熱處理工藝對45#鋼激光焊接接頭性能的影響

王 威，張永強，鞠建斌，汪小培，楊建煒

（首鋼技術研究院，北京100043）

熱處理工藝對45#鋼激光焊接接頭性能的影響

王 威，張永強，鞠建斌，汪小培，楊建煒

（首鋼技術研究院，北京100043）

進行激光焊接接頭的熱處理實驗，分析不同熱處理工藝對45#鋼激光焊接接頭性能的影響。結果表明，45#鋼激光焊接接頭的最優熱處理工藝為：熱處理溫度700℃、熱處理時間10 min。在此熱處理工藝下，45#鋼激光焊接接頭從焊縫中心到熱影響區的組織過渡均勻，顯微硬度顯著降低且分布均勻，消除了焊接接頭的軟化區，提高了激光焊接接頭的整體性能。

熱處理；45#鋼；激光焊接；焊接接頭

0 前言

碳鋼的焊接性主要取決于冷裂紋敏感性、焊接接頭韌性等，冷裂紋敏感性主要取決于母材的化學成分及焊縫中溶解氫的含量和拘束度等條件，焊接接頭的韌性主要與母材成分、焊接熱過程、焊后熱處理等因素有關[1]。與傳統焊接方法相比，激光焊接具有深寬比大、焊縫窄、焊縫結合強度高、熱影響區小、焊接變形小及對周圍組織無影響等特點而得到廣泛應用[2]。

45#鋼作為中碳優質碳素結構鋼，因其優良的切削加工性能廣泛應用于裝備制造業[3]，但45#鋼的碳含量為0.42％～0.50％，碳當量CE為0.50％～0.60％，如此高的碳含量和碳當量帶來的主要問題是其激光焊接接頭容易出現淬硬組織，造成焊接接頭局部強度的提高、脆化、硬化，顯著增加激光焊接接頭的冷裂紋敏感性，所以需要增加合理的焊后熱處理工藝，消除激光焊接過程中的冷裂紋傾向。通過研究不同熱處理工藝對45#鋼激光焊接接頭性能的影響，確定合理的焊后熱處理制度，提高激光焊接接頭的韌性，獲得優質激光焊縫。

1 試驗材料和方法

試驗材料為2.0 mm厚的45#鋼薄板，選材的主要化學成分和力學性能如表1所示。

表1 45#鋼的主要化學成分及力學性能（厚度2.0 mm）

使用4 400 W的YAG固體激光器進行激光焊接，焊前用丙酮清洗試樣，采用氬氣作為保護氣，經過激光焊接參數的優化，確定的激光焊接工藝參數如表2所示。

表2 激光焊接工藝參數

采用最優激光焊接工藝參數制備焊接接頭試樣，然后在熱處理爐中對激光焊接接頭進行焊后熱處理，焊接接頭的熱處理工藝如表3所示。

表3 激光焊接接頭的熱處理工藝參數

對經過熱處理后的焊接接頭與未經熱處理的試樣進行金相分析、顯微硬度測試和杯突性能測試，分析不同熱處理工藝參數對45#鋼激光焊接接頭的優化效果。

2 試驗結果和分析

2.1 激光焊接接頭的金相組織分析

金相組織分析在Leica DMI5000M金相顯微鏡上進行，采用4％的硝酸酒精進行侵蝕，得到如圖1所示的熱處理前后的焊接接頭金相組織。可以看出，未經過熱處理的試樣焊縫中心組織主要是片狀馬氏體組織，其熱影響區較窄，呈典型的過渡狀態，主要由馬氏體組織和珠光體組成。經過500℃熱處理后，焊縫中心和熱影響區的馬氏體組織有細化的傾向，但是未發生顯著變化，依舊比較粗大。隨著熱處理溫度的升高、時間的延長，焊縫中心和熱影響區的馬氏體組織逐漸細化為針狀馬氏體組織，且逐漸出現回火索氏體組織，二者分布也逐漸均勻，有利于提高焊縫整體性能。

2.2 顯微硬度測試

顯微硬度測試在Leica HXHXD-1000TM顯微硬度儀上進行，得到如圖2所示的45#鋼激光焊接接頭的顯微硬度分布。

圖1 激光焊接接頭的顯微金相組織

由圖2a可知，未經熱處理的激光焊接接頭，基材顯微硬度值均為210 HV，焊縫中心的平均顯微硬度值為700HV，是基材顯微硬度值的3.3倍，且焊接接頭的熱影響區出現低于基材軟化點，過大的硬度差異和熱影響區的局部軟化極易在沖壓過程中出現沿熱影響區開裂的問題。隨著熱處理溫度的逐漸升高，焊接接頭的顯微硬度值逐漸降低，在熱處理溫度為700℃時達到最優狀態，即焊縫中心的平均顯微硬度值為380 HV，為基材顯微硬度值的1.8倍，且接頭從焊縫中心到熱影響區的過渡均勻，焊接接頭的熱處理效果較好。

由圖2b可知，熱處理溫度為700℃時，隨著熱處理時間的增加，焊接接頭的顯微硬度值呈現先增加后穩定的趨勢，即在保溫10 min和15 min時熱處理效果基本相當，因此可確定熱處理時間為10 min是適宜的熱處理時間。

圖2 45#鋼激光焊接接頭的顯微硬度分布

圖3 不同熱處理工藝時焊接接頭杯突破壞形貌

45#鋼激光焊接接頭的最優熱處理工藝為熱處理溫度700℃、熱處理時間10 min，在此熱處理工藝下，45#鋼激光焊接接頭從焊縫中心到熱影響區的過渡均勻，且消除了焊接接頭的軟化區，提高了激光焊接接頭的整體性能。

2.3 杯突成形性能

杯突成形試驗可以直觀地判斷激光焊接接頭的機械性能，是快速檢測激光焊接接頭質量的方法之一。對比焊縫杯突開裂的方向與標準開裂的方向來定性判斷焊縫質量是否合格[4]，如果開裂方向垂直于焊縫，則合格；如開裂沿焊縫方向延伸，則不合格。

不同熱處理工藝時焊接接頭的杯突破壞形貌如圖3所示。1#、2#、4#試樣和未經熱處理試樣的焊接接頭在杯突成形試驗時的主要開裂均沿焊縫方向延伸，說明激光焊縫的成形性能低于基材，需要進一步優化熱處理工藝來改善焊接接頭的性能。3#試樣和5#試樣在杯突成形試驗時主要開裂均垂直于焊縫，說明焊接接頭的性能與基材相近，熱處理工藝有效優化了焊接接頭的組織分布和顯微硬度分布，提高了焊接接頭的整體機械性能。

3 結論

（1）45#鋼激光焊接接頭的最優熱處理工藝為：熱處理溫度700℃、熱處理時間10 min。

（2）在此熱處理工藝下，45#鋼激光焊接接頭從焊縫中心到熱影響區的組織過渡均勻，顯微硬度顯著降低且分布均勻，消除了焊接接頭的軟化區，提高了激光焊接接頭的整體性能。

[1]吳海龍.45#鋼的焊接性的研究[J].科技創新與應用，2013（25）：130.

[2]閆毓禾，鐘敏霖．高功率激光加工及其應用[M]．天津：天津科學技術出版社，1994：34-36.

[3]孔建，姜明國.45#鋼熱處理工藝常見問題及其預防措施[J].裝備制造技術，2013（4）：117-119.

[4]閻啟.激光焊接速度對熱軋鋼板焊縫質量的影響[J]．機械工程材料，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，工程師，在讀碩士，主要從事汽車板的焊接技術研究和生產線的焊接裝備保障工作。