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发表于 2014-4-26 18:11:15
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章编号:1674-2974(2013)11-0089-07
M42/X32异种金属CO2
激
光焊接接头组织和性能的研究*
陈 刚1 ,杨全毅1,周明哲2,韩季初2,郭喜如2,贾寓真2
(1.湖南大学材料科学与工程学院,湖南长沙 410082;2.湖南泰嘉新材料科技股份有限公司,湖南长沙 410200)
摘 要:利用CO2
激光器对双金属带锯条齿部用高速钢钢丝M42及背部用高强度钢带
X32进行焊接,通过金相显微镜,扫面电镜(SEM),显微硬度仪,电子探针(EPMA)等手段
研究了焊后高速钢M42与高强度钢X32焊接接头组织演变规律,焊接接头合金元素分布,
以及不同焊接工艺对异种金属焊接接头组织及力学性能的影响.研究表明:随着焊接速度的
增大,焊缝中心区等轴晶增多,树枝晶减少,且靠近M42侧熔合边界区的等轴晶更细小;各
种工艺条件下焊接接头硬度均较母材高,且靠近M42侧的熔合区的硬度要高于焊缝区的硬
度.当焊接功率为2754W,焊接速度为14m/min时,焊接接头的性能优良,杭弯强度值达
到112MPa,达到了双金属带锯条的焊接性要求.
关键词:高速钢;异种金属焊接;显微组织;力学性能
中图分类号:TG456.7 文献标识码:A
StudyoftheMicrostructureandPropertiesofM42/X32Dissimilar
MetalCO2LaserWeldingJoints
CHENGang1 ,YANGQuan-yi1,ZHOUMing-zhe2,HANJi-chu2,GUOXi-ru2,JIAYu-zhen2
(1.CollegeofMaterialsScienceandEngineering,HunanUniv,Changsha,Hunan 410082,China;
2.BichampCuttingTechnology(Hunan)Co,Ltd,Changsha,Hunan 410200,China)
Abstract:High-speedsteelwiresM42andhighstrengthsteelstripsX32wereweldedonthebandsawbladeby
usingCO2laser.Thetypicalmicrostructureofweldingjoints,thedistributionofelements,andtheinfluenceofdifferent
bondingtechnologiesonweldingjointsmicrostructureandmechanicalpropertieswerestudiedbyusingmetalloscope,
electronmicroscope(SEM),microhardnessmeterandelectronprobe(EPMA).Theresultsshowedthatisometricincreased,
dendritedecreasedintheweldcenterandisometricnearthesideofM42fusionboundaryareabecamemore
finewiththeincreaseofweldingspeed.Thehardnessoftheweldingjointsineverybondingtechnologywashigher
thanparentmetal.Moreover,thehardnessofthebondareanearthesideofM42washigherthantheweldedzone's.
Whentheweldingpowerwas2754Wandtheweldingspeedwas14m/min,thepropertyoftheweldedjointswas
good,andthevalueofbendingstrengthreached112MPa,whichreachedtherequirementsofdoublemetalbandsaw
bladewelding.
Keywords:highspeedsteel(HSS);dissimilarmetalwelding;microstructure;mechanicalproperties
* 收稿日期:201212 18
基金项目:国家自然科学基金资助项目(51274092)
作者简介:陈 刚(1965-),男,湖南长沙人,湖南大学教授
通讯联系人,E-mail:chengang@hnu.edu.cn
湖南大学学报(自然科学版) 2013年
异种金属焊接能够充分利用各种材料的优异性
能,且能减少贵重金属的使用,降低成本,因此,在工
程机械、交通运输、航空航天等行业得到广泛应
用[1-3].作为金属锯切工业中的重要组成部分,带
锯条产品以其锯切效率高、锯切损耗小[4-6]、适应性
广等特点,在加工工业中发挥着其重要作用.近年发
展起来并获得广泛应用的双金属带锯条则是采用高
速钢作为锯齿材料[7],高强度钢带作为锯带背体材
料[1,8],通过焊接而实现锯条齿部高耐热性、耐磨及
背部高强韧性的理想结合.由于高速钢中碳以及
W,Mo等高熔点元素含量高,焊接性差,同时,与高
强度钢的理化性质(如线膨胀系数)相差较大,因此
采用传统的焊接工艺难以实现两者的理想焊
接[2,8-9].激光焊接具有功率密度高,光斑直径小,能
量集中,速度高,焊缝热影响区小,热变形小等优点,
因此,对含有高熔点合金元素的异种金属焊接具有
优异性[1-2],成为双金属带锯条的理想焊接方式.但
目前就其焊接工艺对接头组织性能影响规律的研究
较少.本文采用CO2
激光器焊接,研究了不同焊接工
艺参数对高速钢M42钢丝与高强度钢带X32焊接
接头组织及性能的影响,为实际应用提供指导.
