A514钢和D500钢在激光电弧复合焊下接头显微组织与力学性能研究

管佳佳，程 超，王熙熙，王晓云

（安徽信息工程学院 机械系，安徽 芜湖 241000）

A514钢和D500钢在激光电弧复合焊下接头显微组织与力学性能研究

管佳佳，程 超，王熙熙，王晓云

（安徽信息工程学院 机械系，安徽 芜湖 241000）

通过激光电弧复合焊，采用X射线衍射法测量其残余应力；然后取样、对试样进行镶嵌，用砂纸对试样进行研磨、磨光、抛光、腐蚀、拍摄金相；最后对试样的硬度进行测量.实验结果表明，在本课题研究范围内，同种钢A514接头的残余应力峰值小于异种钢A514-D500的残余应力，残余应力的分布规律与硬度的分布规律较为一致.

激光电弧复合焊；残余应力；金相组织；硬度

1 引言

1.1 激光电弧复合焊的背景

就目前由于激光焊接的成本仍然较高，因此以激光为核心的复合热源焊接技术孕育而生.激光电弧复合热源焊接技术是1976年由英国学者W.Steen首次提出的，几十年来，人们研究最多，应用最广的还是激光电弧复合热源焊接技术，它的主要目的是有效地应用电弧热源，以减小激光的应用成本、降低激光焊接的装配精度.激光与电弧联合应用进行焊接有两种方式，一种是沿焊接方向，激光与电弧间距较大，前后串联排布，两者作为独立的热源作用于工件，主要是利用电弧热源对焊缝金属进行预热或后热，达到提高吸收率、改善焊缝组织性能的目的.另外一种方式是激光与电弧共同作用于熔池，焊接过程中，激光与电弧之间存在相互作用和能量的耦合，也就是激光电弧复合热源焊接.

1.2 激光电弧复合焊基本原理

激光-电弧复合焊接时，激光作用产生的金属蒸汽进入电弧区，由于金属蒸汽电离能较低，更容易电离，导致电弧通道的电阻降低，电弧电流密度增加，电弧稳定性增强，电弧的能量利用率提高.同时激光作用形成的小孔处温度较高，热发射电子比较容易，因此电弧被压缩并吸引进入小孔中，复合热源的能量利用率提高，产生相互增强的协同效应，可使焊接效率、过程稳定性和焊接质量进一步提高.

2 激光电弧复合焊下，同种钢、异种钢接头残余应力的比较

2.1 本文主要研究内容

伴随着激光电弧复合焊的发展，其焊接特点正逐渐被人们所知晓，尤其是其焊接速度快、熔深大、单面焊双面成型好、一次性焊层厚度厚的优势.但是，由于激光电弧复合焊的能量高且在焊接过程中易在焊缝及其热影响区形成二级结晶，对材料的内部组织产生一定的变化，从而对材料的金相组织，硬度分布和残余应力产生比较大的影响.

（a）本文主要对在激光电弧复合焊下的同种钢A514+ A514和异种钢A514+D500的焊接接头的残余应力的进行测量和比较.

（b）绘图分析残余应力的分布变化，测量绘图分析硬度的分布变化以及观察金相组织的变化.

（c）比较异种钢的残余应力，包括横向残余应力和纵向残余应力的分析比较.

（d）比较同一接头的残余应力、硬度分布规律及金相组织变化.

2.1.1 焊接残余应力的概念

焊接构件由焊接而产生的内应力称为焊接应力.按作用时间可分为焊接瞬时应力和焊接残余应力，焊接过程中，某一瞬时的焊接应力称为焊接瞬时应力，它随时间而变化:焊后残留在焊件内的焊接应力称为焊接残余应力.焊件焊后的热应力超过弹性极限，以致冷却后焊件中留有未能消除的应力.

2.1.2 焊接残余应力产生的原因及影晌因素

焊接残余应力产生的主要原因是由焊接过程中不均匀加热所引起的.焊接应力按其发生源来区分.有如下3种情况:A:直接应力，这是进行不均匀加热和冷却的结果.它取决于加热和冷却时的温度梯度.是形成焊接残余的主要原因，B:间接应力.这是由焊前加工状况所造成的应力.构件若经历过轧刹或拉拔时，都会使之具有此类残余应力.这.C:组织应力.这是由组织变化而产生的应力也就是相变造成的比容变化而产生的应力.

