热处理工艺对45#钢激光焊接接头性能的影响

王 威，张永强，鞠建斌，汪小培，杨建炜

（首钢技术研究院，北京100043）

热处理工艺对45#钢激光焊接接头性能的影响

王 威，张永强，鞠建斌，汪小培，杨建炜

（首钢技术研究院，北京100043）

进行激光焊接接头的热处理实验，分析不同热处理工艺对45#钢激光焊接接头性能的影响。结果表明，45#钢激光焊接接头的最优热处理工艺为：热处理温度700℃、热处理时间10 min。在此热处理工艺下，45#钢激光焊接接头从焊缝中心到热影响区的组织过渡均匀，显微硬度显著降低且分布均匀，消除了焊接接头的软化区，提高了激光焊接接头的整体性能。

热处理；45#钢；激光焊接；焊接接头

0 前言

碳钢的焊接性主要取决于冷裂纹敏感性、焊接接头韧性等，冷裂纹敏感性主要取决于母材的化学成分及焊缝中溶解氢的含量和拘束度等条件，焊接接头的韧性主要与母材成分、焊接热过程、焊后热处理等因素有关[1]。与传统焊接方法相比，激光焊接具有深宽比大、焊缝窄、焊缝结合强度高、热影响区小、焊接变形小及对周围组织无影响等特点而得到广泛应用[2]。

45#钢作为中碳优质碳素结构钢，因其优良的切削加工性能广泛应用于装备制造业[3]，但45#钢的碳含量为0.42％～0.50％，碳当量CE为0.50％～0.60％，如此高的碳含量和碳当量带来的主要问题是其激光焊接接头容易出现淬硬组织，造成焊接接头局部强度的提高、脆化、硬化，显著增加激光焊接接头的冷裂纹敏感性，所以需要增加合理的焊后热处理工艺，消除激光焊接过程中的冷裂纹倾向。通过研究不同热处理工艺对45#钢激光焊接接头性能的影响，确定合理的焊后热处理制度，提高激光焊接接头的韧性，获得优质激光焊缝。

1 试验材料和方法

试验材料为2.0 mm厚的45#钢薄板，选材的主要化学成分和力学性能如表1所示。

表1 45#钢的主要化学成分及力学性能（厚度2.0 mm）

使用4 400 W的YAG固体激光器进行激光焊接，焊前用丙酮清洗试样，采用氩气作为保护气，经过激光焊接参数的优化，确定的激光焊接工艺参数如表2所示。

表2 激光焊接工艺参数

采用最优激光焊接工艺参数制备焊接接头试样，然后在热处理炉中对激光焊接接头进行焊后热处理，焊接接头的热处理工艺如表3所示。

表3 激光焊接接头的热处理工艺参数

对经过热处理后的焊接接头与未经热处理的试样进行金相分析、显微硬度测试和杯突性能测试，分析不同热处理工艺参数对45#钢激光焊接接头的优化效果。

2 试验结果和分析

2.1 激光焊接接头的金相组织分析

金相组织分析在Leica DMI5000M金相显微镜上进行，采用4％的硝酸酒精进行侵蚀，得到如图1所示的热处理前后的焊接接头金相组织。可以看出，未经过热处理的试样焊缝中心组织主要是片状马氏体组织，其热影响区较窄，呈典型的过渡状态，主要由马氏体组织和珠光体组成。经过500℃热处理后，焊缝中心和热影响区的马氏体组织有细化的倾向，但是未发生显著变化，依旧比较粗大。随着热处理温度的升高、时间的延长，焊缝中心和热影响区的马氏体组织逐渐细化为针状马氏体组织，且逐渐出现回火索氏体组织，二者分布也逐渐均匀，有利于提高焊缝整体性能。

