焊后熱處理對31CrMoV9鋼電子束焊接接頭組織及性能的影響

樊 洋，楊明華，陳凱敏，孫丙巖

(中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司，江蘇 常州 213011)

31CrMoV9鋼屬于歐標EN10085中的中碳合金結構鋼，調質和滲氮后能夠提高其強韌性、硬度、耐磨性、抗腐蝕性等力學性能，所以該鋼種近幾年應用的領域越來越廣泛[1]，常用于制造液壓驅動軸類部件，也用于聯軸節、風電內齒圈等服役過程中經受交變應力的零件。真空電子束焊的焊縫質量好、精度高、熱影響區小、深寬比大，零件變形小，適用于精密零件制造，如機車聯軸器、航空傳動件、汽車傳動齒輪等。31CrMoV9鋼用于電子束焊接制造的聯軸節，因其碳當量較高，所以采取焊前預熱、焊后緩冷來降低焊接接頭組織的淬硬傾向，避免焊接過程中裂紋傾向，同時通過及時進行焊后熱處理，消除焊接應力，以避免產生焊接裂紋[2]。焊后熱處理通常采用去應力退火處理，但對于對焊接接頭沖擊性能要求較高的零部件，僅通過焊后去應力退火處理仍無法滿足要求。因此為研究如何提高電子束焊接接頭性能，本文對兩種不同焊后熱處理狀態下31CrMoV9鋼電子束焊接接頭及其母材的力學性能進行了對比，并對不同狀態的焊縫接頭的組織形貌進行了對比研究，以探討可行的焊后熱處理工藝用于指導生產實踐。

1 試驗材料及方法

本試驗所用試樣為外徑φ300 mm，壁厚30 mm的鍛制圓環，材質為31CrMoV9鋼，化學成分如表1所示。試樣經鍛造、正火后，進行調質處理，組織為回火索氏體，平均晶粒度為8.0級。焊前經精車加工出對接鎖底部位，對接面清洗去除污物后，采用高壓真空電子束焊機焊接，采用對接接頭，焊后對試樣及時進行熱處理，工藝按表2執行。熱處理后對焊縫部位進行X射線和超聲波無損探傷檢驗，焊縫合格后取樣檢測。

表1 31CrMoV9鋼的化學成分(質量分數，%)

表2 焊后熱處理工藝

沿垂直于焊縫的方向取樣，焊縫金相試樣磨拋后，用體積分數為4%硝酸酒精溶液腐蝕，然后在OBSERVER.A1M型光學顯微鏡上觀察焊縫及母材組織。每種狀態分別加工2個光滑拉伸及3個標準沖擊試樣，沖擊試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，沖擊試樣缺口位置在焊縫中心，V型缺口深度為2 mm。室溫拉伸在CMT5205型電子萬能試驗機上依據GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》進行；室溫沖擊試驗在PIT452C-1型單立柱指針式金屬擺錘沖擊試驗機上依據GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》進行。焊接接頭顯微硬度在402MVD型顯微維氏硬度計上依據GB/T 27552—2011《金屬材料焊縫破壞性試驗 焊接接頭顯微硬度試驗》進行，載荷砝碼為1 kg。

2 試驗結果及分析

2.1 組織分析

從圖1(a)焊縫的宏觀腐蝕形貌可以看出，焊縫截面成形較好，未見明顯的氣孔等缺陷，宏觀上焊縫呈上寬下窄的細釘狀，深寬比達10∶1，這也是電子束焊的優勢所在。焊縫基本近似于平行焊縫，鎖底部位略有收窄。焊縫的截面形狀與加速電壓、電子束電流、焊接速度、工作距離等工藝規范參數及真空室壓力有關，電子束是非線熱源和線熱源的疊加，沿厚度方向形成上高下低的溫度場分布特征，這是形成上寬下窄“釘”形焊縫的主要原因[3]。

圖1 31CrMoV9鋼焊接接頭焊縫形貌

從圖1(b)可見，焊縫中心區域結晶形態為相對細小的等軸晶，焊縫中心兩側至熔合線則為明顯的粗大柱狀晶。在熱影響區部分奧氏體晶粒有一定程度的長大，但并不明顯，見圖2(a)。焊縫熔合后，熔池金屬冷卻速度快，晶核通常在熔合區尚未完全熔化的基體金屬的晶粒表面產生，并以柱狀晶的形態不斷生長，一直生長到焊縫中心，形成粗大的柱狀晶形態[4]。

31CrMoV9鋼中Cr元素含量較高，具有良好的淬透性，焊縫金屬冷卻速度很大，凝固冷卻后組織主要為淬火板條馬氏體及少量的殘留奧氏體，如圖3(a，b)所示。焊縫再經表2中工藝2去應力退火處理后，淬火態的板條馬氏體束轉變為回火索氏體，焊縫區柱狀晶的形態仍然十分清晰，如圖3(c，d)所示。圖3(e，f)為焊縫經調質處理后的形貌，焊縫調質后組織為回火索氏體。雖經完全奧氏體化，但并未能完全消除粗大的柱狀晶形貌，微觀上樹枝晶組織仍然可見，但已經不明顯。重新加熱奧氏體化可使部分柱狀晶在重新形核后得到細化，如圖2(b)所示，晶界及晶內的成分相對均勻化。淬火后的高溫回火使板條馬氏體析出彌散碳化物，從而使柱狀晶的形態變模糊[5]。

