40Mn18Cr4V无磁钢激光焊接头组织和硬度分析

郑江鹏 钟如涛 宋 畅 牟文广

(武汉钢铁(集团)公司研究院 湖北 武汉：430080)

0 引言

高锰无磁钢是用Mn代替Ni而开发的一种奥氏体低磁材料，广泛应用于大中型变压器中铁芯拉杆、油箱壁、法兰等要求无磁的部件的制造，能有效地提高设备性能，降低制造成本。40Mn18Cr4V钢是一种新开发的高锰无磁钢，通过合理控制钢中各元素含量，并通过沉淀强化的热处理方法，使奥氏体基体中析出弥散分布的第二相，对钢的基体起强化作用，使得该钢具有强度高(可达1200MPa)和足够的韧性以及低磁性(相对磁导率μ≤1.02)等特点[1]。由于母材强度较高，同时又要求焊接后焊缝与母材一样保持无磁性，即要求焊缝组织应保证纯奥氏体或奥氏体加少量铁素体，因此，该钢种对焊接材料有较高要求，目前市场上专门40Mn18Cr4V钢的焊接材料还较少，而Cr-Ni系奥氏体不锈钢焊材一般均达不到强度要求。为充分发挥40Mn18Cr4V钢的优异性能，亟需开发与之相匹配的焊接材料。此外，该钢种的激光焊接还未见报道。为研究该钢种的激光焊接接头组织性能，探讨使用与母材相同成分的焊接材料所得到的焊缝组织能否满足性能要求，本文设计了三种不同激光对接焊工艺，使用金相分析和显微硬度分析的方法对激光对接接头的组织和硬度进行了分析，讨论了不同焊接工艺对接头组织性能的影响，为该钢种焊接材料的开发及激光焊接工艺研究提供参考。

1 材料和试验方法

1.1 试验材料

本次试验所用的母材是40Mn18Cr4V高锰无磁钢板，规格12mm,钢板化学成分及力学性能分别如表1、2所示。图1是40Mn18Cr4V钢母材金相组织，可以看出母材金相组织为包含孪晶的奥氏体，在晶界和晶内上还有沉淀相析出。

图1 40Mn18Cr4V钢母材金相组织

表1 40Mn18Cr4V钢板化学成分

表2 40Mn18Cr4V钢板力学性能

1.2 试验方法

为方便试验，本试验中只使用一块钢板模拟激光对接焊缝(相当于两块钢板无缝对接)，试验采用的激光器IPG5000光纤激光器，焊前对钢板表面进行清理，除去油污、铁锈等杂物，分别采用三组不同线能量的连续激光对钢板进行对接焊，焊接方向平行于轧制方向，焊接过程中不填丝，工艺参数如表3所示。将焊接后的试板沿垂直于焊接方向取焊接接头金相试样，对应编号为a、b、c，用金相显微镜对试样作金相分析，腐蚀剂为5%硝酸酒精；用显微硬度计测试试样显微硬度，试验载荷100g。

表3 焊接工艺参数

2 试验结果及分析

2.1 接头金相组织分析

对a、b、c三个试样进行了金相分析。图1中(a)、(b)、(c)所示是焊接接头宏观照片，可以看出三道焊缝均有凸起，但焊接过程中并没有填丝，这说明焊缝组织发生了相变，已不是单一的奥氏体组织。随着线能量不同三道焊缝熔深和熔宽均有差异，对比图(a)和图(b)可以看出，焊接速度相同时，随着峰值功率的增加，激光焊熔深明显增加，但对熔宽影响却很小；对比图(b)和图(c)可以看出，峰值功率相同时，随着焊接速度的增加，熔宽显著减小，而熔深则几乎不变。这说明激光焊接中焊接速度主要影响熔宽，而峰值功率则主要影响熔深。

