贵州大学蔡家关校区材料学院  刘其斌   李宾   白丽锋 

 

摘要：研究了65Mn钢激光焊接后微观组织和硬度的变化，结果表明：焊接质量良好，焊缝区组织由中心到边缘依次生成细小等轴晶、枝状晶、胞状晶。热影响区组织主要是针状马氏体、贝氏体以及少量铁素体。焊接接头主要由细小的α—Fe及Fe₃C、FeSi等相组成。焊缝区平均硬度为HV710，热影响区硬度最高值约为HV770，从热影响区到基材硬度明显下降。

关键词：65Mn；激光焊接；微观组织；显微硬度

By Liu Qi-bin&Li Bin&Bai Li-Feng

Abstract:  The Microstructure and hardness of 65Mn steel by laser welding was studied. The experimental results indicate that the fine equiaxised crystal, dendrite crystal and cell grain are formed from welding central zone to edge zone. And martensite，bainite and a small amount of ferrite appeared mainly in the heat affected zone. The welding joint mainly consists of fine a-Fe 、Fe₃C and FeSi．The average hardness value of weld zone is HV710, and the highest hardness value in heat affected zone is approximately HV770, the hardness obviously decreases from the heat affected zone to substrate.

65Mn钢作为常用机器零件钢，广泛应用于机械、交通等部门。在做传统焊接时，由于65Mn的含碳量过高，有着难以克服的局限性，如热影响区大，热脆形性严重，而难以满足需求，与传统焊接方法相比，激光焊接具有深宽比大、焊缝窄、焊缝结合强度高、热影响区小、焊接变形小及对周围组织无影响等特点而得到广泛应用[1]，目前，有关65Mn钢激光焊接的研究很少，本文对65Mn钢进行了CO₂激光深熔焊的实验研究，重点分析了65Mn钢激光焊接后焊缝及热影响区的组织和硬度变化，为将来65Mn钢激光焊接的应用提供理论指导。

取退火状态下的65Mn钢棒料，其成分如表1所示。

表1 基材的化学成分（质量百分比%）

试样采用钼丝线切割成厚度为1mm，半径为12.5mm半圆柱状，使用前用400金相砂纸打磨表面，再用丙酮清洗备用。激光焊接试验采用TJ—HL—T5000型5kW CO2激光器，，光斑尺寸为3mm，焦距320mm, 焊缝长度为25mm，采用Ar气作为保护气体。用GX51型奥林巴斯金相显微镜进行显微组织观察和拍照，用D/Max-2200型全自动X射线衍射仪进行物相分析，用HV－1000显微硬度计进行显微硬度测试，载荷砝码200g，加载时间20s。对25个焊接试样进行焊后观察，找出焊缝成形好，接头狭窄，变形小，焊接焊缝笔直、光滑、均匀连续的三个最好试样进行分析，工艺如表2。

表2 激光焊接工艺参数

试样编号	焊接功率（KW）	焊接速度（mm/s）	焦距（mm）
1	1.5	7	320
2	1.5	9	320
3	2.0	9	320

图1为焊缝中心→近中心区→边缘区的组织分布，由图1（a）可以看出，焊缝中心主要为等轴晶分布，近中心区为胞状晶与树枝晶的混合组织。由图1（b）可知，在靠近热影响区的边缘区为少量的胞状晶。

在进行激光焊接时，激光束与基材作用时间短，当光束移开后，熔池金属迅速冷却，然后快速凝固。在靠近熔池边缘，由于与母材接触，液态金属的结晶速度比熔池中心大，这样使焊缝金属生成胞状晶。在近中心区，由于温度梯度没有边缘区高，成份过冷度大，导致该区焊缝金属多数按树枝晶长大。而在焊缝中心区域，熔池金属温度梯度很小，熔池中未熔化的悬浮质点为非自发形核的现成凝固表面，这些晶粒不受其他散热条件的影响，可以自由生长，促使焊缝形成等轴晶^[2-5]。

 

图2为焊接热影响区组织，由图2（a）可见：焊接的热影响区粗晶区主要是由针状马氏体组成，这是由于在靠近熔合线附近，温度在1350 ºC，奥氏体晶粒明显长大，快速冷却后转变成了粗大的高碳针状马氏体。

由图2（b）可见，相变重合区主要是由较为细小的针状马氏体组成，这是因为，在这个区域，焊接时的温度在950 ºC，奥氏体晶粒来不及长大，冷却速度没有熔合线附近快，冷却后转变成为细小的针状马氏体+铁素体+下贝氏体组织。

在相变不完全重合区，由于峰值温度在800 ºC，而且Ac1以上时间短，只有部分组织奥氏体化，冷却后转变为细小针状马氏体+铁素体+上贝氏体+下贝氏体组织，如图2（c）所示。

图3为3号试样的XRD衍射图谱。由衍射结果可以看出，焊接接头相组成除了基体相α—Fe外，还有Fe₃C、FeSi等相。由于α—Fe的硬度较低，而Fe₃C和FeSi的硬度比较高，这些相的存在，可以保证焊接区有良好的强韧性配合。