65Mn鋼激光焊接組織與硬度研究
摘要：
研究了65Mn鋼激光焊接后微觀組織和硬度的變化，結果表明：焊接質量良好，焊縫區組織由中心到邊緣依次生成細小等軸晶、枝狀晶、胞狀晶。熱影響區組織主要是針狀馬氏體、貝氏體以及少量鐵素體。焊接接頭主要由細小的α—Fe及Fe3C、FeSi等相組成。焊縫區平均硬度為HV710，熱影響區硬度最高值約為HV770，從熱影響區到基材硬度明顯下降。
65Mn鋼作為常用機器零件鋼，廣泛應用于機械、交通等部門。在做傳統焊接時，由于65Mn的含碳量過高，有著難以克服的局限性，如熱影響區大，熱脆形性嚴重，而難以滿足需求，與傳統焊接方法相比，激光焊接具有深寬比大、焊縫窄、焊縫結合強度高、熱影響區小、焊接變形小及對周圍組織無影響等特點而得到廣泛應用[1]，目前，有關65Mn鋼激光焊接的研究很少，本文對65Mn鋼進行了CO2激光深熔焊的實驗研究，重點分析了65Mn鋼激光焊接后焊縫及熱影響區的組織和硬度變化，為將來65Mn鋼激光焊接的應用提供理論指導。
1 實驗材料及試驗方法
1.1 實驗材料 取退火狀態下的65Mn鋼棒料，其成分如表1所示。
1.2 試驗方法
表1 基材的化學成分(質量百分比%)
試樣采用鉬絲線切割成厚度為1mm，半徑為12.5mm半圓柱狀，使用前用400金相砂紙打磨表面，再用丙酮清洗備用。激光焊接試驗采用TJ—HL—T5000型5kW CO2激光器，，光斑尺寸為3mm，焦距320mm, 焊縫長度為25mm，采用Ar氣作為保護氣體。用GX51型奧林巴斯金相顯微鏡進行顯微組織觀察和拍照，用D/Max-2200型全自動X射線衍射儀進行物相分析，用HV-1000顯微硬度計進行顯微硬度測試，載荷砝碼200g，加載時間20s。對25個焊接試樣進行焊后觀察，找出焊縫成形好，接頭狹窄，變形小，焊接焊縫筆直、光滑、均勻連續的三個最好試樣進行分析，工藝如表2。
表2 激光焊接工藝參數
2 實驗結果分析
圖1為焊縫中心→近中心區→邊緣區的組織分布，由圖1(a)可以看出，焊縫中心主要為等軸晶分布，近中心區為胞狀晶與樹枝晶的混合組織。由圖1(b)可知，在靠近熱影響區的邊緣區為少量的胞狀晶。
(a)焊縫區 100× (b)焊縫與熱影響區 500×
圖1 焊縫中心區與結合區的組織
在進行激光焊接時，激光束與基材作用時間短，當光束移開后，熔池金屬迅速冷卻，然后快速凝固。在靠近熔池邊緣，由于與母材接觸，液態金屬的結晶速度比熔池中心大，這樣使焊縫金屬生成胞狀晶。在近中心區，由于溫度梯度沒有邊緣區高，成份過冷度大，導致該區焊縫金屬多數按樹枝晶長大。而在焊縫中心區域，熔池金屬溫度梯度很小，熔池中未熔化的懸浮質點為非自發形核的現成凝固表面，這些晶粒不受其他散熱條件的影響，可以自由生長，促使焊縫形成等軸晶[2-5]。
2.2熱影響區金相組織
圖2 熱影響區的組織 500×
圖2為焊接熱影響區組織，由圖2(a)可見：焊接的熱影響區粗晶區主要是由針狀馬氏體組成，這是由于在靠近熔合線附近，溫度在1350 oC，奧氏體晶粒明顯長大，快速冷卻后轉變成了粗大的高碳針狀馬氏體。
由圖2(b)可見，相變重合區主要是由較為細小的針狀馬氏體組成，這是因為，在這個區域，焊接時的溫度在950 oC，奧氏體晶粒來不及長大，冷卻速度沒有熔合線附近快，冷卻后轉變成為細小的針狀馬氏體+鐵素體+下貝氏體組織。
在相變不完全重合區，由于峰值溫度在800 oC，而且Ac1以上時間短，只有部分組織奧氏體化，冷卻后轉變為細小針狀馬氏體+鐵素體+上貝氏體+下貝氏體組織，如圖2(c)所示。
2.3 ΧRD衍射分析
圖3為3號試樣的XRD衍射圖譜。由衍射結果可以看出，焊接接頭相組成除了基體相α—Fe外，還有Fe3C、FeSi等相。由于α—Fe的硬度較低，而Fe3C和FeSi的硬度比較高，這些相的存在，可以保證焊接區有良好的強韌性配合。
圖3 焊接接頭的 ΧRD衍射結果
2.4 顯微硬度分析
圖4 焊接接頭的顯微硬度曲線
三種焊接工藝的焊縫接頭的硬度分布曲線從圖4可以看出其硬度分布曲線的走向成三個明顯的區域：一是中間突起的平臺區域，這是焊縫區域，平均硬度為HV710，其硬度值要明顯高于其他區域;二是從平臺區域往兩邊各有一個斜率較大的坡度，說明硬度值在這個區域有一個明顯的銳減，這部分是焊接熱影響區，從上面的組織分析可以看出這部分還是有馬氏體和貝氏體存在.所以硬度值還是比較高的;第三區又是一個硬度平臺，這是基材組織，平均硬度為HV230左右。
3 小結
(1) 65Mn鋼經激光焊接后，焊接區的組織發生了較大的變化，焊縫區組織依次為細小等軸晶→枝狀晶→胞狀晶。熱影響區粗晶區為粗大的針狀馬氏體，相變重合區為細小針狀馬氏體+鐵素體+下貝氏體，不完全相變重合區為針狀馬氏體+鐵素體+上貝氏體+下貝氏體組織。
(2)焊接接頭的基體相為α—Fe，其上分布有結晶析出的Fe3C、FeSi等相。
(3)焊接接頭的硬度分布規律為：焊縫區域平均硬度最大，平均為HV710，在焊縫與熱影響結合區達到最高值為HV770，從熱影響區到基材硬度明顯下降。
參考文獻
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