YG20/45钢激光熔钎焊焊缝界面显微组织与元素扩散研究

马一帆，徐培全，林俊宇

(上海工程技术大学 材料工程学院，上海 201620)

硬质合金以化合物为基体，金属为结合剂，通过粉末冶炼制造而成的一种耐磨性较强、硬度较高的材料。因为硬质合金刀具成本高，制造加工难度大，所以常以焊接的方式将硬质合金焊接在钢基体上，从而可以得到耐磨性强、硬度较高以及背部高韧性的理想结合构件[1]。由于硬质合金与异种金属尤其是钢的连接一直是一个较为复杂的过程，主要的难点是在于不同基体热膨胀系数相差较大，在进行焊接试验中会产生较大残余应力，从而使焊件发生开裂以及焊接过程中会发生冶金反应形成有害相。近几年随着电子、汽车、航天等行业的快速发展，激光焊接被广泛使用，许多学者尝试使用激光焊来实现硬质合金与钢的异种金属连接。由于激光焊比电弧焊对接头的热输入少，通过激光钎焊直接使钢和硬质合金形成有效连接可以缓解上述2个问题。为进一步改善钢和硬质合金焊接接头存在的问题，课题组以Cu/Invar/Ni复合层为中间层进行激光熔钎焊焊接试验研究。

1 试样制备与试验方法

试验材料为WC-20Co硬质合金和45钢，材料为∅60 mm×4 mm的圆盘,利用DK7750E型数控电火花线切割机床将母材沿直径方向加工成半径为30 mm的半圆盘。硬质合金晶粒尺寸较大，一般晶粒尺寸平均在1.8 μm左右，其化学成分如表1所示。

表1 YG20化学元素质量分数

填充层材料为Ni/invar/Cu复合层，Ni靠近45钢侧，Cu靠近硬质合金侧。其中Cu，Ni填充层的厚度均为0.1 mm，Invar合金厚度为1.5 mm，中间层高度高出母材1.0 mm，避免出现焊接过程中钎料高温流失导致不能填满焊缝的情况。其中Invar合金元素成分如表2所示。焊接接头采用对接形式，激光扫描速度为0.1 m/s。

表2 Invar合金化学元素质量分数

焊接设备使用IPG-YLS-5000W掺镱多模光纤激光器作为热源，激光波长为1 075±5 nm，光斑直径为0.2 mm，最大功率5 000 W。使用HIGHYAG激光加工头BIMO和KUKAKR60HA型智能化系统。焊接过程中使用Ar气提供焊接环境保护，气体流速保持在23 L/min。试样抛光后采用村上试剂(10%KOH+10%K3[Fe(CN)6]+80%H2O)对硬质合金侧进行腐蚀，焊缝用100 mL HCL，2 g CuCl2,7 g FeFeCl3，5 mL HNO3，200 mL甲醇和100 mL H2O配制的试剂进行腐蚀，对钢侧使用4%硝酸酒精溶液进行腐蚀。使用VHX-600型超景深数码显微镜和S-3400hS-3400、S-4800扫描电镜对焊缝界面组织及元素成分进一步研究分析，利用S-4800型扫描电镜对焊缝区域进行EDS分析[2]。

2 试验结果与讨论

2.1 YG20/45钢宏观焊缝成形性

图1所示为试样焊接后焊件形貌，试样A1，A2，A3的焊接功率分别为1 500,1 700和1 900 W。图1中焊件上侧为45钢，下侧为YG20，其中激光扫描路径为焊缝正面的右侧至左侧。由图1(d)中A1焊缝背面右侧部分可以观察出焊缝中钎料没有完全熔化，说明激光功率偏小，焊接热输入不足以满足钎料完全熔化使母材充分连接，造成元素在焊缝界面处扩散反应不明显，焊缝金属均匀性较低，硬质合金侧和Ni/invar/Cu复合层未完全融合；从A3焊缝正面可以观察出焊缝上部分形成凹坑且底部低于母材上表面，而A3焊件试样底部母材与中间层润湿比较充分，这些凹坑可能是由于焊缝热输入较高反应剧烈，导致焊缝中钎料过多挥发形成的。

