Mn元素對(duì)Fe-Co基激光焊過(guò)渡層焊接性能的影響

張?jiān)S紅,王成軍,胡偉立,李忠林

(河北省金剛石工具工程技術(shù)研究中心，河北 050035)

0 前言

激光焊接適于相同或不同材質(zhì)、厚度的金屬間的焊接，激光束可以聚焦得很細(xì)，其光斑具有很高的能量密度，幾乎可以氣化所有的材料，有廣泛的適用性。激光焊接具有焊接精度高、效率高、焊縫窄、熱影響區(qū)小、工件變形小、焊接強(qiáng)度高等一系列優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于金剛石工具行業(yè)已經(jīng)有二十多年的歷史。

金剛石工具刀頭與基體之間的激光焊焊接屬于異種母材熔化聯(lián)結(jié)，前者由金屬粉體組成的工作層、過(guò)渡層復(fù)合而成。氣孔的產(chǎn)生主要有焊接材料、焊接工藝和保護(hù)氣體三方面的原因[1]，后兩者在實(shí)際生產(chǎn)中比較固定，而前者的變化較多。由于受工作層燒結(jié)工藝限制，過(guò)渡層通常不可能達(dá)到熔煉態(tài)致密度，其內(nèi)部具有的燒結(jié)氣孔在焊接過(guò)程中，會(huì)加劇激光焊接氣孔的產(chǎn)生。工作實(shí)踐表明，激光焊過(guò)渡層的設(shè)計(jì)應(yīng)首先考慮Ⅷ族元素—Fe、Co、Ni，雖然Fe與基體的可焊性最好，但純Fe的強(qiáng)度太低，因此通過(guò)加入與Fe臨近的Co和Ni，可以提高過(guò)渡層的可焊性和強(qiáng)度[2]。激光焊過(guò)渡層也可以選用單元Co、Ni，或Fe、Co、Ni的雙元、多元組配。有研究報(bào)道介紹在過(guò)渡層中加入少量的Mn，不僅產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，增加耐磨性，焊接過(guò)程中能有效去除氧[3]，還能有效減少焊接氣孔[4]。本文以最常用的Fe-Co基過(guò)渡層作為研究對(duì)象[5]，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，研究Mn含量對(duì)過(guò)渡層燒結(jié)硬度、激光焊接強(qiáng)度、焊縫斷裂形貌和焊縫金相組織的影響，希望對(duì)激光焊過(guò)渡層的設(shè)計(jì)有所幫助。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

激光焊接所采用鉆管的材質(zhì)為20鋼，鉆管的外徑為61.5mm，壁厚為2mm，刀頭尺寸為24mm×10mm×3.5mm，配制過(guò)渡層所用Fe、Co和Mn金屬粉末的理化參數(shù)見(jiàn)表1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

如表2所示，將單質(zhì)金屬粉體混配后，分別裝入石墨模具中，通過(guò)熱壓燒結(jié)制作純過(guò)渡層刀頭，燒結(jié)溫度為870℃，壓強(qiáng)為30MPa，保溫時(shí)間為1.5min。

表1 粉料物化性能參數(shù)

表2 實(shí)驗(yàn)方案

1.3 焊接設(shè)備及參數(shù)

焊接設(shè)備采用德國(guó)Dr.Fritsch公司的LSM240型全自動(dòng)激光焊機(jī)，最大功率為2.5kW，激光模式為基模TEM00，焊接參數(shù)如表3所示，光束偏移量規(guī)定偏向鉆管側(cè)為負(fù)值，偏向刀頭側(cè)為正值，離焦量規(guī)定在鉆管表面以下為負(fù)值，以上為正值，采用氬氣保護(hù)，豎吹5～7L/min，側(cè)吹2～3L/min。

表3 焊接參數(shù)

1.4 焊接強(qiáng)度檢驗(yàn)

采用扭矩扳手檢測(cè)刀頭的激光焊縫結(jié)合面處的彎矩Mb，通過(guò)公式(1)來(lái)計(jì)算焊縫的彎曲強(qiáng)度σb。

(1)

