陳 剛，楊全毅，周明哲，韓季初，郭喜如，賈寓真

（1.湖南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410082；2.湖南泰嘉新材料科技股份有限公司，湖南 長沙 410200）

異種金屬焊接能夠充分利用各種材料的優(yōu)異性能，且能減少貴重金屬的使用，降低成本，因此，在工程機(jī)械、交通運(yùn)輸、航空航天等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用［1－3］.作為金屬鋸切工業(yè)中的重要組成部分，帶鋸條產(chǎn)品以其鋸切效率高、鋸切損耗?。?－6］、適應(yīng)性廣等特點(diǎn)，在加工工業(yè)中發(fā)揮著其重要作用.近年發(fā)展起來并獲得廣泛應(yīng)用的雙金屬帶鋸條則是采用高速鋼作為鋸齒材料［7］，高強(qiáng)度鋼帶作為鋸帶背體材料［1，8］，通過焊接而實(shí)現(xiàn)鋸條齒部高耐熱性、耐磨及背部高強(qiáng)韌性的理想結(jié)合.由于高速鋼中碳以及W，Mo等高熔點(diǎn)元素含量高，焊接性差，同時，與高強(qiáng)度鋼的理化性質(zhì)（如線膨脹系數(shù)）相差較大，因此采用傳統(tǒng)的焊接工藝難以實(shí)現(xiàn)兩者的理想焊接［2，8－9］.激光焊接具有功率密度高，光斑直徑小，能量集中，速度高，焊縫熱影響區(qū)小，熱變形小等優(yōu)點(diǎn)，因此，對含有高熔點(diǎn)合金元素的異種金屬焊接具有優(yōu)異性［1－2］，成為雙金屬帶鋸條的理想焊接方式.但目前就其焊接工藝對接頭組織性能影響規(guī)律的研究較少.本文采用CO2激光器焊接，研究了不同焊接工藝參數(shù)對高速鋼M42鋼絲與高強(qiáng)度鋼帶X32焊接接頭組織及性能的影響，為實(shí)際應(yīng)用提供指導(dǎo).

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

本實(shí)驗(yàn)原材料采用雙金屬帶鋸用退火態(tài)高速鋼鋼絲（齒部）M42（W2Mo9Cr4VCo9）及退火態(tài)高強(qiáng)度鋼（背材）材料X32，其成分見表1和表2.尺寸分別為1.4mm（寬）×1.1mm（厚），34.0mm（寬）×1.1mm（厚）.

表1 高速鋼M42化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of high speed steel M42

焊前對上述母材表面進(jìn)行丙酮超聲波清洗.實(shí)驗(yàn)采用TruLaser 1100型CO2激光器，其最大輸出功率為4 000W，光束模式為TEM00模，焦距250 mm，焊接時采用Ar氣作為保護(hù)氣體.實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表3所示，其中焊接速度為被焊材料相對激光束移動的速度.采用金相顯微鏡（OM）和電子掃描電鏡（SEM）對焊接接頭組織進(jìn)行觀察，利用顯微硬度計以焊縫中心為對稱軸，每隔0.05mm進(jìn)行檢測（載荷力為9.8N，保荷時間為15s），對焊縫進(jìn)行硬度檢測.采用電子探針（EPMA）對焊縫附近區(qū)域進(jìn)行元素分布分析.焊縫強(qiáng)度檢測采用抗彎實(shí)驗(yàn)，抗彎試樣為3.0mm（寬）×1.1mm（厚）.

表2 高強(qiáng)度鋼X32化學(xué)成分Tab.2 Chemical composition of high strength steel X32

表3 不同CO2激光焊接工藝參數(shù)Tab.3 The parameters of different CO2laser welding

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 焊接接頭顯微組織分析

2.1.1 焊接接頭顯微組織

圖1是當(dāng)焊接功率為2 413W，焊接速度為14 m／min時，M42／X32異種金屬焊接接頭顯微組織背散射掃描電鏡照片.由圖1可知，焊接接頭由焊縫中心區(qū)（FZ），齒材 M42側(cè)熱影響區(qū)（HAZ），背材X32側(cè)熱影響區(qū)（HAZ）構(gòu)成，在焊縫區(qū)與熱影響區(qū)之間的過渡區(qū)為 M42側(cè)熔合區(qū)（PMZ），X32側(cè)熔合區(qū)（PMZ）.

