(xiàn)明顯的過渡區(qū)域。熱影響區(qū)中除板條馬氏體外，可觀察到未奧氏體化的鐵素體母材(F)與細(xì)小的殘余奧氏體，預(yù)熱溫度的改變對熱影響區(qū)組織分布與形態(tài)影響較小。

圖2 28 ℃下焊接接頭微觀組織形貌

預(yù)熱溫度為128 ℃時(shí)，焊接接頭微觀組織形貌如圖3所示。研究表明，焊接熔池從800 ℃冷卻至500 ℃階段相變劇烈，對接頭組織轉(zhuǎn)變與力學(xué)性能起著決定性的影響[9-10]。預(yù)熱溫度增加會造成熱量堆積，進(jìn)而導(dǎo)致冷卻階段冷卻速度降低，冷卻過程中溫度停留在Ms點(diǎn)以上的時(shí)間更長，最終導(dǎo)致生成的粒狀貝氏體數(shù)目增加，板條狀馬氏體數(shù)目減少。

圖3 128 ℃下焊接接頭微觀組織形貌

預(yù)熱溫度為250 ℃時(shí)，焊接接頭微觀組織形貌如圖4所示。此時(shí)冷卻速度進(jìn)一步降低，焊縫中微觀組織主要以貝氏體為主，焊縫中生成的馬氏體依然呈板條狀。此外，還出現(xiàn)了由板條狀鐵素體與條間分布的不連續(xù)碳化物構(gòu)成的羽毛狀上貝氏體(Bu)，由于鐵素體板條間所析出的滲碳體呈脆性，上貝氏體的出現(xiàn)會對接頭的塑性與韌性造成影響。焊縫不同區(qū)域熔寬變化如圖5所示，隨預(yù)熱溫度升高，焊縫區(qū)域不同位置處熔寬尺寸明顯增加，熱影響區(qū)范圍也有所擴(kuò)大。焊縫中馬氏體組織分?jǐn)?shù)與貝氏體組織分?jǐn)?shù)變化曲線如圖6所示，室溫時(shí)，A點(diǎn)與C點(diǎn)馬氏體組織分?jǐn)?shù)分別可達(dá)84.4%與87.1%，預(yù)熱溫度為250 ℃時(shí)，其組織分?jǐn)?shù)分別降低至45.9%與53.2%。對應(yīng)的，貝氏體組織分?jǐn)?shù)則隨預(yù)熱溫度升高呈明顯的上升趨勢。

圖4 250 ℃下焊接接頭微觀組織形貌

圖5 焊縫熔寬變化圖

圖6 組織分?jǐn)?shù)變化圖

2.2 顯微硬度分析

焊縫中心與焊縫邊緣處顯微硬度在不同預(yù)熱溫度下變化如圖7所示。隨預(yù)熱溫度升高，各位置點(diǎn)顯微硬度明顯下降。室溫下，焊縫中心A點(diǎn)硬度約為406.8 HV，下方C點(diǎn)硬度約為419.3 HV，受熔池邊界影響，焊縫邊緣處硬度略有上升，B，D點(diǎn)位置焊縫邊緣硬度分別為420 HV與437.6 HV，當(dāng)預(yù)熱溫度升高至250 ℃時(shí)， A，C點(diǎn)硬度分別降低至358.6 HV與394.2 HV， B，D點(diǎn)則分別降低至378.1 HV與402.1 HV，由式(1)[11]可知，硬度變化與微觀組織中馬氏體含量變化規(guī)律保持一致。

圖7 特征點(diǎn)顯微硬度變化

(1)

式中：PiM為馬氏體體積分?jǐn)?shù);α,β為擬合系數(shù)。此外，由于板材底部與支撐平臺直接接觸，散熱條件的差異使得接頭下部冷卻速度快，溫度梯度大，晶粒細(xì)化的同時(shí)更易生成馬氏體組織，導(dǎo)致接頭下部硬度整體高于上部。

3 結(jié)論

(1)無預(yù)熱時(shí)，接頭顯微組織以板條狀馬氏體為主，夾雜粒狀貝氏體。

(2)隨著預(yù)熱溫度的升高，熱量堆積會導(dǎo)致焊縫區(qū)域的熔寬尺寸隨之增加，熱影響區(qū)范圍也有所增加。

(3)隨著預(yù)熱溫度的升高，冷卻速度降低，導(dǎo)致馬氏體數(shù)目減少貝氏體數(shù)目上升。預(yù)熱溫度升至250 ℃時(shí)，微觀組織以貝氏體為主，同時(shí)生成羽毛狀上貝氏體。

(4)接頭顯微硬度隨預(yù)熱溫度升高而降低，焊縫邊界高于焊縫中心，接頭下部整體高于上部，與馬氏體組織分?jǐn)?shù)變化規(guī)律保持一致。