Q355/SKH9 高速鋼激光重頻焊接接頭沖擊韌性分析*

孫 爽 許桂珍 劉貫軍

（①河南科技學院機電學院，河南 新鄉 450000；②漯河技師學院機械工程系，河南 漯河 462001；③鄭州電力職業技術學院機械工程學院，河南 鄭州 450064；④河南理工大學材料科學與工程學院，河南 焦作 454000）

轉子作為機械傳動系統的關鍵組成部分，對機組運行可靠性與安全性具有重要作用。為滿足鍛件尺寸控制要求，焊接轉子被大量應用于大功率設備制造領域[1-2]。針對高溫與低溫環境下的使用性能要求，需要選擇相應等級的材料作為轉子焊接材料，設計專門的材料成分可以實現快速生產的要求，有效克服整鍛轉子使用過程存在的局限性，目前也成為國內外學者的重點研究內容[3-5]。考慮到不同材料有各自的回火軟化特性，難以一次焊后熱處理同時完成兩種材料的熱作用區組織結構調整，因此需要為異種材料設置中間過渡層，消除熱處理缺陷，同時有效抑制元素遷移及降低內部殘余應力[6-7]。

在焊接處理過程中，各部位焊接熱循環效果存在較大差異，容易導致接頭組織微區形成梯度[8-10]。蔡雄軍等[11]對高速鋼焊接接頭結構和力學特性展開分析，該焊接接頭相對母材（BM）達到了更低的室溫拉伸強度，并在過渡層（BL）發生了斷裂。Wang W K 等[12]通過局部分層拉伸處理研究異種鋼焊接接頭結構，在此基礎上綜合分析了接頭的微區組織結構與力學特性，通過實驗分析發現，接頭在熱影響區與熔合過渡段形成了明顯梯度分布。譚龍等[13]利用模擬形式深入分析了20Cr2NiMo 高速鋼焊接接頭在微區部位受到沖擊時的組織變化特征，結果顯示，接頭沖擊韌性與材料屈服強度存在關聯，焊縫中心部位表現出了最差沖擊韌性。

截至目前，針對Q355/SKH9 高速鋼焊接接頭開展力學特性研究的文獻報道還較少，相關作用機制的研究也不夠深入。根據以上情況，本試驗對Q355/SKH9 異種接頭進行了顯微組織與力學特性的綜合分析，對比了不同顯微組織結構下的接頭硬度、強度與沖擊韌性參數差異性。

1 試驗過程

1.1 試驗材料及焊接

本試驗選擇高中低壓一體結構異種焊接轉子作為測試件，接頭的正面和背面宏觀結構及局部區域形貌如圖1 所示。轉子材料的母材為Q355，在長期使用過程中，蠕變變形量與壽命縮短速率不到CrMoV 鋼的1/2，同時韌度達到了CrMoV 鋼的1.4倍左右。以SKH9 作為母材，可以實現高淬透性、優異的力學強度以及良好的抗腐蝕等優異性能，可將其應用于火電與核電領域作為低壓轉子材料。焊接及沖擊試驗設備如圖2 所示。

圖1 焊接轉子接頭正面和背面宏觀形貌及局部區域形貌

圖2 焊接及沖擊試驗設備

過渡層通過激光焊接的方式進行制備，選擇TG-S2CMH 作為焊接材料，對接過程通過激光焊接形式來實現焊接功能，焊材為ER110S-G，表1 給出了焊接接頭的元素含量分布情況。

表1 焊接接頭各區域元素分布（質量分數，%）

焊縫包括BL 和WM 兩個部分，對應的寬度尺寸分別是6 mm 和21 mm。可以看到，在BL 中形成了多層多道焊的結構特征，是通過激光重頻焊接方式進行成形的。在BL 焊接階段會產生明顯熱效應，產生了明顯的熱作用區。同時從接頭的宏觀層面可以發現還形成了熔合界面。

先通過焊接方式使Q355 處形成過渡層，之后將其升溫至650 ℃持續回火8 h，再通過激光完成多層雙道填充焊接，之后將焊接接頭升溫至580 ℃持續保溫20 h。

重頻激光焊接系統原理如圖3 所示。光源是光子晶體光纖脈沖系統，輸出波長1 040 nm，脈沖寬度300 fs，頻率范圍0～500 kHz，輸出最高單脈沖能量達25 μJ，通過半波片與偏振分束器實現激光脈沖能量的調控。

