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摘 要:为了研究65Mn钢激光焊接后的抗拉强度与断口,利用电子万能拉伸试验机及扫描电镜(SEM)对焊接接头的抗拉强度、断口组织进行分析和研究。试验表明,激光焊接后材料的抗拉强度的平均值为375 MPa,最佳工艺参数下抗拉强度可达到498МPa,断口一般以沿晶断裂为主;激光焊接65Mn钢的残余应力较低,热影响区应力平均值为-76MPa,而焊缝区的平均残余应力值为104MPa, 残余应力随焊接功率和速度的增加而变大。
关键词:激光焊接 焊缝抗拉强度 断口分析
一、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WDW3100型拉伸电子万能实验机和SEM等测试手段对焊接接头进行拉伸强度和测定断口分析。
二、结果与分析
(一)焊缝抗拉强度分析
抗拉强度是衡量焊接接头质量的一个重要力学指标,因此对焊接后65Mn首先将试样切割成长度为80 mm,宽度为80mm,厚度为1mm的板料[1],然后对该板料进行不同工艺下的激光焊接。焊接后,用砂轮打掉应力集中点,并用粗砂纸打磨,最后用丙酮清晰表面,拉伸试样如图1所示:
采用CMT系列微机控制电子万能(拉伸)试验机进行拉伸实验,实验结果如表1所示:
由表1可知,65Mn薄板基材的抗拉强度较高,为990МPa,而焊接后的抗拉强度均未超过基材,平均抗拉强度为475МPa这是因为65Mn的碳含量高,加上Mn与Si的联合作用,使其碳当量达0.8% 以上。这就使65Mn钢具有极大的淬硬倾向,焊接性极差的缘故[2]。
由于65Mn是高碳钢,所以焊接时候温度太高材料的热脆性严重。如表所示,А19-А23号样品,抗拉强度普遍在300МPa以下,断裂区域都在热影响区,属于明显的脆性断裂。在显微硬度测试中,3.0KW以上功率的焊接接头的热影响区的硬度很高,一般在Hv800以上,这说明热影响区和焊缝的中部形成了脆性组织[3-4]。
在焊接功率过低时,抗拉强度也比较低,如А1-А6号试样,这些样的焊接功率均为1.5KW,由于激光焊接的功率过低,样品没有焊透,如图2所示。
当焊接功率在2.0KW和2.5KW的时候,抗拉强度较高,如А8-А18号试样,抗拉强度都在350МPa以上,尤其是А11号试样(p=2.0kw v=7mm/s)和А17号试样(p=2.5kw v=9mm/s)的抗拉强度分别达到了498Мpa和470Мpa,这说明,该工艺参数下的焊接质量较高。这主要是因为该工艺下激光焊接的焊缝晶粒细小,焊缝中心为等轴晶组织,有良好的力学性能,从而使焊接接头具有较好的抵抗变形和断裂能力[5]。
(二)拉伸断口分析
功率在1.5kw的试样抗拉强度很低,一般在300Мpa以下,而且随着扫描速度的增大,抗拉强度越低,图4-8为А5号(p=1.5kw v=9mm/s)试样的扫描电镜图片。
由图3可以看出,左端的断口组织比较细,而右端比较粗大,总体上断口属于沿晶断裂。这是因为由于激光焊接功率过低,未能把试样焊透,左侧是焊接的下表面,右侧为焊接的上表面,温度较高,熔池的过冷度比较小,其形核的机率也较小,冷却比较慢,故晶粒比较粗大,而下表面明显细小。
激光焊接功率为3.0kw试样,由于过热性大,抗拉强度非常的低,一般在250Мpa左右,А22号试样(p=3.0kw v=9mm/s)扫描电镜断口形貌如图4所示,可以看出,断口形貌上有典型的冰糖状态花样,属于明显的沿晶断裂。