1）焊縫中心區(qū)組織.在焊縫中心區(qū)為等軸晶，晶粒細(xì)小.從焊縫中心區(qū)（FZ）到熔合區(qū)（PMZ）兩側(cè)，組織依次呈現(xiàn)為等軸樹枝晶、柱狀晶和柱狀樹枝晶（圖1（b）中箭頭所指），其生長方向垂直于焊縫中心線方向，具有典型定向凝固組織.

2）焊接熔合區(qū)顯微組織.在靠近X32鋼一側(cè)的熔合線PMZ附近（圖1（c）），形成柱狀晶.在靠近M42鋼一側(cè)的熔合線附近，柱狀晶的方向性被打亂，存在一個細(xì)小的等軸晶區(qū)域，且依附此區(qū)域的柱狀晶較X32鋼側(cè)的柱狀晶較細(xì)小.

3）焊縫區(qū)域金相組織和焊縫區(qū)域XRD.在焊接功率為2 754W，焊接速度為14m／min焊接條件下焊縫區(qū)域XRD圖見圖2.由焊縫區(qū)域金相組織可知，焊縫區(qū)域晶粒細(xì)小，通過XRD圖得出為馬氏體與殘余奧氏體.

2.1.2 焊接接頭處的元素分布

圖2 焊縫區(qū)域XRD圖Fig.2 The XRD of weld area

圖3 焊后M42－焊縫EPMA照片F(xiàn)ig.3 EPMA of M42－weld area

圖4 焊后X32－焊縫EPMA照片F(xiàn)ig.4 EPMA of X32－weld area

在焊接功率為2 754W，焊接速度為14m／min焊接條件下，焊后齒材M 4 2－焊縫處與焊后背材X32－焊縫處EPMA照片分別見圖3和圖4.由圖3可以看出，焊后高速鋼M42與焊縫處主要合金元素分布呈明顯的分界現(xiàn)象.PMZ界面處 W，Cr，Mo，V等元素發(fā)生了由齒材M42向焊縫的擴(kuò)散.焊縫FZ中Mn，F(xiàn)e元素含量明顯高于母材 M42，母材M42中C，Co含量明顯高于焊縫.母材M42中碳化物多為Mo，V，W，Cr元素聚集區(qū)域.由圖4可以看出，焊后背材 X32－焊縫中Cr，Mn，F(xiàn)e，V，Mo元素分布呈明顯的分界現(xiàn)象.C元素分布較為均勻，焊縫C含量略高于背材X32中C含量.Ni元素分布較為均勻.母材中碳化物位置為Cr，Mn，Mo元素聚集區(qū).焊縫中高亮區(qū)域?yàn)?Mo，Cr，V元素聚集區(qū)域.Fe元素呈由背材向焊縫遞減的分布趨勢.

2.2 不同激光功率和焊接速度對焊接接頭組織的影響

1）圖5為激光焊接功率P＝2 754W，不同焊接速度焊接后接頭的SEM照片.由圖5可知，隨著焊接速度的增大，焊縫中心區(qū)的等軸晶增多，樹枝晶減少，焊縫中柱狀晶的生長越垂直于熔合線，且焊縫中平均晶粒尺寸減小.在靠近M42側(cè)熔合區(qū)，隨著焊接速度的增大，柱狀晶區(qū)變窄，等軸晶區(qū)變寬，且此區(qū)域生長的等軸晶越細(xì)小，依附于此等軸晶生長的柱狀晶越細(xì)小.

2）圖6為焊接速度v＝14m／min時不同焊接功率的焊接接頭的金相組織.由圖6可知，隨著激光功率的減小，焊縫中心區(qū)樹枝晶數(shù)量增加，等軸晶減少，焊縫與母材熔合邊界柱狀晶范圍變寬.

從內(nèi)容列表可以看出，算術(shù)包含大量對學(xué)生將來的生活與工作必不可少的概念、定義、規(guī)則和技能.過去，為了能夠切實(shí)掌握算術(shù)知識與技能，學(xué)生用六年時間來學(xué)習(xí)和練習(xí).現(xiàn)在的學(xué)生怎么可能僅用原來若干分之一的時間，就學(xué)會同樣多的知識技能呢？

2.3 激光焊接接頭力學(xué)性能

2.3.1 焊接接頭的顯微硬度分析

當(dāng)焊接功率P＝2 754W時，隨著焊接速度的變化，接頭顯微硬度變化曲線如圖7所示.當(dāng)焊接速度v＝14m／min時，隨著焊接功率的變化，焊接接頭顯微硬度變化曲線如圖8所示.