圖3 激光焊接原理圖

1.2 試驗過程

將母材與焊接接頭的各個微區分別升溫到設定溫度后再開展沖擊測試，最后測定獲得沖擊韌性與韌脆轉變溫度。采用JBS-500B 數顯沖擊儀完成試樣的沖擊測試，將試樣加工成V 型缺口外形結構。

完成焊接轉子的切割、磨削以及拋光后，再利用硫酸銅鹽酸溶液與硝酸酒精溶液對其表面完成腐蝕處理，之后對試樣表面進行微觀結構表征。本次選擇HXD-1000TMC/LCD 硬度計作為硬度測試儀。以INSTRON-1195 電液伺服測試機完成微剪切測試，將試樣加工為90 mm×18 mm×0.5 mm 的外形尺寸，壓頭直徑2 mm。

2 試驗結果與分析

2.1 焊接接頭沖擊韌性

圖4 所示為對焊接接頭3 個不同區域進行沖擊試驗的結果。控制BM、HAZ、BL 溫度區間依次為0～100 ℃、-20～80 ℃與-40～60 ℃，可以發現，當試驗溫度下降后，接頭微區受到了更小沖擊吸收能量作用，達到了更高的脆性斷面率。

圖4 焊接接頭3 個不同區域的沖擊試驗結果

對BM 進行測試得到的試樣結果是40 ℃對應的沖擊吸收能量與脆性斷面率保持基本恒定，同時發現焊接接頭形成了明顯梯度的沖擊韌性。

2.2 影響沖擊韌性的顯微組織因素

焊接接頭區域的SEM 圖和線掃描結果如圖5所示，可知基層Q355 鋼母材主要由鐵素體和珠光體組成，越靠近熔合線處，其珠光體成分越少，而且鐵素體尺寸也有所增加，可以觀察到發生了局部脫碳。

圖5 焊接接頭區域的SEM 圖和線掃描結果

金屬材料沖擊韌性受到多方面因素的綜合影響，其中，轉子材料性能取決于元素組成、微觀組織結構、晶粒尺寸以及第二相組織成分的綜合作用。圖6 所示為對BM 顯微組織進行觀察得到的結果，可以看到在BM 中存在大量回火板條型馬氏體組織，在初始奧氏體晶粒中生成了許多大尺寸以及保持同向排列狀態的條形馬氏體；同時發現位于奧氏體與馬氏體交界處還有許多鏈狀形態的碳化物顆粒，但在馬氏體組織內則只觀察到很少的碳化物。試樣力學特性受到晶粒尺寸影響，在外力作用下粗晶粒塑性變形后，晶粒變形均勻性下降，引起明顯的應力集中現象。同時，晶界面積也進一步縮小，對位錯與裂紋擴展的限制程度減小。BM 表現了較差沖擊韌性，而且在室溫下的沖擊吸收能量只有40 J。

圖6 BM 顯微組織

對HAZ 進行熱處理時，其內部形成焊接熱循環過程，熔合線區域組織因為過熱作用而引起組織粗化現象，由焊縫位置出發表現為粗細晶區持續變化的趨勢。圖7 所示為對HAZ 進行顯微組織觀察得到的圖像，其中，HAZ 組織屬于回火板條狀馬氏體，此時在粗晶區中形成了比細晶部位更寬的馬氏體。HAZ 和BM 具有相近組織形貌，而HAZ 晶粒尺寸與內部馬氏體尺寸都比BM 小，而馬氏體具有較大脆性，隨著尺寸的減小，將對位錯與裂紋起到更明顯的抑制作用，同時還對沖擊韌性起到明顯提升的效果。HAZ 相對BM 形成了更小的第二相碳化物，有助于促進沖擊韌性的進一步增強，使得HAZ 具備更強的室溫沖擊韌性，沖擊吸收能量達到69 J。

圖7 HAZ 顯微組織

圖8 所示為對BL 顯微組織進行表征得到的結果，可以看到，此時形成了粒狀形態的BL 組織，同時白色塊狀鐵素體中還存在許多黑色富碳奧氏體，通過掃描電鏡表征可以看到，BL 晶界部位存在大尺寸碳化物，此時晶粒中已經沒有碳化物，同時在基體表面形成了大量微孔。BL 內形成了許多大尺寸鐵素體，受到沖擊作用后，這些大尺寸鐵素體無法跟回火粒狀貝氏體保持協調變形過程，從而產生裂紋并最終出現斷裂的結果。通過TEM 觀察發現，晶界處只形成了少量短桿形態的碳化物，與SEM形貌相符。此外還可以觀察到此時試樣基體中存在許多球形粗大碳化物，尺寸達到1 400 nm。