影响因素：（1）材料物理特性和力学性能的影响.一些常用材料的热物理特性在给定的温度T区间的平均值热导率α、比热容C、密度ρ或由这几个参数联合表示的热扩散率以及热焓S是影响焊接温度场分布的主要物理参数.线膨胀系数随温度的变化则是决定焊接热应力、应变的重要物理特性.

（2）不同类型焊接热源的影响，焊接时的热输入是产生焊接应力的决定性因素，焊接热源的种类热、热源能量的密度的分布、热源的移动速度，被焊接件的形状与厚度都直接影响着热源引起的温度场分布同，因而也改变焊接残余应力的分布规律.

2.1.3 研究焊接残余应力的意义

（1）对结构刚度的影响 当外载产生的应力与结构中某区域的残余应力叠加之和达到屈服点时，这一区域的材料就会产生局部塑性变形，丧失了进一步承受外载的能力，造成结构的有效截面积减小，结构的刚度也随之降低.

（2）对受压杆件稳定性的影响 当外载引起的压应力与残余应力中的压应力叠加之和达到屈服点口，这一部分截面就丧失进一步承受外载的能力.这就削弱了构件的有效截面积，并改变了有效截面积的分布，降低了受压杆件的稳定性.

（3）对静载强度的影响 没有严重应力集中的焊接结构，只要材料具有一定的塑性变形能力，残余应力不影响结构的静载强度.反之，如材料处于脆性状态，则拉伸残余应力和外载应力叠加有可能使局部区域的应力首先达到断裂强度，导致结构早期破坏.

（4）对疲劳强度的影响 残余应力的存在使变载荷的应力循环发生偏移.这种偏移，只改变其平均值，不改变其幅值.结构的疲劳强度与应力循环的特征有关，当应力循环的平均值增加时，其极限幅值就降低，反之则提高.

2.2 试验的材料及其性能

本课题所用的材料分别是钢材A514和D500.

A514是ASTM标准下的经淬火与回火的高强度可焊接钢板，主要用途是用在需要高抗拉，高屈服的场所，它的硬度在235-290之间，屈服大于630MPa，抗拉强度在700MPa以上，此种钢板加工难度较大一点，国内用的地方不是太多，但在美国，A514的使用量非常之大.

D500是高强度淬火回火钢，它是一种船体用钢，它是按照其最小屈服点来划分的级别.具有很高的强度.

2.2 试验方法及过程

表1 A514钢的成分和性能

表2 D500的成分和性能

2.2.1 残余应力的测量

测量采用一定规格的A514和D500试样，选用适当焊接工艺参数进行激光电弧复合焊对接板焊接试验.复合焊接时的试板开Y形坡口，焊后对试板进行清理、标号，为后面的试验做准备.

残余应力的测量采用X射线衍射法：晶体在应力作用下原子间的距离发生变化，其变化与应力成正比.如果能直接测得晶格尺寸，则可不破坏物体而直接测出内应力的数值.当X射线以掠角θ入射到晶面上时（图2），如能满足公式2dsinθ=nλ式中d为晶面之间的距离，λ为X射线的波长，n为任一正整数，则X射线在反射方向上将因干涉而加强.根据这一原理可以求出d值.用X射线以不同角度入射物体表面，则可测出不同方向的d值，从而求得表面内应力.

2.2.2 X射线衍射仪

生产过程中，工件在经热处理、机械加工、焊接、表面处理等工序处理时就会产生残余应力.这类应力会永久的影响工件抗力，尤其在有应变的情况下，它往往导致工件的断裂，这种断裂原因用冶金学无法解释.残余应力的分析越来越重要.焊接工件、齿轮、喷丸或喷砂工件，以及工件进行热处理或其它工序时，都可以借助X射线衍射进行控制和监督.金属中的应力测量是根据原子面间距大小反映应力大小的原理来实现的.通过X射线在分析部位的衍射来测量原子面间距.即使残余奥是体含量很低（5%）也能导致工件变形而使其不能使用.例如：内燃发动机的喷射器销、球轴承沟槽.测定它们的存在，可以改进热处理工艺.

将焊接完成的同种钢和异种钢的试样，进行表面清洁处理，选取合适的焊缝部位，在相应的距离上取点，进行几组残余应力的测量，并且认真记录下残余应力的数值，最后进行重复性试验.