1 实验材料及方法
本实验原材料采用双金属带锯用退火态高速钢
钢丝(齿部)M42(W2Mo9Cr4VCo9)及退火态高强
度钢(背材)材料X32,其成分见表1和表2.尺寸分
别为1.4mm(宽)×1.1mm(厚),34.0mm(宽)×
1.1mm(厚).
表1 高速钢M42化学成分
Tab.1 ChemicalcompositionofhighspeedsteelM42
化学成分质量分数/%
C 1.00～1.15
Mn ≥0.30
Mo 9.00～10.00
Co 7.50～8.50
Si 0.20～0.30
Cr 3.50～4.50
W 1.15～1.85
V 0.95～1.35
P ≥0.030
S ≥0.030
焊前对上述母材表面进行丙酮超声波清洗.实
验采用TruLaser1100型CO2
激光器,其最大输出
功率为4000 W,光束模式为TEM00
模,焦距250
mm,焊接时采用Ar气作为保护气体.实验参数如
表3所示,其中焊接速度为被焊材料相对激光束移
动的速度.采用金相显微镜(OM)和电子扫描电镜
(SEM)对焊接接头组织进行观察,利用显微硬度计
以焊缝中心为对称轴,每隔0.05mm 进行检测(载
荷力为9.8N,保荷时间为15s),对焊缝进行硬度
检测.采用电子探针(EPMA)对焊缝附近区域进行
元素分布分析.焊缝强度检测采用抗弯实验,抗弯试
样为3.0mm(宽)×1.1mm(厚).
表2 高强度钢X32化学成分
Tab.2 ChemicalcompositionofhighstrengthsteelX32
化学成分质量分数/%
C 0.30～0.35
Mn 0.90～1.11
Cr 3.90～4.00
V 0.30～0.45
Mo 1.1～1.3
Ni 0.3～0.8
Si 0.25～0.35
S 0.005max
P 0.015max
表3 不同CO2
激光焊接工艺参数
Tab.3 TheparametersofdifferentCO2laserwelding
序号激光功率P/W 焊接速度ν/(m·min-1)
1# 2754 8
2# 2754 10
3# 2754 14
4# 1973 14
5# 2413 14
2 实验结果
2.1 焊接接头显微组织分析
2.1.1 焊接接头显微组织
图1是当焊接功率为2413W,焊接速度为14
m/min时,M42/X32异种金属焊接接头显微组织背
散射扫描电镜照片.由图1可知,焊接接头由焊缝中
心区(FZ),齿材M42侧热影响区(HAZ),背材X32
侧热影响区(HAZ)构成,在焊缝区与热影响区之间
的过渡区为M42侧熔合区(PMZ),X32侧熔合区
(PMZ).
1)焊缝中心区组织.在焊缝中心区为等轴晶,晶
粒细小.从焊缝中心区(FZ)到熔合区(PMZ)两侧,
组织依次呈现为等轴树枝晶、柱状晶和柱状树枝晶
(图1(b)中箭头所指),其生长方向垂直于焊缝中心
线方向,具有典型定向凝固组织.
