激光焊焊前预热和焊后热处理对焊缝质量的影响魏琪青

魏琪青

摘要：众所周知，在薄板生产以及加工范围内，激光焊接的运用范围愈来愈广泛，其焊接过程是利用高能量密度的激光束使金属材料熔化连接，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，形成特定的熔池。由于其独特的优点，现已成功应用于微、小型零件的精密焊接中。在冶金行业，激光焊接技术主要应用于酸轧生产，其缺点是：激光焊接速度快、冷却速度也快，在焊接淬硬性材料时容易形成硬脆接头，从而影响酸轧的稳定性。解决方案之一是对薄板采取焊前预热和焊后热处理工艺。

关键词：激光焊焊前预热；焊后热处理；焊缝质量；影响

1试验方法

应用电子万能试验机测试激光焊接接头热处理前后的抗拉强度和延伸率，拉伸速率为1mm/min。焊接接头经取样、镶样、粗磨、细磨及抛光后，采用腐蚀液对接头进行侵蚀，选用的腐蚀液配方为：40mLHCl+100mLC2H5OH+5gFeCl3。试样腐蚀完成后，采用ZEISSAxioObserverA1m型金相显微镜观察热处理试样和非热处理试样的基体及焊缝组织形貌；利用HitachiS-3400N型扫描电镜观察热处理试样和非热处理试样的断口形貌及SEM显微组织，通过能谱仪（EDS）对焊缝析出相进行元素分析，并且通过XRD对焊缝进行相分析；采用HXD-1000TM显微硬度计（试验力100g，加载10s）测定试样硬度。

2试验结果与分析

2.1不同焊接速度时预热温度对焊缝的影响

焊接速度是影响焊缝成形及焊接质量的重要工艺参数。在激光功率1600W，焦距100mm，离焦量－0．5mm，Ar气流量15L/min条件下，在不同的焊接速度下进行室温和最佳预热温度250℃的铝合金激光焊接试验，研究不同焊接速度时预热温度对焊缝成形的影响。当预热温度250℃时，随着焊接速度的提高，热输入下降，熔宽明显减小。但在相同焊接速度时，室温下和预热250℃两种情况对比发现，由于预热增加了激光的吸收率并减少了熔化金属所需的能量，相同的工艺参数下焊缝的熔深和熔宽都有所增加。试件在预热及焊接时熔池加热的作用下，熔池前方清理过的表面易重新被氧化生成氧化膜，并且焊速越低氧化膜越厚。低速焊接时熔池内离匙孔远的液态金属不易冲破氧化膜熔合在一起形成气孔缺陷；高速焊接时两试件间的少量氧化膜仍会影响匙孔外板间的热量传递，使下板熔池内匙孔外区域未能获得足够的热量熔化，导致在上下板交界处熔宽突然变小。

2.2母材微观组织

固溶－单级时效热处理后的母材组织为α相均匀分布在β晶粒内部；而固溶－双级时效后α相分布均匀，但相比固溶－单级时效，α相尺寸有所减小。固溶－单级时效和固溶－双级时效后晶界周围均发现平行板条状结构。与固溶－双级时效相比，固溶－单级时效后晶间无沉淀析出带区域更大，晶间无沉淀析出带的出现将降低疲劳强度。由于母材在焊前处于固溶处理状态，因而焊后固溶处理并不能明显改变晶粒内部α相的形成，所以，４种热处理后α相的尺寸和间距没有明显的差别。

2.3不同热处理对650℃高温拉伸性能的影响

焊接试样经不同热处理后的650℃高温拉伸性能曲线，随着热处理温度的提高，合金的强度显著增加，抗拉强度由600℃时的600MPa增加到700℃时的695MPa，增幅达15.8%；而伸长率与室温拉伸性能相似，也呈现先升高后降低的趋势。这也是由于随热处理温度升高，析出的次生α'马氏体相越多，从而导致合金强度上升。另外，随着温度升高到700℃，其α'马氏体相粗化，导致塑性有所下降。激光焊试件的高温拉伸断口，试件在高温拉伸测试过程中均在焊缝处断裂，未热处理试件的断口主要以解理断裂特征为主，并存在内部缺陷；经过600℃和700℃热处理后试件的断口呈现出解理断裂和韧窝断裂相结合的特征，而650℃热处理后的试件断口是以韧窝断裂特征为主，这与其伸长率的变化规律基本相符。

