预热温度对AH36激光焊缝组织及硬度的影响

李赫， 王磊， 黄勇， 周明， 周琦， 王克鸿

(1.南京理工大学，南京210094；2.江苏靖宁智能制造有限公司, 江苏 靖江 214513)

0 前言

AH36钢因其较好的综合性能与可焊性目前在船舶领域得到了广泛应用[1-2]。激光焊接具有效率高、成形好、功率大等优点，可以有效进行船舶钢结构件焊接[3-4]。但由于激光焊接冷却速度较快，使得激光焊接接头中易出现大量的马氏体组织，马氏体作为典型的脆硬相，焊缝中马氏体含量过多易导致冷裂纹等缺陷[5]，影响接头冲击韧性等力学性能[6]。已有研究表明，通过焊前预热，可以有效的对焊接接头力学性能进行改善。徐学利等人[7]通过控制预热温度，提升了X100管线钢焊接接头的抗冷裂性能；岑耀东等人[8]通过焊前预热工艺，使电阻焊焊接接头的拉剪载荷提高了7%以上，并改善了接头的断裂形态。

为有效改善AH36船舶钢焊接接头性能，文中通过平板对接激光焊接试验，研究了不同预热温度下接头微观组织构成与分布，以及预热温度对接头显微硬度影响，为合理优化焊接工艺提供理论依据。

1 试验方法

试验所用材料为AH36船舶钢，其化学成分见表1，母材显微组织主要由铁素体与少量珠光体组成。焊接过程如图1所示，所用的激光器为YLS-10000，焊接机器人为KUKA KR16。采用无间隙平板对接方式进行焊接试验，对接后板材尺寸为400 mm×150 mm×6 mm，焊接过程中未使用填充焊丝。

图1 焊接示意图

表1 AH36船舶钢化学成分(质量分数,%)

为分析不同预热温度对AH36激光焊接接头组织与性能影响，使用电加热陶瓷片对板材进行焊前预热处理，预热温度分别为28 ℃(室温)、128 ℃与250 ℃。不同预热温度下，焊接参数保持一致，激光功率为5.5 kW，离焦量为0 mm，焊接速度为1.8 m/min，焊接过程所用保护气为纯氩，气体流量15 L/min。焊后采用电火花切割制作焊接接头，经质量分数为4%的硝酸酒精熔液腐蚀后，使用Olympus-GX41光学显微镜进行显微组织观察，使用维氏硬度测试仪(HVS-50)进行显微硬度测试。

2 结果与讨论

2.1 微观组织分析

室温28 ℃下所得焊接接头微观组织形貌如图2所示。可分为焊缝(WM)与热影响区(HAZ)两部分，焊缝组织呈明显的柱状晶特征，生长方向基本垂直于熔合线，这是因为该方向温度梯度大，熔池液态金属更易结晶。焊缝中心上下区域微观组织均以板条状马氏体(M)为主，夹杂较小的粒状贝氏体(B)。焊缝边缘处，马氏体等微观组织晶粒更为粗大，与热影响区间出现明显的过渡区域。热影响区中除板条马氏体外，可观察到未奥氏体化的铁素体母材(F)与细小的残余奥氏体，预热温度的改变对热影响区组织分布与形态影响较小。

图2 28 ℃下焊接接头微观组织形貌

预热温度为128 ℃时，焊接接头微观组织形貌如图3所示。研究表明，焊接熔池从800 ℃冷却至500 ℃阶段相变剧烈，对接头组织转变与力学性能起着决定性的影响[9-10]。预热温度增加会造成热量堆积，进而导致冷却阶段冷却速度降低，冷却过程中温度停留在Ms点以上的时间更长，最终导致生成的粒状贝氏体数目增加，板条状马氏体数目减少。

图3 128 ℃下焊接接头微观组织形貌

预热温度为250 ℃时，焊接接头微观组织形貌如图4所示。此时冷却速度进一步降低，焊缝中微观组织主要以贝氏体为主，焊缝中生成的马氏体依然呈板条状。此外，还出现了由板条状铁素体与条间分布的不连续碳化物构成的羽毛状上贝氏体(Bu)，由于铁素体板条间所析出的渗碳体呈脆性，上贝氏体的出现会对接头的塑性与韧性造成影响。焊缝不同区域熔宽变化如图5所示，随预热温度升高，焊缝区域不同位置处熔宽尺寸明显增加，热影响区范围也有所扩大。焊缝中马氏体组织分数与贝氏体组织分数变化曲线如图6所示，室温时，A点与C点马氏体组织分数分别可达84.4%与87.1%，预热温度为250 ℃时，其组织分数分别降低至45.9%与53.2%。对应的，贝氏体组织分数则随预热温度升高呈明显的上升趋势。

图4 250 ℃下焊接接头微观组织形貌

图5 焊缝熔宽变化图

图6 组织分数变化图

2.2 显微硬度分析

焊缝中心与焊缝边缘处显微硬度在不同预热温度下变化如图7所示。随预热温度升高，各位置点显微硬度明显下降。室温下，焊缝中心A点硬度约为406.8 HV，下方C点硬度约为419.3 HV，受熔池边界影响，焊缝边缘处硬度略有上升，B，D点位置焊缝边缘硬度分别为420 HV与437.6 HV，当预热温度升高至250 ℃时， A，C点硬度分别降低至358.6 HV与394.2 HV， B，D点则分别降低至378.1 HV与402.1 HV，由式(1)[11]可知，硬度变化与微观组织中马氏体含量变化规律保持一致。

图7 特征点显微硬度变化

(1)

式中：PiM为马氏体体积分数;α,β为拟合系数。此外，由于板材底部与支撑平台直接接触，散热条件的差异使得接头下部冷却速度快，温度梯度大，晶粒细化的同时更易生成马氏体组织，导致接头下部硬度整体高于上部。

3 结论

(1)无预热时，接头显微组织以板条状马氏体为主，夹杂粒状贝氏体。

(2)随着预热温度的升高，热量堆积会导致焊缝区域的熔宽尺寸随之增加，热影响区范围也有所增加。

(3)随着预热温度的升高，冷却速度降低，导致马氏体数目减少贝氏体数目上升。预热温度升至250 ℃时，微观组织以贝氏体为主，同时生成羽毛状上贝氏体。

(4)接头显微硬度随预热温度升高而降低，焊缝边界高于焊缝中心，接头下部整体高于上部，与马氏体组织分数变化规律保持一致。