图1 不同功率下焊缝宏观成形

2.2 焊缝界面显微组织及形态

在焊接过程中，熔池的状态对焊缝附近区域晶体组织结构的生长有重要影响。焊缝的冶金反应、组织结晶的方向、晶体结构的影响因素主要有熔池的存在时间、体积、形状和热传导方向。图2所示为焊接界面显微组织图。

图2中(a)，(c)和(e)分别为试样A1，A2和A3钢侧及焊缝组织图。由图2(a)可以观察出，靠近焊缝处主要由胞状晶组成，其次是柱状枝晶，晶体组织的生长具有方向性，柱状晶体积偏小，没有明显的侧枝生长，具有少量偏析，结构较致密[3]。图2(c)中可以看出钢侧主要由珠光体和铁素体组成，其中珠光体呈片状，焊缝中间方框部分晶粒较不规则，可能是由于焊接过程中少量Ni没有充分发生扩散反应导致晶粒出现少量聚集，界面处晶体组织主要由胞状晶组成。图2(e)焊缝中间部分出现和图2(c)焊缝类似的不规则晶体聚集，焊缝处出现纤维形状的枝晶[4]。

图2(b)，2(d)和2(f)分别为试样A1，A2和A3硬质合金侧焊缝组织图，组织形貌与钢侧焊缝界面处有较大差异，晶体生长也较明显。图2(b)在硬质合金侧焊缝界面组织出现等轴树枝晶，在硬质合金与中间层之间有一条宽度约8 μm的黑色组织疏松层。图2(d)焊缝界面组织生长方向不明显，硬质合金和中间层之间也出现黑色组织疏松层，但是疏松层并不连续。图2(f)中焊缝界面处主要由胞状晶和胞状枝晶组成，其中胞状晶体积较大，因为在同一焊接速度下焊缝获得较高的热输入，在焊接过程中界面位置结晶速度较小，形成较大的温度梯度，随着凝固界面在焊接过程中由融合区边界向焊缝中心移动时，结晶速度加快，而界面的温度梯度降低，导致成分过冷，形成较为粗大的胞状树枝晶[5]；在离开焊接界面约20 μm处有较多板条束晶体形成，而且许多的板条束晶体形成了板条群。

图2(a)，2(c)和2(e)中可以观察到钢侧焊缝附近生成了马氏体，靠近焊缝界面处马氏体比较粗大，其余部分比较细小。粗大的马氏体组织可以提高钢侧热影响区的硬度，降低塑形和韧性，所以这个区域是焊接接头比较脆弱的位置[6]。马氏体的形貌对焊接接头的力学性能有一定的影响，马氏体板条群或马氏体片尺寸越小则马氏体的强度越高，因此可以提高焊接接头的综合力学性能[7]。

图2(b)中形成较少树枝晶，2(d)中无明显树枝晶，2(f)中组织树枝晶最多，由此可知随着焊接功率的增加树枝晶变化并不是线性变化的，而是由焊接过程中的多种因素造成的。原因如下：在实际焊接过程中，焊缝界面处存在较大的温度梯度，结晶速度在熔池凝固过程中较小，成分组织发生过冷，出现树枝晶，随着焊接热输入的增加，线能量增加导致温度梯度增加，从而不易形成树枝晶。又由于硬质合金中元素Co在一定热输入下的熔化导致WC分布比较稀疏，使热传导较易发生，温度梯度变低，可以促进树枝晶的形成[8]。

图2 焊缝界面组织

为进一步研究硬质合金侧焊缝晶粒，利用扫描电镜对A2试样焊缝界面组织形貌进行观察。图3所示为A2试样WC-20Co侧焊缝的界面上侧同一部位不同放大倍数的形貌图。WC-20Co硬质合金母材是由硬质合金相WC和粘接相Co构成，Co和因瓦合金的熔点比WC的熔点要低，当Co熔化时WC颗粒就摆脱了束缚处于自由状态，在内力的作用下扩散到液态熔池中[9]，当温度继续上升达到WC熔点时，WC颗粒开始熔化成小颗粒，随后温度开始慢慢降低，小颗粒的WC又重新聚集[10]。图3(c)中可以看到有部分WC颗粒已经扩散到中间过渡层中，大颗粒边缘有溶解迹象，由原来清晰可见的尖角变成有点模糊的圆角。

