Mn元素對Fe-Co基激光焊過渡層焊接性能的影響

張許紅,王成軍,胡偉立,李忠林

(河北省金剛石工具工程技術研究中心，河北 050035)

0 前言

激光焊接適于相同或不同材質、厚度的金屬間的焊接，激光束可以聚焦得很細，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、熱影響區小、工件變形小、焊接強度高等一系列優點，應用于金剛石工具行業已經有二十多年的歷史。

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結，前者由金屬粉體組成的工作層、過渡層復合而成。氣孔的產生主要有焊接材料、焊接工藝和保護氣體三方面的原因[1]，后兩者在實際生產中比較固定，而前者的變化較多。由于受工作層燒結工藝限制，過渡層通常不可能達到熔煉態致密度，其內部具有的燒結氣孔在焊接過程中，會加劇激光焊接氣孔的產生。工作實踐表明，激光焊過渡層的設計應首先考慮Ⅷ族元素—Fe、Co、Ni，雖然Fe與基體的可焊性最好，但純Fe的強度太低，因此通過加入與Fe臨近的Co和Ni，可以提高過渡層的可焊性和強度[2]。激光焊過渡層也可以選用單元Co、Ni，或Fe、Co、Ni的雙元、多元組配。有研究報道介紹在過渡層中加入少量的Mn，不僅產生固溶強化，增加耐磨性，焊接過程中能有效去除氧[3]，還能有效減少焊接氣孔[4]。本文以最常用的Fe-Co基過渡層作為研究對象[5]，結合生產實踐，研究Mn含量對過渡層燒結硬度、激光焊接強度、焊縫斷裂形貌和焊縫金相組織的影響，希望對激光焊過渡層的設計有所幫助。

1 實驗方法

1.1 實驗材料

激光焊接所采用鉆管的材質為20鋼，鉆管的外徑為61.5mm，壁厚為2mm，刀頭尺寸為24mm×10mm×3.5mm，配制過渡層所用Fe、Co和Mn金屬粉末的理化參數見表1所示。

1.2 實驗方案

如表2所示，將單質金屬粉體混配后，分別裝入石墨模具中，通過熱壓燒結制作純過渡層刀頭，燒結溫度為870℃，壓強為30MPa，保溫時間為1.5min。

表1 粉料物化性能參數

表2 實驗方案

1.3 焊接設備及參數

焊接設備采用德國Dr.Fritsch公司的LSM240型全自動激光焊機，最大功率為2.5kW，激光模式為基模TEM00，焊接參數如表3所示，光束偏移量規定偏向鉆管側為負值，偏向刀頭側為正值，離焦量規定在鉆管表面以下為負值，以上為正值，采用氬氣保護，豎吹5～7L/min，側吹2～3L/min。

表3 焊接參數

1.4 焊接強度檢驗

采用扭矩扳手檢測刀頭的激光焊縫結合面處的彎矩Mb，通過公式(1)來計算焊縫的彎曲強度σb。

(1)

式中，σb—焊縫的彎曲強度，MPa；

Mb—作用于焊縫結合面處的彎矩，N·m；

LV—刀頭和剛體的結合面長度，mm；

E—鋼體厚度，mm。

1.5 焊接試樣的制取

為了便于研究，試驗所用的刀頭為不含金剛石的純過渡層刀頭，焊接強度檢驗之后，用SEM掃描電鏡分析刀頭焊接面的斷裂形態，用線切割沿著垂直刀頭的方向剖開刀頭和鉆管，取包含鉆管鋼體、焊縫、過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 實驗結果與分析

2.1 Mn元素對過渡層燒結硬度和焊縫硬度的影響

真空熱壓燒結的純過渡層刀頭和焊縫的硬度測試結果見圖1所示，隨著Mn含量的增加，激光焊縫的硬度呈現直線增加的趨勢，當Mn添加量>1%時，焊縫的硬度增幅趨緩。

圖1 Mn含量對過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

純過渡層刀頭無Mn時，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；繼續增加Mn的含量，刀頭硬度的降幅減緩。有研究表明，在燒結的過程中，Mn元素的擴散需要較高的均熱溫度和較長的均熱時間，Mn在短時燒結的過程中很難達到均勻化[6]。

2.2 Mn元素對激光焊接強度的影響

不同Mn含量過渡層的焊接強度見圖2所示，隨著Mn元素的加入，在激光焊接過程中，焊縫熔池內Fe、Co、Mn元素合金化，Mn原子通過焊接面遷移并固溶于焊縫組織中，起到了固溶強化的作用。但當Mn含量過高時，焊縫強韌性將有較大的下降。從這五組實驗中可以看出，焊接強度均呈現先升后降的規律。經多次驗證，Mn的最佳添加量在1.5%左右。

圖2 Mn含量對焊接強度的影響Fig.2 The Effect of Mn content on the welding strength

2.3 Mn元素對焊縫斷裂形貌的影響

純過渡層刀頭與鉆管焊接后，焊縫產生的氣孔，會嚴重影響焊接的外觀和強度，通過SEM來觀察破壞強度檢驗之后刀頭焊縫的斷裂形貌見圖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，斷口形貌發生改變，當Mn含量在1%～1.5%時，斷口形貌明顯由脆斷轉變為韌斷，因此Mn含量控制在1%～1.5%較為適宜。

2.4 Mn含量對焊縫質量的影響

通過SEM對刀頭、鉆管和焊縫剖面進行研究，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，過渡層、基體、焊縫之間的結合界面，3#、5#就顯得比較明顯，這說明焊縫與基體、過渡層之間的互溶性不太好，這對于焊接強度來說是不利的，而4#焊縫、刀頭和基體沒有明顯的結合界面，因此4#焊縫較為理想。

2.5 Mn含量對焊縫金相組織的影響

試驗所用的鉆管為20號鋼，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

純過渡層刀頭和鉆管激光焊縫金相組織見圖6所示，由于激光焊接過程的快速熔化與快速冷卻，造成了Mn元素和Co元素引入，Mn元素是強淬透性元素，Mn元素的引入使珠光體轉變C曲線和貝氏體轉變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元素使珠光體轉變C曲線的移動幅度弱于貝氏體轉變。

從圖6的金相圖譜可以發現，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，說明此時淬透性已經達到焊接理想程度；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，殘余奧氏體的出現主要是由于Mn元素劇烈降低Ms點所致[7]。

圖6 焊縫與刀頭結合界面金相組織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，但就強度來說，馬氏體>上貝氏體>珠光體和殘余奧氏體，因此焊接強度呈現先升后降的趨勢[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#細膩，這也導致了5#的焊接強度低于4#。

3 結論

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

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

(3)隨著Mn含量的增加，激光焊縫的組織由珠光體+上貝氏體，逐漸轉變為上貝氏體+馬氏體，而且馬氏體組織的含量顯著增加;當Mn含量為1.5%時，馬氏體組織晶粒比較細膩，而當Mn含量為2%時，馬氏體組織晶粒比較粗大，使得焊接強度有所降低。