90
第11期陈 刚等:M42/X32异种金属CO2
激光焊接接头组织和性能的研究
图1 M42/X32焊接接头电子扫描电镜照片(SEM)
Fig.1 Weldjointsscanningelectronmicrostructure(SEM)ofM42/X32
2)焊接熔合区显微组织.在靠近X32钢一侧的
熔合线PMZ附近(图1(c)),形成柱状晶.在靠近
M42钢一侧的熔合线附近,柱状晶的方向性被打
乱,存在一个细小的等轴晶区域,且依附此区域的柱
状晶较X32钢侧的柱状晶较细小.
3)焊缝区域金相组织和焊缝区域XRD.在焊
接功率为2754W,焊接速度为14m/min焊接条件
下焊缝区域XRD图见图2.由焊缝区域金相组织可
知,焊缝区域晶粒细小,通过XRD图得出为马氏体
与残余奥氏体.
2.1.2 焊接接头处的元素分布
在焊接功率为2754W,焊接速度为14m/min
焊接条件下,焊后齿材M42-焊缝处与焊后背材
X32-焊缝处EPMA照片分别见图3和图4.由图3
可以看出,焊后高速钢M42与焊缝处主要合金元素
2θ/(°)
图2 焊缝区域XRD图
Fig.2 TheXRDofweldarea
a～d分别代表W,Fe,Co,Cr元素的分布情况;g～j分别代表C,Mn,Mo,
V元素的分布情况;e为该处的二次电子图;f为该处的背散射图
图3 焊后M42-焊缝EPMA照片
Fig.3 EPMAofM42-weldarea
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湖南大学学报(自然科学版) 2013年
a～d分别代表C,Ni,Cr,Mn元素的分布情况;g～i分别代表Fe,V,Mo元素的分布情况;
e为该处的二次电子图;f为该处的背散射图
图4 焊后X32-焊缝EPMA照片
Fig.4 EPMAofX32-weldarea
分布呈明显的分界现象.PMZ界面处W,Cr,Mo,V
等元素发生了由齿材M42向焊缝的扩散.焊缝FZ
中Mn,Fe元素含量明显高于母材M42,母材M42
中C,Co含量明显高于焊缝.母材M42中碳化物多
为Mo,V,W,Cr元素聚集区域.由图4可以看出,
焊后背材X32-焊缝中Cr,Mn,Fe,V,Mo元素分布
呈明显的分界现象.C元素分布较为均匀,焊缝C含
量略高于背材X32中C含量.Ni元素分布较为均
匀.母材中碳化物位置为Cr,Mn,Mo元素聚集区.
焊缝中高亮区域为Mo,Cr,V 元素聚集区域.Fe元
素呈由背材向焊缝递减的分布趋势.
2.2 不同激光功率和焊接速度对焊接接头组织的
影响
1)图5为激光焊接功率P=2754W,不同焊接
速度焊接后接头的SEM 照片.由图5可知,随着焊
接速度的增大,焊缝中心区的等轴晶增多,树枝晶减
少,焊缝中柱状晶的生长越垂直于熔合线,且焊缝中
平均晶粒尺寸减小.在靠近M42侧熔合区,随着焊
接速度的增大,柱状晶区变窄,等轴晶区变宽,且此
区域生长的等轴晶越细小,依附于此等轴晶生长的
柱状晶越细小.
2)图6为焊接速度ν=14m/min时不同焊接
功率的焊接接头的金相组织.由图6可知,随着激光
功率的减小,焊缝中心区树枝晶数量增加,等轴晶减
少,焊缝与母材熔合边界柱状晶范围变宽.
2.3 激光焊接接头力学性能
2.3.1 焊接接头的显微硬度分析
当焊接功率P=2754W 时,随着焊接速度的
变化,接头显微硬度变化曲线如图7所示.当焊接速
度ν=14m/min时,随着焊接功率的变化,焊接接
头显微硬度变化曲线如图8所示.
由图7和图8可知,靠近齿材M42侧焊缝硬度要
高于靠近背材X32侧,焊缝和热影响区硬度均较母材
高,且在靠近高速钢侧的熔合区的硬度比焊缝中心区
硬度还要高.对比图7与图8,本实验条件下,激光功率
和焊接速度对接头各区域的显微硬度的影响不大.
