40Mn18Cr4V無磁鋼激光焊接頭組織和硬度分析

鄭江鵬 鐘如濤 宋 暢 牟文廣

(武漢鋼鐵(集團)公司研究院 湖北 武漢：430080)

0 引言

高錳無磁鋼是用Mn代替Ni而開發(fā)的一種奧氏體低磁材料，廣泛應用于大中型變壓器中鐵芯拉桿、油箱壁、法蘭等要求無磁的部件的制造，能有效地提高設備性能，降低制造成本。40Mn18Cr4V鋼是一種新開發(fā)的高錳無磁鋼，通過合理控制鋼中各元素含量，并通過沉淀強化的熱處理方法，使奧氏體基體中析出彌散分布的第二相，對鋼的基體起強化作用，使得該鋼具有強度高(可達1200MPa)和足夠的韌性以及低磁性(相對磁導率μ≤1.02)等特點[1]。由于母材強度較高，同時又要求焊接后焊縫與母材一樣保持無磁性，即要求焊縫組織應保證純奧氏體或奧氏體加少量鐵素體，因此，該鋼種對焊接材料有較高要求，目前市場上專門40Mn18Cr4V鋼的焊接材料還較少，而Cr-Ni系奧氏體不銹鋼焊材一般均達不到強度要求。為充分發(fā)揮40Mn18Cr4V鋼的優(yōu)異性能，亟需開發(fā)與之相匹配的焊接材料。此外，該鋼種的激光焊接還未見報道。為研究該鋼種的激光焊接接頭組織性能，探討使用與母材相同成分的焊接材料所得到的焊縫組織能否滿足性能要求，本文設計了三種不同激光對接焊工藝，使用金相分析和顯微硬度分析的方法對激光對接接頭的組織和硬度進行了分析，討論了不同焊接工藝對接頭組織性能的影響，為該鋼種焊接材料的開發(fā)及激光焊接工藝研究提供參考。

1 材料和試驗方法

1.1 試驗材料

本次試驗所用的母材是40Mn18Cr4V高錳無磁鋼板，規(guī)格12mm,鋼板化學成分及力學性能分別如表1、2所示。圖1是40Mn18Cr4V鋼母材金相組織，可以看出母材金相組織為包含孿晶的奧氏體，在晶界和晶內上還有沉淀相析出。

圖1 40Mn18Cr4V鋼母材金相組織

表1 40Mn18Cr4V鋼板化學成分

表2 40Mn18Cr4V鋼板力學性能

1.2 試驗方法

為方便試驗，本試驗中只使用一塊鋼板模擬激光對接焊縫(相當于兩塊鋼板無縫對接)，試驗采用的激光器IPG5000光纖激光器，焊前對鋼板表面進行清理，除去油污、鐵銹等雜物，分別采用三組不同線能量的連續(xù)激光對鋼板進行對接焊，焊接方向平行于軋制方向，焊接過程中不填絲，工藝參數(shù)如表3所示。將焊接后的試板沿垂直于焊接方向取焊接接頭金相試樣，對應編號為a、b、c，用金相顯微鏡對試樣作金相分析，腐蝕劑為5%硝酸酒精；用顯微硬度計測試試樣顯微硬度，試驗載荷100g。

表3 焊接工藝參數(shù)

2 試驗結果及分析

2.1 接頭金相組織分析

對a、b、c三個試樣進行了金相分析。圖1中(a)、(b)、(c)所示是焊接接頭宏觀照片，可以看出三道焊縫均有凸起，但焊接過程中并沒有填絲，這說明焊縫組織發(fā)生了相變，已不是單一的奧氏體組織。隨著線能量不同三道焊縫熔深和熔寬均有差異，對比圖(a)和圖(b)可以看出，焊接速度相同時，隨著峰值功率的增加，激光焊熔深明顯增加，但對熔寬影響卻很小；對比圖(b)和圖(c)可以看出，峰值功率相同時，隨著焊接速度的增加，熔寬顯著減小，而熔深則幾乎不變。這說明激光焊接中焊接速度主要影響熔寬，而峰值功率則主要影響熔深。