2.2 显微硬度测试

显微硬度测试在Leica HXHXD-1000TM显微硬度仪上进行，得到如图2所示的45#钢激光焊接接头的显微硬度分布。

图1 激光焊接接头的显微金相组织

由图2a可知，未经热处理的激光焊接接头，基材显微硬度值均为210 HV，焊缝中心的平均显微硬度值为700HV，是基材显微硬度值的3.3倍，且焊接接头的热影响区出现低于基材软化点，过大的硬度差异和热影响区的局部软化极易在冲压过程中出现沿热影响区开裂的问题。随着热处理温度的逐渐升高，焊接接头的显微硬度值逐渐降低，在热处理温度为700℃时达到最优状态，即焊缝中心的平均显微硬度值为380 HV，为基材显微硬度值的1.8倍，且接头从焊缝中心到热影响区的过渡均匀，焊接接头的热处理效果较好。

由图2b可知，热处理温度为700℃时，随着热处理时间的增加，焊接接头的显微硬度值呈现先增加后稳定的趋势，即在保温10 min和15 min时热处理效果基本相当，因此可确定热处理时间为10 min是适宜的热处理时间。

图2 45#钢激光焊接接头的显微硬度分布

图3 不同热处理工艺时焊接接头杯突破坏形貌

45#钢激光焊接接头的最优热处理工艺为热处理温度700℃、热处理时间10 min，在此热处理工艺下，45#钢激光焊接接头从焊缝中心到热影响区的过渡均匀，且消除了焊接接头的软化区，提高了激光焊接接头的整体性能。

2.3 杯突成形性能

杯突成形试验可以直观地判断激光焊接接头的机械性能，是快速检测激光焊接接头质量的方法之一。对比焊缝杯突开裂的方向与标准开裂的方向来定性判断焊缝质量是否合格[4]，如果开裂方向垂直于焊缝，则合格；如开裂沿焊缝方向延伸，则不合格。

不同热处理工艺时焊接接头的杯突破坏形貌如图3所示。1#、2#、4#试样和未经热处理试样的焊接接头在杯突成形试验时的主要开裂均沿焊缝方向延伸，说明激光焊缝的成形性能低于基材，需要进一步优化热处理工艺来改善焊接接头的性能。3#试样和5#试样在杯突成形试验时主要开裂均垂直于焊缝，说明焊接接头的性能与基材相近，热处理工艺有效优化了焊接接头的组织分布和显微硬度分布，提高了焊接接头的整体机械性能。

3 结论

（1）45#钢激光焊接接头的最优热处理工艺为：热处理温度700℃、热处理时间10 min。

（2）在此热处理工艺下，45#钢激光焊接接头从焊缝中心到热影响区的组织过渡均匀，显微硬度显著降低且分布均匀，消除了焊接接头的软化区，提高了激光焊接接头的整体性能。

[1]吴海龙.45#钢的焊接性的研究[J].科技创新与应用，2013（25）：130.

[2]闫毓禾，钟敏霖．高功率激光加工及其应用[M]．天津：天津科学技术出版社，1994：34-36.

[3]孔建，姜明国.45#钢热处理工艺常见问题及其预防措施[J].装备制造技术，2013（4）：117-119.

[4]阎启.激光焊接速度对热轧钢板焊缝质量的影响[J]．机械工程材料，2004，28（5）：14-16．

Influence of heat treatment process on properties of laser welded joints of 45 steel

WANG Wei，ZHANG Yongqiang，JU Jianbin，WANG Xiaopei，YANG Jianwei
（Shougang Research Institute of Technology，Beijing 100043，China）

Experimental investigation on the heat treatment of welded joints by laser，analyze the influence of different heat treatment processes on the properties ofthe laser welded joints of45 steel.The results showthat the best heat treatment processes on the properties of the laser welded joints of 45 steel：the optimum temperature of heat treatment is 700℃and the right time to heat treatment is 10 min.In this condition，the performance ofthe laser welded joints of45 steel is optimized，such as，the microstructure which from the weld center to theheataffected zonebecomeshomogeneous.Microhardnessdecreasessignificantlyand distribution isuniform.The heattreatment processes can eliminate the softeningofthe welded joint，and improve the overall performance ofthe laser welded joints.

heat treatment；45 steel；laser welding；weld joint

TG457.6

A

1001－2303（2016）06－0080-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.06.16

2016-01-07；

2016-02-02

王威（1985—），男，河南人，工程师，在读硕士，主要从事汽车板的焊接技术研究和生产线的焊接装备保障工作。