由圖7和圖8可知，靠近齒材M42側(cè)焊縫硬度要高于靠近背材X32側(cè)，焊縫和熱影響區(qū)硬度均較母材高，且在靠近高速鋼側(cè)的熔合區(qū)的硬度比焊縫中心區(qū)硬度還要高.對比圖7與圖8，本實(shí)驗(yàn)條件下，激光功率和焊接速度對接頭各區(qū)域的顯微硬度的影響不大.

2.3.2 焊接接頭的抗彎強(qiáng)度分析

表4為不同激光焊接工藝參數(shù)焊接接頭抗彎強(qiáng)度.所測試樣抗彎斷裂均發(fā)生在靠近高速鋼M42側(cè)的熔合線附近，當(dāng)焊接功率為2 754W，焊接速度為14m／min時，焊接接頭強(qiáng)度最高，抗彎強(qiáng)度值為112MPa，達(dá)到了雙金屬帶鋸條的焊接性能要求.

表4 不同焊接工藝參數(shù)焊接接頭抗彎強(qiáng)度Tab.4 Different welding parameters weld joints bending strength

圖6 v＝14m／min不同焊接功率異種金屬焊接接頭SEMFig.6 v＝14m／min different welding power of dissimilar metal welded joint microstructure

圖7 當(dāng)P＝2 754W時，接頭顯微硬度曲線Fig.7 Hardness of weld joint（P＝2 754W）

圖8 當(dāng)v＝14m／min時，接頭顯微硬度曲線Fig.8 Hardness of weld joint（v＝14m／min）

3 討 論

3.1 焊接接頭的顯微組織形成機(jī)理

由圖1可知，PMZ與FZ區(qū)呈現(xiàn)出柱狀晶和等軸晶組織.由于接頭各區(qū)域的冷卻速度不同，在焊接過程中，其凝固組織會出現(xiàn)較大的差異.一般地，從FZ邊界到中心，溫度梯度（G）逐漸降低、結(jié)晶速度（R）升高，F(xiàn)Z區(qū)晶粒的生長模式從熔池邊界到中心會由于凝固參數(shù)G／R的降低而發(fā)生改變，依次為胞狀生長、柱狀樹枝晶生長、等軸樹枝晶及等軸晶生長，將胞狀晶和柱狀樹枝晶出現(xiàn)的區(qū)域合成為柱狀晶區(qū).沿著兩側(cè)的熔合線至焊縫中心方向上，由于此方向上G／R的值逐漸減小，在焊接熔池的凝固過程中，結(jié)晶沿最大散熱方向擇優(yōu)長大為柱狀晶及柱狀樹枝晶，由于熔池的過熱度和溫度梯度增大，使非自發(fā)形核質(zhì)點(diǎn)大為減少，G／R值相對較大，使柱狀晶顯著生長［4，10］.在本實(shí)驗(yàn)中，靠近背材 X32一側(cè)的熔合線附近，柱狀晶尺寸逐漸變小，存在一個細(xì)小的等軸晶區(qū)域；在靠近齒材M42一側(cè)的熔合線附近，樹枝晶的方向性被打亂，柱狀晶組織消失.這是由于靠近背材X32一側(cè)的背材尺寸較大，散熱相對較快，溫度梯度較小，而靠近齒材高速鋼側(cè)所含的高熔點(diǎn)合金元素較多，在焊接時會存在一些未熔的碳化物，未熔碳化物的存在，阻止了柱狀晶的生長［3，5，11］.

3.2 不同激光焊接工藝的焊接接頭組織形成變化的原因

圖5中表明了不同焊接速度對接頭組織的影響規(guī)律.隨著焊接速度增大，熔池中心G溫度梯度減小，成分過冷度增大，G／R值減小，所以其生長為由樹枝晶向等軸晶轉(zhuǎn)變［12］，從而阻礙了柱狀晶的生長，使焊縫熔合邊界處柱狀晶變窄，焊縫中心區(qū)等軸晶區(qū)寬化，等軸晶增多，樹枝晶減少［5，13］.當(dāng)焊接速度較慢時，導(dǎo)致焊縫液態(tài)熔池的凝固速度和晶體的生長速率降低，使焊縫熔合區(qū)寬化，熱影響區(qū)的碳化物因此變得粗大，致使焊縫區(qū)的晶粒粗化.隨著焊接速度的增大，在靠近M42側(cè)的熔合邊界金屬凝固速率增大，溫度梯度下降，使該處的成分過冷度增大，使得該熔合邊界處G／R值減小，因此，在靠近M42熔合線附近的等軸晶越細(xì)小.