沿晶断裂是金属常发生的脆性断裂之一,金属发生沿晶断裂会造成危害,是金属的一个弊病之一。金属的沿晶断裂可以分为瞬间沿晶断和延滞沿晶断裂。沿晶断裂断裂过程也应为裂纹产生→裂纹扩展→断裂。
沿晶断裂多为晶界被弱化造成的断裂。这些弱化晶界的原因有,相变时产生领先相沿晶界分布。领先相可以是脆性的碳化物,也可以是很软的铁素体。再有结晶时低熔点合金向晶界面富集。P、S杂质及C化物在回火时向晶界析出或富集。沿晶断裂的裂纹多是集中应力作用在弱相处形成,可以是脆性断裂形式形成,也可以是以韧性断裂的形式产生。由于晶内与晶界强度差异,很容易在晶界处造成应力集中,所以裂纹通常沿这个应力集中和薄弱的晶界扩展。裂纹可以是单独的,也可以是多发的。当裂纹汇集在一起时便造成了断裂。晶界的断裂可以是脆性形式完成——多以沿晶脆性相分布造成。碳钢的不正确回火可造成沿晶断裂。钢材过烧时更会出现大量沿晶断口。任何损坏晶界强度使之低于晶内强度的因素都可以导致沿晶断裂,沿晶断裂对金属构件危害很大,而且有时产生这种组织是不可逆转的。
如图5所示,功率为2.0kw,扫描速度为7mm/s的试样,断口类型也为沿晶断裂,但是相对于其他功率,它的晶粒明显的变小,所以抗拉强度比其他的试样高。
三、结论
(一)激光焊接后65Mn的抗拉强度的平均值为375 MPa,最佳工艺参数下抗拉强度可达到498МPa。
(二)激光焊接65Mn后材料一般为沿晶断裂。
参考文献
[1] 周达,沈一龙.焊接实验[M].北京:国防工业出版社,1996.
[2] 张文钺.焊接冶金及金属焊接性(第2版) [M].北京:机械工业出版社.1994.
[3] 李巧艳,罗 宇,王亚军,陈 俐.5052铝合金双光点激光焊接组织与性能[J].焊接学报.2007,28(12):105-108.
[4] 李志远,钱乙余,张九海. 先进连接方法[M].北京:机械工业出版社,2000.
[5] 雷玉成,朱 强,王建中,陈 炜.ST14钢激光拼焊板焊缝组织及成形性能分析[J].焊接学报.2006,27(7):25-28.
关键词:激光焊接 焊缝抗拉强度 断口分析
一、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WDW3100型拉伸电子万能实验机和SEM等测试手段对焊接接头进行拉伸强度和测定断口分析。
二、结果与分析
(一)焊缝抗拉强度分析
抗拉强度是衡量焊接接头质量的一个重要力学指标,因此对焊接后65Mn首先将试样切割成长度为80 mm,宽度为80mm,厚度为1mm的板料[1],然后对该板料进行不同工艺下的激光焊接。焊接后,用砂轮打掉应力集中点,并用粗砂纸打磨,最后用丙酮清晰表面,拉伸试样如图1所示:
采用CMT系列微机控制电子万能(拉伸)试验机进行拉伸实验,实验结果如表1所示:
由表1可知,65Mn薄板基材的抗拉强度较高,为990МPa,而焊接后的抗拉强度均未超过基材,平均抗拉强度为475МPa这是因为65Mn的碳含量高,加上Mn与Si的联合作用,使其碳当量达0.8% 以上。这就使65Mn钢具有极大的淬硬倾向,焊接性极差的缘故[2]。
由于65Mn是高碳钢,所以焊接时候温度太高材料的热脆性严重。如表所示,А19-А23号样品,抗拉强度普遍在300МPa以下,断裂区域都在热影响区,属于明显的脆性断裂。在显微硬度测试中,3.0KW以上功率的焊接接头的热影响区的硬度很高,一般在Hv800以上,这说明热影响区和焊缝的中部形成了脆性组织[3-4]。