2.3.2 焊接接头的杭弯强度分析
表4为不同激光焊接工艺参数焊接接头抗弯强
度.所测试样抗弯断裂均发生在靠近高速钢M42侧
的熔合线附近,当焊接功率为2754W,焊接速度为
14m/min时,焊接接头强度最高,抗弯强度值为
112MPa,达到了双金属带锯条的焊接性能要求.
表4 不同焊接工艺参数焊接接头抗弯强度
Tab.4 Differentweldingparametersweld
jointsbendingstrength
序号抗弯强度/MPa
1# 94
2# 98
3# 112
4# 84
5# 103
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第11期陈 刚等:M42/X32异种金属CO2
激光焊接接头组织和性能的研究
(a)工艺1#(a1
为焊接接头高速钢M42一侧,a2
为焊缝中心区(FZ),a3
为接头高强度钢X32一侧)
(b)工艺2#(b1
为焊接接头高速钢M42一侧,b2
为焊缝中心区(FZ),b3
为接头高强度钢X32一侧)
(c)工艺3#(c1
为焊接接头高速钢M42一侧,c2
为焊缝中心区(FZ),c3
为接头高强度钢X32一侧)
图5 P=2754W 不同焊接速度的异种金属焊接接头SEM
Fig.5 SEMpictureweldwithdifferentweldingspeed/2754W
图6 ν=14m/min不同焊接功率异种金属焊接接头SEM
Fig.6 ν=14m/mindifferentweldingpowerofdissimilarmetalweldedjointmicrostructure
距焊缝中心距离/mm
图7 当P=2754W 时,接头显微硬度曲线
Fig.7 Hardnessofweldjoint(P=2754W)
距焊缝中心距离/mm
图8 当ν=14m/min时,接头显微硬度曲线
Fig.8 Hardnessofweldjoint(ν=14m/min)
93
湖南大学学报(自然科学版) 2013年
3 讨 论
3.1 焊接接头的显微组织形成机理
由图1可知,PMZ与FZ区呈现出柱状晶和等
轴晶组织.由于接头各区域的冷却速度不同,在焊接
过程中,其凝固组织会出现较大的差异.一般地,从
FZ边界到中心,温度梯度(G)逐渐降低、结晶速度
(R)升高,FZ区晶粒的生长模式从熔池边界到中心
会由于凝固参数G/R 的降低而发生改变,依次为胞
状生长、柱状树枝晶生长、等轴树枝晶及等轴晶生
长,将胞状晶和柱状树枝晶出现的区域合成为柱状
晶区.沿着两侧的熔合线至焊缝中心方向上,由于此
方向上G/R 的值逐渐减小,在焊接熔池的凝固过程
中,结晶沿最大散热方向择优长大为柱状晶及柱状
树枝晶,由于熔池的过热度和温度梯度增大,使非自
发形核质点大为减少,G/R 值相对较大,使柱状晶
显著生长[4,10].在本实验中,靠近背材X32一侧的
熔合线附近,柱状晶尺寸逐渐变小,存在一个细小的
等轴晶区域;在靠近齿材M42一侧的熔合线附近,
树枝晶的方向性被打乱,柱状晶组织消失.这是由于
靠近背材X32一侧的背材尺寸较大,散热相对较
快,温度梯度较小,而靠近齿材高速钢侧所含的高熔
点合金元素较多,在焊接时会存在一些未熔的碳化
物,未熔碳化物的存在,阻止了柱状晶的生长[3,5,11].
焊缝中心区存在一个等轴晶区域,其形成的原
因为:由图3和图4可以看出,焊缝中心区由于熔池
含有W,Mo,V 等高熔点元素,以溶质质点形式存
在或形成碳化物并促使形成等轴晶.又由于焊缝中
心区,温度梯度最小,G/R 值相对较低,熔体中成分
过冷显著,从而导致了等轴晶的形成.焊缝中心区晶
粒细小,这是由于激光焊接的快速凝固所致.