2.3 实验方案

用激光—电弧复合焊对同种钢A514+A514和异种钢A514+D500进行焊接，对焊接完成的试验，选取合适的焊缝，并且进行焊接残余应力的测量.将焊接完成的钢材进行切取，磨光，抛光，腐蚀处理，在显微镜下，观察钢材的表面特征，并进行焊接接头组织观察、硬度分布测试等，并进行必要的重复性试验和补充试验.

金相试样的制备：

（1）试样的切取

在焊接完成后，对焊接的试样接头进行表面的清洗，在相对较好的表面上进行试样的切取.

（2）砂轮磨平

确认需要磨平的试样表面，磨平面就是试样的被观察表面.将试样的磨面正对着砂轮大侧平面，并使两平面相互平行.在磨削过程中，应将试样不断浸水冷却，以防磨面局部过热.待试样切割时的表面损伤层去除后，观察试样磨面，若整个磨面已处于同一平面，并且磨削后的条痕粗细及方向均匀一致，就可以停止磨削.如果磨面不是在同一平面内，或者磨面上的磨痕粗细不均匀、方向不一致，则需要继续进行磨削，但此时应轻轻施力，以便达到磨平的目的.

（3）试样镶嵌

当试样形状不规则、尺寸过小、较软、易碎或边缘需要保护时，须将试样镶嵌起来，以便于金相试样的制备.

本实验采用冷镶法，将配置好的镶嵌树脂搅拌均匀，沿着模具内壁缓缓倒入树脂，直至将模具浇注满为止，在背面加上标注.把浇注完得镶嵌试样放在通风阴凉处，静置24h即硬化.

（4）砂纸磨制

本实验采用手工磨样，试样磨制分为粗磨，半精磨和精磨.在水砂纸上进行粗磨，从颗粒号180的砂纸开始向700号顺序磨制，然后再在700到1000号的水砂纸上进行半精磨，当试样开始精磨时，精磨在金相砂纸上，金相试纸必须平铺在光滑平整的表面，否则会产生严重的后果，当试纸平铺后，将试样按一定的位置，沿一定的顺序进行研磨.

（5）试样抛光

经过金相砂纸细磨后的试样待检验表面，仍然存在轻度的表面加工损伤层，而且其表面存在细磨痕.因此必须对磨面进行抛光，才能满足显微组织的显示要求.

本实验使用单盘金相抛光机、Cr2O3抛光粉和金丝绒抛光布.

（6）显微分析试样的组织显示和金相观察

焊接接头显微分析试样的显示主要采用化学试剂浸蚀法.本实验采用浸入法，将试样浸入盛有4%硝酸酒精溶液的玻璃皿中，磨面朝下接触试剂，浸蚀4-5秒后用清水冲洗并用电吹风机吹干.

使用金相显微仪在放大400倍下观察焊接接头的母材区、热影响区和焊缝区金相组织，并拍摄金相图片.

2.4 显微硬度测量

硬度是衡量金属材料软硬程度的性能指标.硬度值实际上不是一个单纯的物理量，它是表征材料的弹性、塑性、强度和韧性等一系列不同物理量组合的一项综合指标.

本实验测量维氏显微硬度，试样测定时，在载荷P的作用下，试样表面上压出一个四方锥形的压痕，测量压痕对角线长度d（mm），据此计算压痕的表面积F（mm2），以P/F的数值表示试样的硬度值，用符号HV表示.

在MH-3型显微硬度仪上进行硬度测量，参数设置为：载荷300g，保持载荷10s.在焊缝上表面以下1mm处测一条线上的硬度，从焊缝中心向两边取点，每隔1mm测一个点.记录数据，然后通过origin绘图软件做出不同焊接参数下焊缝区的显微硬度分布.

3 实验结果与分析

3.1 异种钢焊接接头的正面背面横向、纵向残余应力的分析、比较

焊接温度场消失后的应力称为焊接残余应力.产生残余应力的原因：焊接过程的不均匀温度场以及由它引起的局部塑性变形和比容不同的组织是产生焊接应力和变形的根本原因.纵向残余应力是由于焊缝纵向收缩引起的，横向残余应力产生是由焊缝及其附近塑性变形区的横向收缩和纵向收缩共同作用的结果

图3 异种钢A514-D500焊缝正面的纵向残余应力

图4 异种钢A514-D500焊缝正面的的横向残余应力

通过观察图4和图5，可以发现许多相似之处，正面的横向应力普遍表现为拉应力，而背面的横向应力普遍表现为压应力.且图形表现的趋势是相同的.正面的拉应力和背面的压应力相互可以抵消，例如，图4的3mm到15mm表现为拉应力，而-13到-2mm表现为压应力.但是，图5和图8峰值部分，表现的有差异，在图3的-7mm到0之间，表现为平滑的曲线，且规律比较明显，但是，图3的0到9mm并不像图6那样平滑，其原因可能是由于正面和背面的成分不一样、加热冷却速度也不一样导致.图中的上面的横向残余应力和纵向残余应力与背面的横向残余应力和纵向残余应力相互对应.

