9Ni钢激光自熔焊焊接接头组织及性能研究

2022-02-19王浩樊湘芳袁秋林王景琨

机械工程师 2022年2期

王浩，樊湘芳，袁秋林，王景琨

（南华大学机械工程学院，湖南衡阳 421001）

0 引言

9Ni钢强度高、低温性能和焊接性好，价格相对低廉，广泛地应用于各种储运低温液体的大型容器，其焊接工艺是LNG船低温液罐和天然气运输管道建造的关键点和难点[1-2]。我国的LNG产业起步较晚，技术相对还比较落后，生产周期长，而且成本高，不利于国产9Ni低温钢的推广及应用[3-5]。

目前9Ni钢的焊接主要采用手工电弧焊、埋弧焊等传统焊接方法[6-7]，坡口尺寸较大，多道焊接消耗焊材多且焊接效率较低，焊接过程易产生磁偏吹，影响焊接质量。激光焊接技术作为新兴的焊接方式，提高焊接效率的同时，可节约焊材，降低成本[8-9]。与电弧加热焊接相比，激光焊接不存在外加磁场，能够有效避免焊接过程中产生磁偏吹。Jaewoong Kim等[10]通过板上焊道熔透形状研究激光焊接的熔透特性，获得了15 mm厚9%镍钢的最佳焊接条件。黄哲等[11]对16 mm厚度9%Ni钢板进行了超窄间隙激光填丝焊，通过正交试验将工艺参数与焊缝成形质量建立联系,分析发现:侧壁熔合比主要受激光功率和离焦量影响。

本文采用广州兴莱XL-F2000机器人激光焊接机尝试对2 mm厚度9Ni钢板材进行激光自熔焊，分析测试焊接接头的组织和力学性能，为9Ni钢板材的激光焊接提供试验依据。

1 试验条件及方法

试验材料为调质态处理的9Ni钢，板厚为2 mm；基材化学成分如表1所示，力学性能如表2所示；如图1所示，其微观组织由回火马氏体和少量残余奥氏体组成。

表1 9Ni钢基材的化学成分质量分数%

表2 基材力学性能

图1 9Ni钢基材显微组织

试验采用XL-F2000机器人光纤激光焊接机，最大功率为2000 W，激光波长为1080 nm，透镜焦距为200～250 mm，焊接方式为激光自熔焊，为避免装夹不准确对焊接产生影响，本次试验选用的焊接枪头为摇摆枪头，摇摆焊接头结合了激光光束摆动与焊缝追踪技术，当焊缝位置发生变化时，能够调整焊接接头的横向位置，焊接工艺参数如表3所示。

表3 焊接工艺参数

对焊接试样进行线切割取样、镶嵌、打磨、抛光、腐蚀，腐蚀试剂为4%体积分数的硝酸酒精溶液。利用金相显微镜观察试样不同区域的组织；利用HVS-1000AV型显微硬度计检测焊接接头各个位置的显微硬度，测试载荷为200 g，保载时间为10 s，点间距为0.2 mm；利用PWSE100型万能力学试验机进行拉伸试验，拉伸试样尺寸如图2所示；利用TESCAN MIRA3 LMU型号JSM-6701F扫描电子显微镜分析断口的微观形貌。

图2 拉伸试样尺寸

2 试验结果及分析

2.1 接头组织形貌

焊接接头组织形貌如图3～图5所示。如图3所示，焊接接头宏观形貌良好，无气孔等缺陷。如图4（a）、图5（a）所示,熔合线两侧的热影响区与焊缝组织形貌有明显差异；如图4（b）、图5（b）所示,焊缝中心的组织主要由马氏体与针状铁素体组成，中心结晶形态为等轴晶，两侧为柱状树枝晶结构，枝状晶生长方向指向焊缝中心，产生该形貌是因为焊缝中心温度高，且相比于焊缝边缘位置，焊缝中心对于基材的传热更慢，冷却和凝固比其他位置要慢，枝状晶的生长又存在择优取向性，随温度梯度升高择优生长，故枝状晶指向焊缝中心生长；如图4（c）、图5（c）所示，热影响区的组织为粗大的板条状马氏体和残余奥氏体，主要由基材中的奥氏体经过高温处理后快速冷却产生。

图3 接头宏观形貌

图4 接头不同位置微观组织金相图像

图5 接头不同位置微观组织SEM图像

2.2 接头力学性能

图6为焊接接头显微硬度分布图。由图6可知，随着测试点距焊缝中心距离的增加，硬度呈现先上升、后急剧下降的趋势，在热影响区达到硬度峰值390 HV，在基材位置达到最低值240 HV，焊缝硬度值为350 HV略低于峰值。热影响区组织由粗大的板条状马氏体和残余奥氏体组成，具有较高的硬度；而焊缝区的针状铁素体具备较高的韧性，但硬度相对较低，故产生图示硬度曲线。

图6 焊接接头各区域显微硬度分布

表4为拉伸试验结果，图8为拉伸试验应力应变曲线。由表4可知各拉伸试验试样屈服强度和抗拉强度；由图7可看出断裂位置在远离焊缝的基材处，且存在缩颈现象，韧性断裂特征明显。综上可知，焊接接头整体拉伸性能优于基材标准力学性能，且由断裂位置可知焊缝拉伸性能优于基材。

表4 拉伸试验结果

图7 拉伸试样断裂宏观形貌

图8 拉伸试验应力应变曲线

接头拉伸断口形貌如图9所示。由图9（a）断口宏观形貌可看出，拉伸试样断口分别由切唇区、纤维区组成，且断口表面没有出现脆性断裂的特征，从图9（b）、图9（c）可以看出断口形状不规则且出现大量韧窝，韧窝产生的原因是拉伸试验时所加载荷临界于焊接接头材料的屈服强度时，材料发生塑性变形，材料内部夹杂物和晶体等其它范性形变不连续的区域发生滑移位错，致使应力集中，产生微孔[12]。