在焊接功率过低时,抗拉强度也比较低,如А1-А6号试样,这些样的焊接功率均为1.5KW,由于激光焊接的功率过低,样品没有焊透,如图2所示。
当焊接功率在2.0KW和2.5KW的时候,抗拉强度较高,如А8-А18号试样,抗拉强度都在350МPa以上,尤其是А11号试样(p=2.0kw v=7mm/s)和А17号试样(p=2.5kw v=9mm/s)的抗拉强度分别达到了498Мpa和470Мpa,这说明,该工艺参数下的焊接质量较高。这主要是因为该工艺下激光焊接的焊缝晶粒细小,焊缝中心为等轴晶组织,有良好的力学性能,从而使焊接接头具有较好的抵抗变形和断裂能力[5]。
(二)拉伸断口分析
功率在1.5kw的试样抗拉强度很低,一般在300Мpa以下,而且随着扫描速度的增大,抗拉强度越低,图4-8为А5号(p=1.5kw v=9mm/s)试样的扫描电镜图片。
由图3可以看出,左端的断口组织比较细,而右端比较粗大,总体上断口属于沿晶断裂。这是因为由于激光焊接功率过低,未能把试样焊透,左侧是焊接的下表面,右侧为焊接的上表面,温度较高,熔池的过冷度比较小,其形核的机率也较小,冷却比较慢,故晶粒比较粗大,而下表面明显细小。
激光焊接功率为3.0kw试样,由于过热性大,抗拉强度非常的低,一般在250Мpa左右,А22号试样(p=3.0kw v=9mm/s)扫描电镜断口形貌如图4所示,可以看出,断口形貌上有典型的冰糖状态花样,属于明显的沿晶断裂。
沿晶断裂是金属常发生的脆性断裂之一,金属发生沿晶断裂会造成危害,是金属的一个弊病之一。金属的沿晶断裂可以分为瞬间沿晶断和延滞沿晶断裂。沿晶断裂断裂过程也应为裂纹产生→裂纹扩展→断裂。
沿晶断裂多为晶界被弱化造成的断裂。这些弱化晶界的原因有,相变时产生领先相沿晶界分布。领先相可以是脆性的碳化物,也可以是很软的铁素体。再有结晶时低熔点合金向晶界面富集。P、S杂质及C化物在回火时向晶界析出或富集。沿晶断裂的裂纹多是集中应力作用在弱相处形成,可以是脆性断裂形式形成,也可以是以韧性断裂的形式产生。由于晶内与晶界强度差异,很容易在晶界处造成应力集中,所以裂纹通常沿这个应力集中和薄弱的晶界扩展。裂纹可以是单独的,也可以是多发的。当裂纹汇集在一起时便造成了断裂。晶界的断裂可以是脆性形式完成——多以沿晶脆性相分布造成。碳钢的不正确回火可造成沿晶断裂。钢材过烧时更会出现大量沿晶断口。任何损坏晶界强度使之低于晶内强度的因素都可以导致沿晶断裂,沿晶断裂对金属构件危害很大,而且有时产生这种组织是不可逆转的。
如图5所示,功率为2.0kw,扫描速度为7mm/s的试样,断口类型也为沿晶断裂,但是相对于其他功率,它的晶粒明显的变小,所以抗拉强度比其他的试样高。
三、结论
(一)激光焊接后65Mn的抗拉强度的平均值为375 MPa,最佳工艺参数下抗拉强度可达到498МPa。
(二)激光焊接65Mn后材料一般为沿晶断裂。
参考文献
[1] 周达,沈一龙.焊接实验[M].北京:国防工业出版社,1996.
[2] 张文钺.焊接冶金及金属焊接性(第2版) [M].北京:机械工业出版社.1994.
[3] 李巧艳,罗 宇,王亚军,陈 俐.5052铝合金双光点激光焊接组织与性能[J].焊接学报.2007,28(12):105-108.
[4] 李志远,钱乙余,张九海. 先进连接方法[M].北京:机械工业出版社,2000.
[5] 雷玉成,朱 强,王建中,陈 炜.ST14钢激光拼焊板焊缝组织及成形性能分析[J].焊接学报.2006,27(7):25-28.