圖8 BL 顯微組織

2.3 沖擊斷口與組織的關系

圖9 所示為焊接接頭以20 ℃溫度進行沖擊測試形成的斷口微觀形貌。此時在BM 斷口部位形成了許多撕裂棱以及“類解理”形態的平面結構，表現為準解理斷裂的特點。BM 中主要存在回火板條馬氏體，形成了許多較大的第二相并出現了板條邊界聚集的情況，從而引起晶界與條界的脆化現象，斷口區域表現為明顯的準解理斷裂特點[14]。

圖9 焊接接頭微區20 ℃下沖擊斷口

HAZ 斷口處產生了明顯額撕裂棱與韌窩帶，表現為準解理斷裂的特點，并且從寬度較大的撕裂棱處還可以觀察到韌窩結構與微孔洞缺陷。根據韌窩結構可判斷HAZ 具備優異的韌性，比BM 更優；由于HAZ 晶粒、馬氏體條狀物與第二相都比BM尺寸更小，HAZ 具備更優的沖擊韌性。

在BL 斷口發現許多“類解理”平面、撕裂棱產生了二次裂紋，呈現準解理斷裂。BL 與WM 組織屬于回火貝氏體，在內部形成了許多大尺寸塊狀鐵素體，當其受到應力作用時將會引起脆性斷裂的結果。

根據顯微組織形貌和沖擊斷口結構分析可知，經過回火處理后，板條馬氏體與粒狀貝氏體獲得了更強的沖擊韌性，產生了斷口韌窩，隨著微孔大量聚集后最終導致韌性斷裂。

2.4 沖擊韌性與硬度和力學性能分析

本文選擇微剪切方法測定接頭微區力學性能，并對焊接接頭力學特性進行了深入分析。采用微剪切方法除了可以表征微區力學強度參數以外，還可以剪切位移判斷微區組織塑性。

圖10 所示為對焊接接頭進行測試得到的顯微硬度與剪切強度，可以看到，BM 保持相對穩定的顯微硬度與剪切強度，并未發生明顯變化，其中顯微硬度接近270 HV，剪切強度約為640 MPa。HAZ形成了大梯度變化的顯微硬度與剪切強度，HAZ與BL 的右側HAZ 測試得到的顯微硬度依次介于260～320 HV 與260～360 HV。HAZ 因存在不均勻分布的組織結構，導致其形成了梯度變化的力學性能參數。根據FB 附近區域的力學特性大幅變化情況，可以推斷熔合線界面處存在力學特性不匹配的情況，這主要是由界面兩側發生了基體組織的明顯變化引起的[15]。經過焊接熱循環處理與之后回火過程，HAZ 基體與晶界部位形成了更多碳化物，增大了HAZ 的強度與硬度。

圖10 焊接接頭微區的顯微硬度和剪切強度

3 結語

本文開展Q355/SKH9 高速鋼焊接接頭沖擊韌性分析，得到如下有益結果。

（1）當試驗溫度下降后，接頭微區受到了更小沖擊吸收能量作用，焊接接頭形成了明顯梯度的沖擊韌性。在BM 中存在大量回火板條型馬氏體組織，HAZ 熱處理時內部形成了不同焊接熱循環過程，HAZ 相對BM 形成了更小的第二相碳化物，有助于促進沖擊韌性的進一步增強。

（2）在BM 和HAZ 斷口部位形成了許多撕裂棱，表現為準解理斷裂。斷HAZ 具備優異韌性，達到了比BM 更優的韌性。經過回火處理后，板條馬氏體與粒狀貝氏體獲得了更強沖擊韌性，產生了斷口韌窩，隨著微孔大量聚集后最終導致韌性斷裂。

（3）BM 保持相對穩定的顯微硬度與剪切強度，顯微硬度接近270 HV，剪切強度約為640 MPa。HAZ形成了大梯度變化的顯微硬度與剪切強度。經過焊接熱循環處理與之后回火過程，HAZ 基體與晶界部位形成了更多碳化物，增大了HAZ 的強度與硬度。