65Mn与W6542激光焊接后热处理实验分析

吴学宏，董兵天，许 璐，张仁峰

1.甘肃有色冶金职业技术学院机电工程系，甘肃金昌 737100 2.天津工业大学机械工程学院，天津 300384 3.天津渤海职业技术学院机械工程系，天津 300019

65Mn与W6542激光焊接后热处理实验分析

吴学宏1，董兵天1，许 璐2，张仁峰3

1.甘肃有色冶金职业技术学院机电工程系，甘肃金昌 737100 2.天津工业大学机械工程学院，天津 300384 3.天津渤海职业技术学院机械工程系，天津 300019

现代工业对材料的要求越来越高，一般的材料很难满足特定要求下的工业需求，异种金属的有机结合可以有效解决这个问题，由于激光技术的迅速发展，异种金属的激光焊接越来越成为热点，本文研究65Mn与W6542两种材料激光焊接后热处理的方法，焊接后热处理对于异种金属的焊接效果起到关键作用，研究为两种材料的激光焊接打下坚实基础。

高速钢；65Mn钢；激光焊接；焊后热处理

1 焊缝区元素分布

随着工业激光器的发展，激光焊接已经成为工业生产中的一项常用技术，在某些领域中，激光焊接已经取代了一些传统的焊接方法。

目前，焊接热处理已广泛应用于电力、石油、化工、船舶和核工业等领域的焊接过程，为保证焊接质量起到了积极的作用。特别是推行ISO9000标准的单位，由于热处理对焊件结构影响的特殊性，一般均将热处理作为特殊过程而加以控制。此外，由于热处理一般是影响焊接结构质量的最后工序，所以，对焊接热处理进行质量控制与考核对保证焊接质量有重要的实际意义。

焊接热处理质量控制是焊接质量控制的一个重要组成部分，热处理作为一个独立的工序，有其自身的工序特点。因而搞好热处理的质量控制是保证焊接质量控制的关键之一。

2 热处理质量控制的必要性

1）母材、焊接材料质量的不均匀性，主要反映在化学成分上的不均匀，从而导致焊接接头的组织偏析和机械性能上的不均匀性。焊接热处理质量监督多采用硬度检验的方法，硬度评定标准均以母材硬度为依据。所以，这种不均匀性会导致检验标准的不确定性。

此外，这种不均匀性还影响对焊接接头抗裂性的评定。一般用热影响区最高硬度作为评定焊接接头抗裂性的一项指标。如对σb=50~60kgf/mm2的钢材。

Hmax=(666Ceq+40)±40 HV

式中 Hmax为热影响区的最高硬度。

Ceq为碳当量(Ceq=C+Mn/6+Si/24+Ni/40 +Cr/5+Mo/4+V/5)

2）工艺评定的局限性和不完善性，主要是试验室评定与现场施工条件的差异，短焊接试样与实际焊接结构的不一致（如：电站焊接现场热处理采用的远红外电加热，属外伸构件的加热，与整体加热不同），少量试验与大量施工的不一致等，使得在试验室评定合格的工艺在实际施工中引起新的问题。

3）焊接过程的不稳定性与接头淬硬的可能性。特别是手工焊接，使得接头质量的不稳定性更为突出。从质量控制考虑，不希望得到淬硬组织。不同的组织状态对质量控制有不同程度的影响，按其严重性程度排列为：M-B-T-S-P-F。避免淬硬组织，削弱这种不稳定性对组织和性能的影响，正是热处理工作的主要任务，也是热处理质量控制的主要目的。

4）焊接过程中不可避免的缺陷，主要是组织和性能上的缺陷，如成分， 组织的不均匀性，应力集中，过热组织等，均需通过热处理的手段来改善。

5）管理上的问题，事实上这一问题更为突出。如英国管理学会在1970年对质量事故的统计分析指出，因管理因素(包括质量管理，技术管理，生产管理，计划管理)造成的事故占88%。因而，要确保产品质量，不单要靠先 进的技术，更重要的是抓好管理。

