激光热处理对420不锈钢焊缝硬度及抗拉强度的影响

付龙虎

激光热处理对420不锈钢焊缝硬度及抗拉强度的影响

付龙虎

（四川化工职业技术学院，四川 泸州 646000）

对420不锈钢焊缝进行激光热处理，研究微观结构对焊缝硬度的影响规律。通过光纤激光对420不锈钢进行焊接，然后采用激光对焊缝进行热处理，采用金相显微镜对焊缝微观组织进行分析，并采用显微硬度仪测试焊缝的硬度，采用拉力机对焊缝接头进行抗拉强度测试。随着激光加热功率的提高，焊缝抗拉强度没有明显变化；随着激光加热速度的降低，焊缝抗拉强度逐渐增加。当激光加热功率为500 W、加热速度为5 mm/s时，焊缝抗拉强度达到667 MPa。采用激光对焊缝进行热处理后，焊缝微观组织中晶粒尺寸变大，焊缝硬度降低，有利于焊缝抗拉强度的增加。

420不锈钢；激光热处理；抗拉强度；显微硬度

420不锈钢具有良好的耐磨性和耐腐蚀性[1-3]，常用于制造耐水蒸气、水及氧化性酸腐蚀的零部件，比如各类精密机械、蒸汽发生器、压力容器、混合器叶片、切削工具和海上采油平台等。采用常规的焊接方式如电阻焊、氩弧焊等进行420不锈钢焊接[4]，会得到硬度值较大、抗拉强度较低的焊缝，如Badheka等[5]进行了AISI 420马氏体不锈钢的电阻点焊，研究了电阻点焊焊接电流和加热后参数对熔核尺寸、拉伸剪切强度、交叉拉伸强度和硬度的影响，结果表明，焊缝组织为马氏体组织，硬度达623HV。

激光焊接的热输入小，热影响区小，焊缝抗拉强度高，常用于304不锈钢等材料的焊接[6-13]。采用激光焊接420不锈钢时，焊缝组织中残余δ铁素体会对力学性能有不利影响，另外热影响区硬度的增加使材料在制造过程中容易产生裂纹。Khan等[14]研究了激光功率、焊接速度和激光束直径对AISI 440FSe和AISI 416马氏体不锈钢焊缝几何形状和力学性能的影响，虽然实现了焊接，但是焊缝抗拉强度相对较低。

为了提高420不锈钢焊缝的抗拉强度，需要对焊缝进行热处理（PWHT），因为热处理可以使部分马氏体转变为铁素体和细碳化物，提高焊缝的韧性和延展性[15]，对焊缝进行热处理的方式一般为回火处理。Lippold等[16]研究了回火温度对420不锈钢力学性能的影响，采用的回火处理工具为专业的真空加热炉，这种回火处理时间一般较长，实际生产效率较低。激光加热速度快，与工件不接触，容易实现自动化生产，非常适合于对材料进行热处理。截至目前，未见有采用激光对420不锈钢激光焊缝进行热处理的报道出现。

文中对420不锈钢进行激光焊接，然后直接采用激光对焊缝进行热处理，节约生产时间及成本，提高效率，提高焊缝抗拉强度，为实际生产提供技术参考。

1 焊接实验

1.1 材料

实验材料为420不锈钢，厚度为2.0 mm，材料的化学成分如表1所示。将材料切割成200 mm´100 mm的板材，用酒精、水清洗干净，备用，焊接方式为拼接。母材硬度值为241HV，抗拉强度为650 MPa。采用夹具将材料固定。

1.2 实验设备

采用光纤激光器对420不锈钢进行焊接，焊接完成后，对焊缝进行热处理，焊接和热处理的激光设备一致，节约了设备成本及占地空间。激光器最大平均功率为2 000 W，激光束由光纤进行传输，经过激光加工头的聚焦镜聚焦后，对材料进行焊接及热处理。激光加工头在伺服驱动器的带动下进行直线运动，形成焊缝轨迹，实验平台如图1所示。