式中，σb—焊縫的彎曲強(qiáng)度，MPa；

Mb—作用于焊縫結(jié)合面處的彎矩，N·m；

LV—刀頭和剛體的結(jié)合面長(zhǎng)度，mm；

E—鋼體厚度，mm。

1.5 焊接試樣的制取

為了便于研究，試驗(yàn)所用的刀頭為不含金剛石的純過(guò)渡層刀頭，焊接強(qiáng)度檢驗(yàn)之后，用SEM掃描電鏡分析刀頭焊接面的斷裂形態(tài)，用線切割沿著垂直刀頭的方向剖開(kāi)刀頭和鉆管，取包含鉆管鋼體、焊縫、過(guò)渡層刀頭的部分作為分析試樣。拋光后，先采用SEM掃描電鏡分析焊縫的形貌，再采用3%的硝酸酒精溶液腐蝕后，在200倍鏡下觀察其金相組織。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 Mn元素對(duì)過(guò)渡層燒結(jié)硬度和焊縫硬度的影響

真空熱壓燒結(jié)的純過(guò)渡層刀頭和焊縫的硬度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1所示，隨著Mn含量的增加，激光焊縫的硬度呈現(xiàn)直線增加的趨勢(shì)，當(dāng)Mn添加量>1%時(shí)，焊縫的硬度增幅趨緩。

圖1 Mn含量對(duì)過(guò)渡層和焊縫硬度的影響Fig.1 The Effect of Mn content on the hardness of the backing and the welded seam

純過(guò)渡層刀頭無(wú)Mn時(shí)，刀頭的硬度最高，隨著Mn的加入，刀頭的硬度降低，加入0.5%的Mn，刀頭硬度由97HRB降低到92HRB；繼續(xù)增加Mn的含量，刀頭硬度的降幅減緩。有研究表明，在燒結(jié)的過(guò)程中，Mn元素的擴(kuò)散需要較高的均熱溫度和較長(zhǎng)的均熱時(shí)間，Mn在短時(shí)燒結(jié)的過(guò)程中很難達(dá)到均勻化[6]。

2.2 Mn元素對(duì)激光焊接強(qiáng)度的影響

不同Mn含量過(guò)渡層的焊接強(qiáng)度見(jiàn)圖2所示，隨著Mn元素的加入，在激光焊接過(guò)程中，焊縫熔池內(nèi)Fe、Co、Mn元素合金化，Mn原子通過(guò)焊接面遷移并固溶于焊縫組織中，起到了固溶強(qiáng)化的作用。但當(dāng)Mn含量過(guò)高時(shí)，焊縫強(qiáng)韌性將有較大的下降。從這五組實(shí)驗(yàn)中可以看出，焊接強(qiáng)度均呈現(xiàn)先升后降的規(guī)律。經(jīng)多次驗(yàn)證，Mn的最佳添加量在1.5%左右。

圖2 Mn含量對(duì)焊接強(qiáng)度的影響Fig.2 The Effect of Mn content on the welding strength

2.3 Mn元素對(duì)焊縫斷裂形貌的影響

純過(guò)渡層刀頭與鉆管焊接后，焊縫產(chǎn)生的氣孔，會(huì)嚴(yán)重影響焊接的外觀和強(qiáng)度，通過(guò)SEM來(lái)觀察破壞強(qiáng)度檢驗(yàn)之后刀頭焊縫的斷裂形貌見(jiàn)圖3所示，1#焊縫存在大量的氣孔，隨著Mn含量的增加，焊縫氣孔的數(shù)量明顯減少，其原因主要是Mn為脫氣性元素，在激光焊接的過(guò)程中，可以起凈化焊縫熔池的作用。從圖3的焊縫斷口形貌可以看出，1#斷口韌窩較少，斷裂形式為脆斷；隨著Mn元素的加入，斷口形貌發(fā)生改變，當(dāng)Mn含量在1%～1.5%時(shí)，斷口形貌明顯由脆斷轉(zhuǎn)變?yōu)轫g斷，因此Mn含量控制在1%～1.5%較為適宜。