圖3、4從左至右依次是a試樣、b試樣、c試樣的焊縫和熱影響區(qū)金相組織照片，可以看出焊縫組織均為奧氏體+δ鐵素體，由于δ鐵素體是體心立方結構，而母材奧氏體組織為面心立方結構，凝固過程中形成的鐵素體相造成焊縫顯微組織體積增加，宏觀表現(xiàn)為焊縫金屬凸起。焊接熱影響區(qū)金相組織是奧氏體加沉淀析出相，但該組織形貌已與母材有所不同，奧氏體晶粒中孿晶也基本完全消失，同時在熱循環(huán)的作用下相當于對母材進行了一次固溶熱處理，奧氏體晶粒中部分沉淀相溶解，重新固溶于奧氏體基體，起到固溶強化效果；對比三組試樣，可以看出試樣b的熱影響區(qū)和焊縫組織較粗，試樣a次之，試樣 c最細，這是由于隨熱輸入的增大，奧氏體晶粒粗化。

圖2 不同線能量的熔焊接頭宏觀照片

圖3 焊縫金相組織

2.2 接頭顯微硬度分析

圖5、6、7是接頭顯微硬度，圖中BM表示母材(Base Metal)，WM表示焊縫(Weld Metal)。可以看出母材的顯微硬度在360HV左右，焊縫和熱影響區(qū)硬度較母材均有所降低，a、b、c三種工藝條件下焊縫最低硬度分別為270HV、260HV、280HV，隨著熱輸入的增加焊縫最低硬度較母材下降越多。

圖4 熱影響區(qū)金相組織

圖5 試樣a顯微硬度

圖6 試樣b顯微硬度

圖7 試樣c顯微硬度

由于激光焊接過程中冷卻速度快，Cr、V等的碳化物來不及析出，不能像母材那樣產生沉淀強化效果，此外焊縫金屬中形成了大量的δ鐵素體，其強度和硬度較低[2]，故焊縫金屬硬度指標較母材有所降低。而與熔合線臨近的熱影響區(qū)則在熱循環(huán)的作用下，部分碳化物溶解固溶于奧氏體基體，因此硬度較母材有略有下降。

3 討論

根據前面的分析可知40Mn18Cr4V鋼激光焊接焊縫組織與母材相比明顯不同，焊縫顯微硬度較母材也下降較多，焊縫金屬中除了形成奧氏體外，還含有較多樹枝狀的的δ鐵素體，奧氏體焊縫中少量的δ鐵素體有利于細化晶粒，打亂奧氏體粗大柱狀晶的方向性；同時，δ鐵素體能比γ相溶解更多S、P，對于提高焊縫的抗熱裂能力有利[3]。但根據無磁鋼焊接技術要求，母材相對磁導率μ≤1.02，則焊縫也應該有抗磁性，即應盡量控制焊縫金屬中有磁性的δ鐵素體的含量。而前面的試驗分析表明，激光對接焊焊縫中有大量的δ鐵素體形成，同時接頭強度下降明顯，這說明該鋼種不適于用激光焊接，只有使用激光填絲復合焊接才有可能滿足技術要求。但如果使用與40Mn18Cr4V鋼成分完全相同的焊絲匹配該鋼種激光復合焊接時，焊縫同樣不能滿足無磁鋼焊接的要求，需要進一步優(yōu)化焊絲成分，避免焊縫金屬中出現(xiàn)過量的δ鐵素體及焊縫硬度下降過多。

4 結論

(1)激光對接焊焊縫中會形成較多的δ鐵素體，造成了顯微組織體積增加，宏觀表現(xiàn)為焊縫凸起。

(2)焊縫和熱影響區(qū)顯微硬度較母材均降低，焊縫硬度下降更明顯，隨熱輸入增加，焊縫硬度降低越多。

(3)激光對接焊不適合于40Mn18Cr4V鋼的焊接，只有使用激光填絲焊才有可能滿足技術要求，同時所使用的焊絲成分也不能與母材成分完全相同。

[1] 王敏，周梅超，姚長貴.高錳無磁鋼50Mn18Cr4V的研究[J].熱加工工藝，2008,37(18)：69-71.

[2] P.H.S.Cardos，etc.The influence of delta ferrite in the lSl416 stainless steel hot-workability[J]．Materials Science and Engineering,A351(2003):1-8．

[3] 潘春旭.異種鋼及異種金屬焊接[M].北京：人民交通出版社，2000.