表1 420不锈钢的化学成分

Tab.1 Chemical composition of 420 stainless steal wt.%

图1 实验设备

1.3 焊缝测试仪器

采用金相显微镜对焊缝微观组织进行观察分析，金相显微镜由上海临嘉科教仪器有限公司生产，型号为C3203A，如图2a所示。采用显微硬度仪对焊缝接头不同位置进行硬度测试，硬度仪由东莞市广泰精密仪器有限公司生产，型号为HV‒1000A，如图2b所示。采用拉力实验机将焊缝两端夹紧，测试焊缝的抗拉强度，拉力实验机由广东威邦仪器科技公司生产，型号为WBE‒9909，实验机可以测试的最大拉力值为200 kN，如图2c所示，焊缝的抗拉强度=抗拉力值/焊缝面积，每组实验条件下测试5组抗拉强度数据，取5组数据的平均值为该实验条件下的抗拉强度。

图2 焊缝测试仪器

2 实验过程及结果分析

2.1 焊接及激光热处理实验

对厚度为2.0 mm的420不锈钢板进行激光焊接，当激光功率为1 000 W、焊接速度为50 mm/s时，在激光焦点处进行焊接，焊缝的最大抗拉强度为498 MPa，只有母材抗拉强度（650 MPa）的76%。采用同样的实验平台对焊缝进行热处理，为了使加热范围较大，离焦量设为20 mm，使激光光斑变大，起到均匀加热的目的。首先对激光功率进行研究，设定激光在焊缝表面的热处理速度为50 mm/s，激光加热功率从600 W增加到2 000 W，焊缝抗拉强度与激光加热功率的关系如图3a所示，随着激光加热功率的增加，焊缝抗拉强度几乎没有变化，这是因为激光在焊缝表面的热处理速度较快，对焊缝加热时间较短，未能改变焊缝的微观组织，焊缝的抗拉强度未发生根本变化。对激光热处理速度进行研究，设定热处理的激光功率为500 W，激光热处理速度从50 mm/s降低到5 mm/s，焊缝的抗拉强度与激光热处理速度（即激光在材料表面的加热运行速度）的关系如图3b所示，当激光热处理速度为50～30 mm/s时，焊缝抗拉强度只有较小的变化，这是因为速度较快，对焊缝的影响很小。当激光热处理速度降低到15 mm/s时，焊缝抗拉强度急剧增加，随着激光热处理速度的继续降低，焊缝抗拉强度继续增加，当激光热处理速度为5 mm/s时，焊缝抗拉强度达到最高的667 MPa，已经超过了母材的抗拉强度。

图3 激光热处理功率、速度与抗拉强度关系

2.2 焊缝宏观形貌分析

对焊缝截面进行分析，激光焊接后未进行激光热处理的焊缝截面如图4a所示，热处理的激光功率为500 W时，热处理速度为15 mm/s和5 mm/s的焊缝截面分别如图4b和图4c所示，可以看出，焊缝截面外观形貌几乎一样，无明显变化，说明激光热处理未改变焊缝的宏观形貌。

图4 焊缝截面

2.3 焊缝硬度分析

不同热处理条件下的焊缝显微硬度如图5所示，由图5可以看出，未进行热处理、热处理速度为5 mm/s和15 mm/s情况下焊缝的共同特点是0～ 0.3 mm为焊缝中心区域，0.4～0.6 mm为热影响区域，大于0.6 mm为母材区域。在焊缝中心区域，焊缝的硬度值均明显较高，在热影响区域急剧降低。相对于未进行激光热处理的焊缝，热处理速度为15 mm/s时，焊缝中心以及热影响区的显微硬度有明显降低。焊缝中心以及热影响区的显微硬度值最低。

