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摘要：研究了65Mn钢激光焊接后微观组织和硬度的变化，结果表明：焊接质量良好，焊缝区组织由中心到边缘依次生成细小等轴晶、枝状晶、胞状晶。热影响区组织主要是针状马氏体、贝氏体以及少量铁素体。焊接接头主要由细小的α—Fe及Fe3C、FeSi等相组成。焊缝区平均硬度为HV710，热影响区硬度最高值约为HV770，从热影响区到基材硬度明显下降。
65Mn钢作为常用机器零件钢，广泛应用于机械、交通等部门。在做传统焊接时，由于65Mn的含碳量过高，有着难以克服的局限性，如热影响区大，热脆形性严重，而难以满足需求，与传统焊接方法相比，激光焊接具有深宽比大、焊缝窄、焊缝结合强度高、热影响区小、焊接变形小及对周围组织无影响等特点而得到广泛应用[1]，目前，有关65Mn钢激光焊接的研究很少，本文对65Mn钢进行了CO2激光深熔焊的实验研究，重点分析了65Mn钢激光焊接后焊缝及热影响区的组织和硬度变化，为将来65Mn钢激光焊接的应用提供理论指导。
1 实验材料及试验方法
1.1 实验材料
取退火状态下的65Mn钢棒料，其成分如表1所示。
1.2 试验方法 表1 基材的化学成分(质量百分比%)
（图片）试样采用钼丝线切割成厚度为1mm，半径为12.5mm半圆柱状，使用前用400金相砂纸打磨表面，再用丙酮清洗备用。激光焊接试验采用TJ—HL—T5000型5kW CO2激光器，，光斑尺寸为3mm，焦距320mm, 焊缝长度为25mm，采用Ar气作为保护气体。用GX51型奥林巴斯金相显微镜进行显微组织观察和拍照，用D/Max-2200型全自动X射线衍射仪进行物相分析，用HV-1000显微硬度计进行显微硬度测试，载荷砝码200g，加载时间20s。对25个焊接试样进行焊后观察，找出焊缝成形好，接头狭窄，变形小，焊接焊缝笔直、光滑、均匀连续的三个最好试样进行分析，工艺如表2。表2 激光焊接工艺参数
（图片）2 实验结果分析
图1为焊缝中心→近中心区→边缘区的组织分布，由图1(a)可以看出，焊缝中心主要为等轴晶分布，近中心区为胞状晶与树枝晶的混合组织。由图1(b)可知，在靠近热影响区的边缘区为少量的胞状晶。（图片）
(a)焊缝区 100× (b)焊缝与热影响区 500×
图1 焊缝中心区与结合区的组织在进行激光焊接时，激光束与基材作用时间短，当光束移开后，熔池金属迅速冷却，然后快速凝固。在靠近熔池边缘，由于与母材接触，液态金属的结晶速度比熔池中心大，这样使焊缝金属生成胞状晶。在近中心区，由于温度梯度没有边缘区高，成份过冷度大，导致该区焊缝金属多数按树枝晶长大。而在焊缝中心区域，熔池金属温度梯度很小，熔池中未熔化的悬浮质点为非自发形核的现成凝固表面，这些晶粒不受其他散热条件的影响，可以自由生长，促使焊缝形成等轴晶[2-5]。
2.2热影响区金相组织（图片）
图2 热影响区的组织 500×图2为焊接热影响区组织，由图2(a)可见：焊接的热影响区粗晶区主要是由针状马氏体组成，这是由于在靠近熔合线附近，温度在1350 ºC，奥氏体晶粒明显长大，快速冷却后转变成了粗大的高碳针状马氏体。
由图2(b)可见，相变重合区主要是由较为细小的针状马氏体组成，这是因为，在这个区域，焊接时的温度在950 ºC，奥氏体晶粒来不及长大，冷却速度没有熔合线附近快，冷却后转变成为细小的针状马氏体+铁素体+下贝氏体组织。
在相变不完全重合区，由于峰值温度在800 ºC，而且Ac1以上时间短，只有部分组织奥氏体化，冷却后转变为细小针状马氏体+铁素体+上贝氏体+下贝氏体组织，如图2(c)所示。
2.3 ΧRD衍射分析
图3为3号试样的XRD衍射图谱。由衍射结果可以看出，焊接接头相组成除了基体相α—Fe外，还有Fe3C、FeSi等相。由于α—Fe的硬度较低，而Fe3C和FeSi的硬度比较高，这些相的存在，可以保证焊接区有良好的强韧性配合。（图片）
图3 焊接接头的 ΧRD衍射结果2.4 显微硬度分析（图片）
图4 焊接接头的显微硬度曲线三种焊接工艺的焊缝接头的硬度分布曲线从图4可以看出其硬度分布曲线的走向成三个明显的区域：一是中间突起的平台区域，这是焊缝区域，平均硬度为HV710，其硬度值要明显高于其他区域;二是从平台区域往两边各有一个斜率较大的坡度，说明硬度值在这个区域有一个明显的锐减，这部分是焊接热影响区，从上面的组织分析可以看出这部分还是有马氏体和贝氏体存在.所以硬度值还是比较高的;第三区又是一个硬度平台，这是基材组织，平均硬度为HV230左右。
3 小结
(1) 65Mn钢经激光焊接后，焊接区的组织发生了较大的变化，焊缝区组织依次为细小等轴晶→枝状晶→胞状晶。热影响区粗晶区为粗大的针状马氏体，相变重合区为细小针状马氏体+铁素体+下贝氏体，不完全相变重合区为针状马氏体+铁素体+上贝氏体+下贝氏体组织。
(2)焊接接头的基体相为α—Fe，其上分布有结晶析出的Fe3C、FeSi等相。
(3)焊接接头的硬度分布规律为：焊缝区域平均硬度最大，平均为HV710，在焊缝与热影响结合区达到最高值为HV770，从热影响区到基材硬度明显下降。
参考文献
[1] 刘其斌. 激光加工技术及其应用[M].北京：冶金工业出版社 2007.
[2] 崔忠圻.金属学与热处理.北京：机械工业出版社 2000.
[3] 张永康. 激光加工技术[M].北京：化学工业出版社 2004.
[4] 王红英，李志军 AZ61镁合金激光焊接接头的组织与性能[J] 中国有色金属学报，2006，16(8)：1388-1392.
[5] 李亚江. 焊接组织性能与质量控制[M].北京：化学工业出版社 2004.
7/6/2008
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