2.4硬度测试结果

对试样硬度进行测量，然后求得平均值，绘出的热处理和未热处理焊接接头试样硬度曲线。未热处理接头试样由母材到热影响区到焊缝中心硬度先降低后升高，焊缝中心硬度最高。热处理后试样母材、热影响区以及焊缝中心硬度相差较少，焊缝中心硬度仍然最高，而且热处理之后母材和热影响区的硬度几乎相同。与未热处理试样对比，热处理后母材、热影响区以及焊缝等位置的硬度都有显著提高。其中，母材的硬度提高了97%，焊缝中心的硬度较未热处理焊缝中心提升了69%。就焊缝硬度来说，未热处理和热处理试样平均硬度分别达到了344HV和473HV。

2.5焊缝的组织形貌

利用金相显微镜观察焊缝区域的金相组织，4组试验钢种的组织主要都是由铸状组织区域、相变区域、热影响区域组成。其中1#试样焊缝区域最宽，贝氏体组织最多。2#试样仅采用了焊前预热，焊缝全貌与1#试样接近，但是焊缝宽度明显缩短，焊缝组织仍然以贝氏体组织为主。仅焊后热处理的3#其焊缝区域较1#明显缩小，但是热影响区较宽，金相图片中仍然以贝氏体组织为主。经过焊前预热+焊后热处理的4#试样焊缝和热影响区域小，析出的碳化物最终数量也最少，组织主要是片层状珠光体和少量贝氏体组织。为了有效分辨焊前预热和焊后热处理对热影响区的影响，采用扫描电镜分别观察两种试样，经过预热处理的2#试样的金相图片上晶界附近的珠光体较多，且晶粒更为粗大。而经过焊后热处理的金相组织铁素体明显较多，珠光体组织少。因此焊后热处理比焊前预热对焊缝的影响更为显著。

2.6焊缝力学性能

采用HV0.1显微硬度计检测焊缝区域，硬度从焊缝中心区域向热影响区、母材区域逐渐降低。经过焊前预热和焊后热处理工艺处理的焊缝区域硬度变化最小，且硬度最低。1#和2#试样的硬度接近，变化趋势也较为接近，而经过焊后热处理的3#和4#硬度接近，其中4#试样的硬度峰值与3#接近，而焊缝硬度增强区域更窄。说明焊后热处理比焊前预热对焊缝质量的影响更大。其硬度影响趋势为：不采用任何处理方式＞焊前预热＞焊后热处理＞采用焊前预热+焊后热处理工艺。

2.7其他缺陷

在扫描电镜下观察试样的不同焊缝部位（头部和中部），分析焊缝缺陷的情况。试样在沿焊缝和热影响区界面都出现连续的夹杂物，通过能谱分析后为典型的非金属物夹杂，该类缺陷的存在会增加酸轧过程中出现断带的几率。因此在实际生产过程中影响焊接质量的因素非常多，要对人、机、料、环、法五要素综合分析才能找到解决问题的根本办法。

3结语

（1）不同的处理方法对焊缝组织有显著影响，其中采用焊前预热+焊后热处理工艺对焊缝淬硬组织有显著改善。（2）不同的热处理方法对焊缝硬度的影响不同，其影响为：不采用任何处理方式＞焊前预热＞焊后热处理＞采用焊前预热+焊后热处理工艺。（3）除了热处理工序外，影响激光焊接质量的还有许多其他因素，例如材料本身缺陷、保护气体不足、焊枪偏移、离焦量偏移、夹持力不足等。

参考文献：

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