图5 焊缝硬度值分布

2.4 焊缝微观组织分析

未经过激光热处理的焊缝微观组织如图6a所示，激光焊接过程中，激光与材料作用时间短，当激光束移开后，熔池金属迅速冷却，然后快速凝固，焊缝中心形成晶粒细化的奥氏体，硬度值较高，靠近熔合区的熔池金属由于靠近母材，温度梯度比较大，但结晶速度比焊缝中心慢，生成柱状晶组织，晶粒相对较粗，导致显微硬度相比焊缝中心区有降低的趋势。当热处理激光功率为500 W、在焊缝表面的热处理速度为15 mm/s时，靠近焊缝的区域为淬火区，焊缝中心组织由奥氏体转变为马氏体，在热影响区，冷却速度稍慢，组织由奥氏体转变为马氏体及残余奥氏体，如图6b所示，导致焊缝显微硬度相对未经过激光热处理的焊缝有明显降低。热处理激光功率为500 W、在焊缝表面的热处理速度为5 mm/s时，由于速度较慢，热量从焊缝中心区传递到热影响区，焊缝中心及热影响区的组织由奥氏体转变为马氏体，晶粒有充分的时间生长，均得到粗化，如图6c所示，这种粗化的晶粒将降低焊缝的显微硬度，但有利于提高焊缝的抗拉强度。

图6 焊缝微观结构

2.5 焊缝断口形貌分析

拉伸实验后，所有的断裂位置均在焊缝中心位置，未经过激光热处理的焊缝断口形貌如图7a所示，断口无明显变形，属于韧性断裂，但是韧窝较小且不均匀。当热处理激光功率为500 W、在焊缝表面的热处理速度为15 mm/s时的焊缝断口形貌如图7b所示，断口有明显的变形，属于典型的韧性断裂，韧窝较大，且韧窝是连续的，这种状态下焊缝抗拉强度较大，这可能是焊缝的显微硬度相对较小，焊缝表现出更好的韧性断裂。

图7 焊缝断口形貌

3 结论

对厚度为2.0 mm的420不锈钢板进行激光焊接，焊缝的最大抗拉强度为498 MPa，只有母材抗拉强度（650 MPa）的76%。在激光功率为500 W、热处理速度为5 mm/s条件下进行激光热处理后，焊缝抗拉强度达到667 MPa，超过了母材的抗拉强度。

激光热处理时，热量从焊缝中心区传递到热影响区，晶粒有充分的时间生长，晶粒得到粗化，这种粗化的晶粒将降低焊缝的显微硬度，但有利于提高焊缝的抗拉强度，断口形貌测试结果表明，焊缝表现出韧性断裂。

采用与激光焊接同样的设备对焊缝进行激光热处理，增加了焊缝抗拉强度，提高了生产效率，同时减少了生产设备的投入。

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Effects of Laser Heat Treatment on the Hardness and Tensile Strength of 420 Stainless Steels Welds

FU Long-hu

(Sichuan Vocational College of Chemical Technology, Sichuan Luzhou 646000, China)

The effect of microstructure on the hardness of 420 stainless steel welds was studied by laser heating. The 420 stainless steel was welded by fiber laser, and then the welds was heating treatment by laser, the microstructure of the weld was analyzed by metallographic microscope, the hardness of the weld was tested by microhardness tester, and the tensile strength of the weld joint was tested by tensile machine. With the increase of laser heating treatment power, the tensile strength of the weld had no obvious change. With the decrease of laser heating speed, the tensile strength of the weld gradually increased. When the laser heating power was 500 W and the heating speed was 5 mm/s, the tensile strength of the weld reached to 667 MPa.After heating treatment on the welds by laser, the grain size in the microstructure of the welds becomed larger, the hardness of the welds decreased, and the tensile strength of the welds increased.

420 stainless steel; laser heating treatment; tensile strength; microhardness

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.05.017

TG456.7

A

1674-6457(2022)05-0115-06

2021‒07‒02

四川省高等教育研究中心（GZY21B20）

付龙虎（1973—），男，硕士，高级工程师，主要研究方向为机械设计及制造。

责任编辑：蒋红晨