图3、4从左至右依次是a试样、b试样、c试样的焊缝和热影响区金相组织照片，可以看出焊缝组织均为奥氏体+δ铁素体，由于δ铁素体是体心立方结构，而母材奥氏体组织为面心立方结构，凝固过程中形成的铁素体相造成焊缝显微组织体积增加，宏观表现为焊缝金属凸起。焊接热影响区金相组织是奥氏体加沉淀析出相，但该组织形貌已与母材有所不同，奥氏体晶粒中孪晶也基本完全消失，同时在热循环的作用下相当于对母材进行了一次固溶热处理，奥氏体晶粒中部分沉淀相溶解，重新固溶于奥氏体基体，起到固溶强化效果；对比三组试样，可以看出试样b的热影响区和焊缝组织较粗，试样a次之，试样 c最细，这是由于随热输入的增大，奥氏体晶粒粗化。

图2 不同线能量的熔焊接头宏观照片

图3 焊缝金相组织

2.2 接头显微硬度分析

图5、6、7是接头显微硬度，图中BM表示母材(Base Metal)，WM表示焊缝(Weld Metal)。可以看出母材的显微硬度在360HV左右，焊缝和热影响区硬度较母材均有所降低，a、b、c三种工艺条件下焊缝最低硬度分别为270HV、260HV、280HV，随着热输入的增加焊缝最低硬度较母材下降越多。

图4 热影响区金相组织

图5 试样a显微硬度

图6 试样b显微硬度

图7 试样c显微硬度

由于激光焊接过程中冷却速度快，Cr、V等的碳化物来不及析出，不能像母材那样产生沉淀强化效果，此外焊缝金属中形成了大量的δ铁素体，其强度和硬度较低[2]，故焊缝金属硬度指标较母材有所降低。而与熔合线临近的热影响区则在热循环的作用下，部分碳化物溶解固溶于奥氏体基体，因此硬度较母材有略有下降。

3 讨论

根据前面的分析可知40Mn18Cr4V钢激光焊接焊缝组织与母材相比明显不同，焊缝显微硬度较母材也下降较多，焊缝金属中除了形成奥氏体外，还含有较多树枝状的的δ铁素体，奥氏体焊缝中少量的δ铁素体有利于细化晶粒，打乱奥氏体粗大柱状晶的方向性；同时，δ铁素体能比γ相溶解更多S、P，对于提高焊缝的抗热裂能力有利[3]。但根据无磁钢焊接技术要求，母材相对磁导率μ≤1.02，则焊缝也应该有抗磁性，即应尽量控制焊缝金属中有磁性的δ铁素体的含量。而前面的试验分析表明，激光对接焊焊缝中有大量的δ铁素体形成，同时接头强度下降明显，这说明该钢种不适于用激光焊接，只有使用激光填丝复合焊接才有可能满足技术要求。但如果使用与40Mn18Cr4V钢成分完全相同的焊丝匹配该钢种激光复合焊接时，焊缝同样不能满足无磁钢焊接的要求，需要进一步优化焊丝成分，避免焊缝金属中出现过量的δ铁素体及焊缝硬度下降过多。

4 结论

(1)激光对接焊焊缝中会形成较多的δ铁素体，造成了显微组织体积增加，宏观表现为焊缝凸起。

(2)焊缝和热影响区显微硬度较母材均降低，焊缝硬度下降更明显，随热输入增加，焊缝硬度降低越多。

(3)激光对接焊不适合于40Mn18Cr4V钢的焊接，只有使用激光填丝焊才有可能满足技术要求，同时所使用的焊丝成分也不能与母材成分完全相同。

[1] 王敏，周梅超，姚长贵.高锰无磁钢50Mn18Cr4V的研究[J].热加工工艺，2008,37(18)：69-71.

[2] P.H.S.Cardos，etc.The influence of delta ferrite in the lSl416 stainless steel hot-workability[J]．Materials Science and Engineering,A351(2003):1-8．

[3] 潘春旭.异种钢及异种金属焊接[M].北京：人民交通出版社，2000.