为此，国际焊接学会第Ⅺ委员会的质量保证工作组对焊接质量控制作出了具体的规定，并把热处理的控制规定了四个检验要点。国内的各有关标准，如SD340-89，DL5007-92等对焊接热处理的工艺，检验，评定等方面都作出了相应的规定[9]。

高速钢与弹簧钢焊接过后，使用能谱仪对焊缝中心观测，如图1所示。在热循环过程中，C、Cr、Mo等元素发生了由齿材高速钢向焊缝中心区的扩散，焊缝 中其元素含量明显高于母材 高速钢，同时焊缝中W、V含量受到熔池稀释作用含量较母材低。W在焊接过程中，易于C形成含 W 碳化物，且该碳化物熔点较高，在焊接过程中不易被溶解。表现为未熔碳化物。V、Mo、Cr元素为强碳化物形成元素，在扩散过程中，C与它们的亲和力较强，且C浓度越大，越易于这些元素结合形成碳化物。

3 焊缝区显微硬度分布

对焊后材料进行硬度分析，实验用设备为DHV-1000数显显微硬度计，如图2所示，两材料对应区域维氏硬度相差不大，最高硬度出现在高速钢熔合区，主要相为高碳马氏体。热影响区发生相变，碳及合金元素从马氏体和残余奥氏体中脱溶，析出高弥散性的碳化物，发生马氏体二次硬化，故此区域硬度值也很高。

4 试件退火保温时间对焊缝硬度的影响

两种不同组织的材料经过焊接后，在齿背材组织不恶化的前提下，通过退火消除焊接残余应力、降低焊缝维氏硬度，为后续的轧平校直和洗齿及最终热处理作相关的准备。查阅相关高速钢和弹簧钢热处理工艺资料，确定齿材高速钢和背材弹簧钢的奥氏体化温度分别为850℃和755℃。根据现有退火工艺，选择先加热到低于奥氏体化温度后进行保温。根据保温时间的同观察退火后试件焊缝的实际情况。退火设备为RJX49箱型电阻炉 最高温度1000℃。

退火前焊缝维氏硬度为879HV，然而保温2h后迅速降至 365HV，此后保温时间逐渐增加，但齿部硬度变化却很小，直至保温10h后，齿部最终硬度为309HV。背部硬度也有类似规律，如图3所示。

退火试件在保温初期，再结晶发生软化而导致硬度急剧下降，随着保温时间的延长，再结晶完成的同时硬度基本不再发生变化。退火后焊缝组织均匀，焊缝中心区碳化物出现颗粒球化现象，退火后的焊缝处晶粒多为柱状晶，且沿着熔合线界面方向均匀分布。

5 结论

由于激光焊接的加工特性，高速钢与弹簧钢在焊接时表面温度骤然升高后又在空气中冷却，相当于将材料淬火，且在焊接中，不同元素之间的流动性增强，会在部分区域内出现碳化物，碳化物的形成提高了组织材料的硬脆行，容易开裂，这在加工生产中是不允许的，故焊接后的热处理是十分必要的，论文研究发现在加热到850℃后冷却2h时材料的组织性能最优且趋于稳定，为生产加工提供了一定的技术理论支持。

[1]祁峻峰，牛振，张冬云，等.双金属带锯条异种接头的CO激光焊接试验研究[J].中国激光，2007，34：314-318.

[2]田燕.焊接区端口金相分析[M].机械工业出版社，1992，23.

[3]赵琳.大功率光纤激光焊接过程中工艺参数对熔深和气孔的影响[J].中国激光，2013，40（11）.

TG4

A

1674-6708（2015）144-0167-02

甘肃省高等学校科研项目（2014A-149）

吴学宏，硕士研究生，研究方向：机电类专业课程的教学与研究

吴学宏