圖3 不同焊后熱處理態31CrMoV9鋼焊接接頭的顯微組織

2.2 焊接接頭顯微硬度

從圖4不同狀態的焊縫區及兩側母材的顯微硬度梯度可以看出，在焊后未經熱處理時，焊縫區硬度明顯高于兩側母材，具體分布為焊縫中心區兩側的柱狀晶區硬度最高，為550～560 HV，相比之下焊縫中心的等軸晶區硬度則稍低，可能與焊縫中心區冷卻條件或結晶形態相關，該部分為完全淬火區，顯然為淬火馬氏體硬度。同樣的，在靠近熔合線的熱影響區，也存在Ac1～Ac3溫度之間的不完全淬火區。而在靠近母材的熱影響區，因母材在焊前是調質態，當溫度超過母材調質回火溫度時即發生回火軟化，從而使得顯微硬度略低于母材。結合圖3焊縫的顯微組織可知，焊縫的顯微硬度分布與其顯微組織、凝固結晶形態、焊接工藝等相關。電子束焊接瞬時熱輸入較高，能量密度大，凝固冷卻速度快，而31CrMoV9鋼淬透性較好，因此焊后焊縫及熔合區組織以馬氏體為主。

圖4 不同焊后熱處理態31CrMoV9鋼焊接接頭的顯微硬度

經去應力退火工藝1處理的焊縫，焊縫中心區硬度仍達420～430 HV，明顯高于兩側母材硬度(310～320 HV)。繼續提高去應力退火溫度，即按工藝2去應力退火處理后，焊縫中心區硬度為350 HV左右，仍高于兩側母材硬度(310～315 HV)，說明31CrMoV9鋼電子束焊接焊縫具有較強的抗回火軟化能力，這是由于31CrMoV9鋼含有Mo、V強碳化物形成元素，且Cr含量較高。

如圖4經調質處理的焊縫顯微硬度曲線平緩，說明焊縫與母材的硬度基本一致，已不存在硬度梯度。同時對比圖3(a，c，e)可知，焊縫部位經重新加熱奧氏體化后發生結晶形核，破碎了焊縫的凝固態組織，同時通過擴散使組織進一步均勻化，因此焊縫與母材之間的硬度趨于一致。

2.3 焊接接頭力學性能

調質態母材及不同焊后熱處理態接頭的室溫拉伸性能如表3所示，由試驗結果可知，在合適的焊接工藝下，焊后熱處理對接頭的拉伸性能影響不大，但對沖擊性能影響較大(見表4)。焊后調質態與焊后去應力態相比，因焊接接頭部位強度高，拉伸試樣頸縮發生在母材，而非焊縫部位，最終斷口位于母材。抗拉強度、規定塑性延伸強度均與母材強度相差不大；斷后伸長率略低，斷面收縮率相當。

表3 31CrMoV9鋼母材及不同焊后熱處理態焊接接頭的拉伸性能

表4 31CrMoV9鋼母材及不同焊后熱處理態焊接接頭的室溫沖擊性能

就沖擊性能而言，相比于焊后去應力退火處理工藝1、2的接頭，焊后調質處理的焊接接頭沖擊性能分別提高了14倍和5.6倍。從組織、焊縫顯微硬度梯度也可以說明，經焊后調質處理后，焊縫部位組織明顯改善，組織、硬度與母材更加均勻一致，消除了焊后冷卻產生的板條馬氏體，因此顯著提高焊縫接頭的沖擊性能，并使其達到或接近母材同等強度等級下的沖擊性能。

綜合以上分析可知，焊后調質處理可使電子束焊接接頭的沖擊性能大幅提升，獲得較好的強韌性匹配，綜合力學性能優異。

2.4 焊后整體熱處理開裂傾向

對電子束焊接后試樣進行整體調質處理，反復淬火10次，鎖底止口部位經探傷檢測和金相觀察(見圖5)均未見裂紋，說明焊后采用整體調質工藝可行。

圖5 31CrMoV9鋼電子束焊接接頭試樣鎖底部位經10次反復淬火后的形貌

3 結論

1)31CrMoV9鋼電子束焊接接頭成形良好，焊縫組織以板條馬氏體為主，含有少量殘留奧氏體。

2)在不降低母材性能的前提下，相比于焊后去應力退火處理，經調質處理的31CrMoV9鋼電子束焊接接頭組織為相對均勻的回火索氏體，接頭室溫力學性能與母材相當，但室溫沖擊性能至少提高了5.6倍，達到或接近母材的性能。

3)兩種類型的焊后去應力退火處理均未消除焊縫柱狀晶等凝固組織形態，但焊后調質工藝可使焊縫與母材組織與硬度更加均勻，細化焊縫組織，使焊縫柱狀枝晶形態不明顯。

4)電子束焊接后調質處理，經多次重復淬火，焊縫經檢測均未見裂紋，說明焊后采用調質工藝可行，這為提高焊縫沖擊性能提供了可行的工藝路線。