9Ni鋼激光自熔焊焊接接頭組織及性能研究

王浩，樊湘芳，袁秋林，王景琨

（南華大學機械工程學院，湖南 衡陽 421001）

0 引言

9Ni鋼強度高、低溫性能和焊接性好，價格相對低廉，廣泛地應用于各種儲運低溫液體的大型容器，其焊接工藝是LNG船低溫液罐和天然氣運輸管道建造的關鍵點和難點[1-2]。我國的LNG產業起步較晚，技術相對還比較落后，生產周期長，而且成本高，不利于國產9Ni低溫鋼的推廣及應用[3-5]。

目前9Ni鋼的焊接主要采用手工電弧焊、埋弧焊等傳統焊接方法[6-7]，坡口尺寸較大，多道焊接消耗焊材多且焊接效率較低，焊接過程易產生磁偏吹，影響焊接質量。激光焊接技術作為新興的焊接方式，提高焊接效率的同時，可節約焊材，降低成本[8-9]。與電弧加熱焊接相比，激光焊接不存在外加磁場，能夠有效避免焊接過程中產生磁偏吹。Jaewoong Kim等[10]通過板上焊道熔透形狀研究激光焊接的熔透特性，獲得了15 mm厚9%鎳鋼的最佳焊接條件。黃哲等[11]對16 mm厚度9%Ni鋼板進行了超窄間隙激光填絲焊，通過正交試驗將工藝參數與焊縫成形質量建立聯系,分析發現:側壁熔合比主要受激光功率和離焦量影響。

本文采用廣州興萊XL-F2000機器人激光焊接機嘗試對2 mm厚度9Ni鋼板材進行激光自熔焊，分析測試焊接接頭的組織和力學性能，為9Ni鋼板材的激光焊接提供試驗依據。

1 試驗條件及方法

試驗材料為調質態處理的9Ni鋼，板厚為2 mm；基材化學成分如表1所示，力學性能如表2所示；如圖1所示，其微觀組織由回火馬氏體和少量殘余奧氏體組成。

表1 9Ni鋼基材的化學成分質量分數%

表2 基材力學性能

圖1 9Ni鋼基材顯微組織

試驗采用XL-F2000機器人光纖激光焊接機，最大功率為2000 W，激光波長為1080 nm，透鏡焦距為200～250 mm，焊接方式為激光自熔焊，為避免裝夾不準確對焊接產生影響，本次試驗選用的焊接槍頭為搖擺槍頭，搖擺焊接頭結合了激光光束擺動與焊縫追蹤技術，當焊縫位置發生變化時，能夠調整焊接接頭的橫向位置，焊接工藝參數如表3所示。

表3 焊接工藝參數

對焊接試樣進行線切割取樣、鑲嵌、打磨、拋光、腐蝕，腐蝕試劑為4%體積分數的硝酸酒精溶液。利用金相顯微鏡觀察試樣不同區域的組織；利用HVS-1000AV型顯微硬度計檢測焊接接頭各個位置的顯微硬度，測試載荷為200 g，保載時間為10 s，點間距為0.2 mm；利用PWSE100型萬能力學試驗機進行拉伸試驗，拉伸試樣尺寸如圖2所示；利用TESCAN MIRA3 LMU型號JSM-6701F掃描電子顯微鏡分析斷口的微觀形貌。

圖2 拉伸試樣尺寸

2 試驗結果及分析

2.1 接頭組織形貌

焊接接頭組織形貌如圖3～圖5所示。如圖3所示，焊接接頭宏觀形貌良好，無氣孔等缺陷。如圖4（a）、圖5（a）所示,熔合線兩側的熱影響區與焊縫組織形貌有明顯差異；如圖4（b）、圖5（b）所示,焊縫中心的組織主要由馬氏體與針狀鐵素體組成，中心結晶形態為等軸晶，兩側為柱狀樹枝晶結構，枝狀晶生長方向指向焊縫中心，產生該形貌是因為焊縫中心溫度高，且相比于焊縫邊緣位置，焊縫中心對于基材的傳熱更慢，冷卻和凝固比其他位置要慢，枝狀晶的生長又存在擇優取向性，隨溫度梯度升高擇優生長，故枝狀晶指向焊縫中心生長；如圖4（c）、圖5（c）所示，熱影響區的組織為粗大的板條狀馬氏體和殘余奧氏體，主要由基材中的奧氏體經過高溫處理后快速冷卻產生。

圖3 接頭宏觀形貌

圖4 接頭不同位置微觀組織金相圖像

圖5 接頭不同位置微觀組織SEM圖像

2.2 接頭力學性能

圖6為焊接接頭顯微硬度分布圖。由圖6可知，隨著測試點距焊縫中心距離的增加，硬度呈現先上升、后急劇下降的趨勢，在熱影響區達到硬度峰值390 HV，在基材位置達到最低值240 HV，焊縫硬度值為350 HV略低于峰值。熱影響區組織由粗大的板條狀馬氏體和殘余奧氏體組成，具有較高的硬度；而焊縫區的針狀鐵素體具備較高的韌性，但硬度相對較低，故產生圖示硬度曲線。

圖6 焊接接頭各區域顯微硬度分布

表4為拉伸試驗結果，圖8為拉伸試驗應力應變曲線。由表4可知各拉伸試驗試樣屈服強度和抗拉強度；由圖7可看出斷裂位置在遠離焊縫的基材處，且存在縮頸現象，韌性斷裂特征明顯。綜上可知，焊接接頭整體拉伸性能優于基材標準力學性能，且由斷裂位置可知焊縫拉伸性能優于基材。

表4 拉伸試驗結果

圖7 拉伸試樣斷裂宏觀形貌

圖8 拉伸試驗應力應變曲線

接頭拉伸斷口形貌如圖9所示。由圖9（a）斷口宏觀形貌可看出，拉伸試樣斷口分別由切唇區、纖維區組成，且斷口表面沒有出現脆性斷裂的特征，從圖9（b）、圖9（c）可以看出斷口形狀不規則且出現大量韌窩，韌窩產生的原因是拉伸試驗時所加載荷臨界于焊接接頭材料的屈服強度時，材料發生塑性變形，材料內部夾雜物和晶體等其它范性形變不連續的區域發生滑移位錯，致使應力集中，產生微孔[12]。

圖9 拉伸斷口形貌

3 結論

1）采用激光自熔焊，可以獲得性能良好的9Ni鋼焊接接頭，拉伸試樣斷裂位置均在遠離焊縫的基材處，且為韌性斷裂。

2）焊縫中心的組織主要以馬氏體與針狀鐵素體組成，中心結晶形態為等軸晶，兩側為柱狀樹枝晶結構，枝狀晶生長方向指向焊縫中心，熱影響區的組織為粗大的板條狀馬氏體和殘余奧氏體。

3）隨著測試點至焊縫中心距離的增加，硬度呈現先上升后急劇下降的趨勢，在熱影響區達到硬度峰值390 HV，在基材位置達到最低值240 HV，焊縫硬度值為350 HV略低于峰值，焊接接頭整體拉伸性能優于基材標準力學性能，且由斷裂位置在基材處可知焊縫拉伸性能優于基材。