2.4 Mn含量對(duì)焊縫質(zhì)量的影響

通過(guò)SEM對(duì)刀頭、鉆管和焊縫剖面進(jìn)行研究，如圖4所示：1#焊縫和2#焊縫存在明顯夾渣缺陷；而3#、4#、5#焊縫，過(guò)渡層、基體、焊縫之間的結(jié)合界面，3#、5#就顯得比較明顯，這說(shuō)明焊縫與基體、過(guò)渡層之間的互溶性不太好，這對(duì)于焊接強(qiáng)度來(lái)說(shuō)是不利的，而4#焊縫、刀頭和基體沒(méi)有明顯的結(jié)合界面，因此4#焊縫較為理想。

2.5 Mn含量對(duì)焊縫金相組織的影響

試驗(yàn)所用的鉆管為20號(hào)鋼，其金相組織如圖5所示，金相組成為鐵素體和珠光體。

圖3 焊縫斷裂形貌Fig.3 The Fracture morphology of welded seam

圖4 焊縫剖面形貌Fig.4 The profile morphology of welded seam

圖5 焊接鉆管金相組織Fig.5 The metallographic structure of the steel tube

純過(guò)渡層刀頭和鉆管激光焊縫金相組織見(jiàn)圖6所示，由于激光焊接過(guò)程的快速熔化與快速冷卻，造成了Mn元素和Co元素引入，Mn元素是強(qiáng)淬透性元素，Mn元素的引入使珠光體轉(zhuǎn)變C曲線和貝氏體轉(zhuǎn)變C曲線右移；而Co元素的作用與Mn元素的作用恰好相反，但是Co元素使珠光體轉(zhuǎn)變C曲線的移動(dòng)幅度弱于貝氏體轉(zhuǎn)變。

從圖6的金相圖譜可以發(fā)現(xiàn)，1#不加Mn元素的焊縫金相組織為：珠光體+上貝氏體+馬氏體，馬氏體含量較少；2#加0.5%Mn含量的焊縫金相組織為：珠光體+上貝氏體+馬氏體，馬氏體含量增加；3#加1.0%Mn含量的焊縫金相組織為：珠光體+上貝氏體+馬氏體，珠光體含量較少；4#加1.5%Mn含量的焊縫金相組織為：上貝氏體+馬氏體，說(shuō)明此時(shí)淬透性已經(jīng)達(dá)到焊接理想程度；5#加2.0%Mn含量的焊縫金相組織為：上貝氏體+馬氏體+殘余奧氏體，殘余奧氏體的出現(xiàn)主要是由于Mn元素劇烈降低Ms點(diǎn)所致[7]。

圖6 焊縫與刀頭結(jié)合界面金相組織Fig.6 The Metallographic structure of interface between the welded seam and the segment

就特定材料而言，組織決定性能，但就強(qiáng)度來(lái)說(shuō)，馬氏體>上貝氏體>珠光體和殘余奧氏體，因此焊接強(qiáng)度呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)[8]。另外，比較4#和5#的焊縫組織，馬氏體的含量都比較多，但4#馬氏體組織晶粒較5#細(xì)膩，這也導(dǎo)致了5#的焊接強(qiáng)度低于4#。

3 結(jié)論

(1)隨著Mn含量的增加，激光焊縫、過(guò)渡層的硬度會(huì)出現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)：激光焊縫的硬度漸升，而過(guò)渡層硬度逐漸降低，且隨著Mn含量的提升，激光焊接強(qiáng)度則是先升后降。

(2)當(dāng)Mn含量<1%時(shí)，焊縫斷裂形式為脆性斷裂，而當(dāng)Mn含量在1%～1.5%時(shí)，焊縫斷裂形式為韌性斷裂，Mn含量為1.5%時(shí)，激光焊縫內(nèi)殘留氣孔的數(shù)量最低，焊接強(qiáng)度最高。

(3)隨著Mn含量的增加，激光焊縫的組織由珠光體+上貝氏體，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樯县愂象w+馬氏體，而且馬氏體組織的含量顯著增加;當(dāng)Mn含量為1.5%時(shí)，馬氏體組織晶粒比較細(xì)膩，而當(dāng)Mn含量為2%時(shí)，馬氏體組織晶粒比較粗大，使得焊接強(qiáng)度有所降低。