3.2 不同激光焊接工艺的焊接接头组织形成变化
的原因
图5中表明了不同焊接速度对接头组织的影响
规律.随着焊接速度增大,熔池中心G 温度梯度减
小,成分过冷度增大,G/R 值减小,所以其生长为由
树枝晶向等轴晶转变[12],从而阻碍了柱状晶的生
长,使焊缝熔合边界处柱状晶变窄,焊缝中心区等轴
晶区宽化,等轴晶增多,树枝晶减少[5,13].当焊接速
度较慢时,导致焊缝液态熔池的凝固速度和晶体的
生长速率降低,使焊缝熔合区宽化,热影响区的碳化
物因此变得粗大,致使焊缝区的晶粒粗化.随着焊接
速度的增大,在靠近M42侧的熔合边界金属凝固速
率增大,温度梯度下降,使该处的成分过冷度增大,
使得该熔合边界处G/R 值减小,因此,在靠近M42
熔合线附近的等轴晶越细小.
由图6(a)(b)(c)可知,其显微组织形成的原因
为:当焊接速度一定时,随着激光功率的减小,焊接
的单位线能量输人减小,熔合边界处温度梯度G 增
加,从而使凝固参数G/R 值增大,凝固生长模式由
等轴晶向胞状晶转变,在焊缝熔合边界存在胞状晶
区宽化的现象.因而,焊缝区的柱状晶区范围变大,
且由于热输人的减小,使焊接接头的热影响区的宽
度和平均晶粒尺寸随之减小.
3.3 异种金属激光焊接接头显微硬度分布讨论
由于激光具有快速加热和冷却的特点,且被焊
材料含碳量均很高,属于易淬硬的材料,因此,焊后
(图2)接头的焊缝区和热影响区均生成高碳马氏
体,且生成快速凝固组织,所以硬度较高.在焊接过
程中,熔池及其附近完全熔化区的母材金属材料,特
别是熔化了的晶界处,与其上的液态金属之间进行
着碳元素的扩散交换,从而导致了熔池阶段及凝固
后的高温阶段,在不完全熔化区紧靠熔合线一定宽
度范围内(近缝区)的碳含量降低[3,9,14].但由于激光
焊接的自身特点,使焊后冷却速度非常快,致使碳元
素的扩散行程较短,主要集中在熔合线焊缝区,以此
该区形成高碳马氏体,使该区的硬度较高,甚至高于
焊缝区[5].同时由于Ni元素的特性,改变了碳的扩
散特性,同时又由于高速钢侧W,V 等强碳化合物
元素的存在,也降低了碳的活度系数[2,7],从而碳迁
移减弱,使高速钢近缝区的硬度较高.此外,在焊缝
凝固后,由于热传导的作用,热影响区发生相变,碳
及合金元素从马氏体及残余奥氏体中脱溶,析出高
强弥散的碳化物,发生了马氏体的二次硬化,使靠近
高速钢融合区的硬度比近缝区的硬度要高.因此,在
抗弯断裂实验中,断裂位置均发生在靠近高速钢
M42侧的熔合线附近[3,5,10,15].
4 结 论
高速钢M42与高强度钢X32异种金属CO2
激
光焊接接头的典型组织为等轴晶加柱状树枝晶,焊
缝中心区为等轴晶区域,焊缝中心区两侧为柱状晶
和柱状树枝晶.在靠近齿材M42一侧的熔合线附
近,树枝晶的方向性被打乱,存在一个细小的等轴晶
区域,且靠近此区域生长的柱状晶较X32侧熔合线
附近的柱状晶更细小.
94
第11期陈 刚等:M42/X32异种金属CO2
激光焊接接头组织和性能的研究
随着焊接速度的增加,焊缝中心区等轴晶增多,
树枝晶减少.靠近M42侧熔合边界等轴晶变的更细
小.随着激光功率的减小,焊缝中心区树枝晶数量增
多,等轴晶减少,焊缝与母材熔合边界柱状晶范围变
宽.M42/X32异种金属激光焊接接头抗弯断裂均断
在靠近高速钢M42侧的熔合线附近.当焊接功率为
2754W,焊接速度为14m/min时,焊接接头性能
优良,抗弯强度值为112MPa.
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