图3 过渡层显微组织

图4所示为试样A2硬质合金侧焊缝接头中部和下部典型显微组织。图中虚线标出的为接头界面处的过渡层即硬质合金Co漂移区，在此区域内，元素Co、Ni和Fe组成粘结相。Co漂移区具有较为疏松的微观组织接头，与母材硬质合金相比，此处具有更高的韧性，但是强度和硬度较低。作为过渡层，Co漂移区通过Invar合金中间层增强了硬质合金和45钢的连接，提高焊接接头的韧性[11-12]。碳化钨颗粒一般是不规则棱角状，而焊缝界面处碳化钨熔化较多，有较多熔化后的碳化钨细小颗粒出现在焊缝界面处，并且这些颗粒没有发生异常长大，则可以缓解焊缝过渡区的应力集中。在焊缝接头下部出现少量疏松孔洞，可能是由于母材形状突变使热输入分布不均造成的[13]。

图4 试样A2硬质合金侧焊缝过渡区

从焊缝过渡层能明显观察到焊缝界面有WC颗粒伸入焊缝中，并且部分WC颗粒棱角产生溶解，出现少量聚集态晶粒，但这些晶粒暂时未异常长大。为了更清楚地研究WC颗粒伸入到焊缝中的情况，采用配备S-4800型号扫描电镜的EDS能谱仪对试样A2焊缝界面的几个具有代表性的位置点进行观察并进行元素含量的测定。

2.3 硬质合金侧焊缝元素扩散分析

图5所示为试样A2硬质合金侧焊缝取点成分分析图，第1个点a选取的是较大的白色颗粒即WC晶粒，第2点b选取的是在WC晶粒周围。由图5(a)可以得到a点其主要成分是W，其他元素含量并不明显，可以推测此处相组成主要碳化钨。

图5 YG20侧焊缝元素成分

同样的方法得到b点的元素成分分析结果。b点出现了Fe、Ni和Co元素，可以推测出此处主要由铁碳化合物组成，也说明硬质合金中一部分Co元素在焊接过程中发生了流失。Invar合金元素成分主要含有Fe和Ni，其中 Fe和Ni元素含量在b处明显增加，由此可知，硬质合金侧流失的Co元素被通过扩散反应进入的Fe和Ni元素补充，说明Invar合金和硬质合金中各元素发生了充分的扩散反应，从而可以保证焊接接头的整体性能[14]。

3 结论

针对YG20和45钢异种金属焊接焊缝接头脆性高及焊缝连接性能差等缺点，课题组以Cu/Invar/Ni作为填充材料，采用不同功率进行激光熔钎焊焊接试验，对焊缝区域微观组织及元素扩散进行研究，得到以下结论：

1)在激光焊接过程中，YG20中WC晶粒的不规则棱角会逐渐发生溶解消失，可以防止应力在过渡区集中，增加接头韧性；

2)因瓦合金中的Fe、Ni元素弥补硬质合金流失的Co元素，发生了扩散反应，元素Fe、Ni在硬质合金中可以起到粘结相的作用，增强焊接接头连接性；

3)在焊接过程中加Cu/Invar/Ni复合层，激光钎焊接头宏观形貌都较好，钢侧焊缝大部分为胞状晶和柱状晶，晶粒生长不具有明显方向性；硬质合金焊缝侧出现的树枝晶的生成受多种因素影响，焊接功率的增加并不会使树枝晶的形成发生线性变化。

本研究为硬质合金与钢基金属的连接提供了新思路，在拓宽光纤激光焊接在难熔焊材料领域的应用具有一定意义。后续工作可进一步研究工艺参数对组织及性能的影响，或是填充不同材料的中间层对焊接质量的影响。