宏观上是因为正面的焊接，焊缝受热而膨胀，导致拉应力很大，而背面的压应力很大，从而导致上面的横向残余应力和纵向残余应力表现为拉应力，而背面的是压应力.

微观上，焊缝加热到一定温度，当温度下降时，发生二次结晶，从而导致正的残余应力，而背面为了保持平衡，表现为负的残余应力.

图5 异种钢A514-D500焊缝背面横向残余应力

图6 异种钢A514-D500焊缝背面纵向残余应力

3.2 同种钢A514+A514和异种钢A514+D500在激光复合焊下的金相组织

图7 A514热影响区

图8 A514焊缝

观察上图，7、8是同种钢A514在激光电弧复合焊下热影响区、焊缝的金相组织结构.图10的组织成分是马氏体和少量贝氏体.

图9 A514-D500——A514侧焊缝

图9是异种钢A514-D500在激光电弧复合焊下的A514的影响区、A514的母材、A514的影响区、D500的母材、D500的影响区、D500的焊缝、焊缝中间部分的金相组织结构.其组织分别是铁素体和奥氏体、铁素体和珠光体、马氏体和少量贝氏体、珠光体和铁素体、珠光体和奥氏体、铁素体和奥氏体、铁素体和奥氏体.

图10 D500焊缝

图11 D500影响区

图10、11分别表示同种钢D500的焊缝和影响区，母材用400倍的显微镜看不清楚，图10的组织成分是奥氏体和铁素体，图11的组织成分是铁素体和奥氏体.

3.3 同种钢A514+A514和异种钢A514+D500在激光电弧复合焊下硬度分布

图12 A514的硬度分布

图13 同种钢D500+D500的硬度分布

由图12可以看出，A514母材的硬度在235-290之间，当同种钢A514进行相互对接时，焊接接头的硬度由母材向焊缝逐渐增大，其中在热影响区，上升的速度非常明显，以焊缝轴线为中心线，两边的硬度分布相互对称.在激光电弧复合焊下，接头部分的温度较高，当以较高的速度进行连续冷却时，焊接接头的组织为少量的贝氏体，大量的马氏体和残余奥氏体，所以，在接头的热影响区和焊缝的硬度较高.

由图13可以看出，在同种钢D500焊接接头的焊缝处，硬度比两边低很多，这是因为D500的焊缝处的组织成分多为铁素体.

4 结论

通过对在激光电弧复合焊下，同种钢A514+A514和异种钢A514+D500的残余应力的进行比较，可以看出，焊接接头的焊缝处，横向残余应力和纵向残余应力都表现为拉应力，焊缝周围表现为压应力，因为焊缝在焊接过程中，一方面因为焊接冷却的速度较快，焊缝部分膨胀后，残余应力得不到回复，另一方面，焊缝处存在二次结晶，导致焊缝膨胀无法回复，从而导致焊缝部分产生拉应力，为了保持应力的平衡，焊缝周围表现为压应力.同种钢A514+A514，它们的焊缝的中心表现为拉应力，焊缝两侧表现为压应力，且焊缝中心的拉应力远大于焊缝两侧，这是由于焊缝的中心更多的存在马氏体等组织.异种钢A514+D500，焊缝中心的应力值相对较小，焊缝两侧的应力比焊缝中心略有差别.且图形表现的趋势是相同的.残余应力的大小与硬度的分布密切相关，与金相组织也有一定的关系.残余应力的分布规律与硬度的分布规律较为一致；硬度随着金相组织的变化而变化.

在本课题内，同种钢A514+A514焊接接头的残余应力峰值小于异种钢A514-D500的残余应力峰值，残余应力的大小与金相组织，硬度的分布有关.

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TG456

A

1673-260X（2017）08-0024-05

2017-04-08

北京市自然科学基金项目（2112011）；北京市教委科研计划面上项目（SQKM20120011009）；2.2016年安徽省教育厅自然基金重大项目（KJ2016SD07）