由圖6（a）（b）（c）可知，其顯微組織形成的原因?yàn)椋寒?dāng)焊接速度一定時，隨著激光功率的減小，焊接的單位線能量輸入減小，熔合邊界處溫度梯度G增加，從而使凝固參數(shù)G／R值增大，凝固生長模式由等軸晶向胞狀晶轉(zhuǎn)變，在焊縫熔合邊界存在胞狀晶區(qū)寬化的現(xiàn)象.因而，焊縫區(qū)的柱狀晶區(qū)范圍變大，且由于熱輸入的減小，使焊接接頭的熱影響區(qū)的寬度和平均晶粒尺寸隨之減小.

3.3 異種金屬激光焊接接頭顯微硬度分布討論

由于激光具有快速加熱和冷卻的特點(diǎn)，且被焊材料含碳量均很高，屬于易淬硬的材料，因此，焊后（圖2）接頭的焊縫區(qū)和熱影響區(qū)均生成高碳馬氏體，且生成快速凝固組織，所以硬度較高.在焊接過程中，熔池及其附近完全熔化區(qū)的母材金屬材料，特別是熔化了的晶界處，與其上的液態(tài)金屬之間進(jìn)行著碳元素的擴(kuò)散交換，從而導(dǎo)致了熔池階段及凝固后的高溫階段，在不完全熔化區(qū)緊靠熔合線一定寬度范圍內(nèi)（近縫區(qū)）的碳含量降低［3，9，14］.但由于激光焊接的自身特點(diǎn)，使焊后冷卻速度非常快，致使碳元素的擴(kuò)散行程較短，主要集中在熔合線焊縫區(qū)，以此該區(qū)形成高碳馬氏體，使該區(qū)的硬度較高，甚至高于焊縫區(qū)［5］.同時由于Ni元素的特性，改變了碳的擴(kuò)散特性，同時又由于高速鋼側(cè)W，V等強(qiáng)碳化合物元素的存在，也降低了碳的活度系數(shù)［2，7］，從而碳遷移減弱，使高速鋼近縫區(qū)的硬度較高.此外，在焊縫凝固后，由于熱傳導(dǎo)的作用，熱影響區(qū)發(fā)生相變，碳及合金元素從馬氏體及殘余奧氏體中脫溶，析出高強(qiáng)彌散的碳化物，發(fā)生了馬氏體的二次硬化，使靠近高速鋼融合區(qū)的硬度比近縫區(qū)的硬度要高.因此，在抗彎斷裂實(shí)驗(yàn)中，斷裂位置均發(fā)生在靠近高速鋼M42側(cè)的熔合線附近［3，5，10，15］.

4 結(jié) 論

高速鋼M42與高強(qiáng)度鋼X32異種金屬CO2激光焊接接頭的典型組織為等軸晶加柱狀樹枝晶，焊縫中心區(qū)為等軸晶區(qū)域，焊縫中心區(qū)兩側(cè)為柱狀晶和柱狀樹枝晶.在靠近齒材M42一側(cè)的熔合線附近，樹枝晶的方向性被打亂，存在一個細(xì)小的等軸晶區(qū)域，且靠近此區(qū)域生長的柱狀晶較X32側(cè)熔合線附近的柱狀晶更細(xì)小.

隨著焊接速度的增加，焊縫中心區(qū)等軸晶增多，樹枝晶減少.靠近M42側(cè)熔合邊界等軸晶變的更細(xì)小.隨著激光功率的減小，焊縫中心區(qū)樹枝晶數(shù)量增多，等軸晶減少，焊縫與母材熔合邊界柱狀晶范圍變寬.M42／X32異種金屬激光焊接接頭抗彎斷裂均斷在靠近高速鋼M42側(cè)的熔合線附近.當(dāng)焊接功率為2 754W，焊接速度為14m／min時，焊接接頭性能優(yōu)良，抗彎強(qiáng)度值為112MPa.

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