Q355/SKH9 高速钢激光重频焊接接头冲击韧性分析*

孙 爽 许桂珍 刘贯军

（①河南科技学院机电学院，河南 新乡 450000；②漯河技师学院机械工程系，河南 漯河 462001；③郑州电力职业技术学院机械工程学院，河南 郑州 450064；④河南理工大学材料科学与工程学院，河南 焦作 454000）

转子作为机械传动系统的关键组成部分，对机组运行可靠性与安全性具有重要作用。为满足锻件尺寸控制要求，焊接转子被大量应用于大功率设备制造领域[1-2]。针对高温与低温环境下的使用性能要求，需要选择相应等级的材料作为转子焊接材料，设计专门的材料成分可以实现快速生产的要求，有效克服整锻转子使用过程存在的局限性，目前也成为国内外学者的重点研究内容[3-5]。考虑到不同材料有各自的回火软化特性，难以一次焊后热处理同时完成两种材料的热作用区组织结构调整，因此需要为异种材料设置中间过渡层，消除热处理缺陷，同时有效抑制元素迁移及降低内部残余应力[6-7]。

在焊接处理过程中，各部位焊接热循环效果存在较大差异，容易导致接头组织微区形成梯度[8-10]。蔡雄军等[11]对高速钢焊接接头结构和力学特性展开分析，该焊接接头相对母材（BM）达到了更低的室温拉伸强度，并在过渡层（BL）发生了断裂。Wang W K 等[12]通过局部分层拉伸处理研究异种钢焊接接头结构，在此基础上综合分析了接头的微区组织结构与力学特性，通过实验分析发现，接头在热影响区与熔合过渡段形成了明显梯度分布。谭龙等[13]利用模拟形式深入分析了20Cr2NiMo 高速钢焊接接头在微区部位受到冲击时的组织变化特征，结果显示，接头冲击韧性与材料屈服强度存在关联，焊缝中心部位表现出了最差冲击韧性。

截至目前，针对Q355/SKH9 高速钢焊接接头开展力学特性研究的文献报道还较少，相关作用机制的研究也不够深入。根据以上情况，本试验对Q355/SKH9 异种接头进行了显微组织与力学特性的综合分析，对比了不同显微组织结构下的接头硬度、强度与冲击韧性参数差异性。

1 试验过程

1.1 试验材料及焊接

本试验选择高中低压一体结构异种焊接转子作为测试件，接头的正面和背面宏观结构及局部区域形貌如图1 所示。转子材料的母材为Q355，在长期使用过程中，蠕变变形量与寿命缩短速率不到CrMoV 钢的1/2，同时韧度达到了CrMoV 钢的1.4倍左右。以SKH9 作为母材，可以实现高淬透性、优异的力学强度以及良好的抗腐蚀等优异性能，可将其应用于火电与核电领域作为低压转子材料。焊接及冲击试验设备如图2 所示。

图1 焊接转子接头正面和背面宏观形貌及局部区域形貌

图2 焊接及冲击试验设备

过渡层通过激光焊接的方式进行制备，选择TG-S2CMH 作为焊接材料，对接过程通过激光焊接形式来实现焊接功能，焊材为ER110S-G，表1 给出了焊接接头的元素含量分布情况。

表1 焊接接头各区域元素分布（质量分数，%）

焊缝包括BL 和WM 两个部分，对应的宽度尺寸分别是6 mm 和21 mm。可以看到，在BL 中形成了多层多道焊的结构特征，是通过激光重频焊接方式进行成形的。在BL 焊接阶段会产生明显热效应，产生了明显的热作用区。同时从接头的宏观层面可以发现还形成了熔合界面。

先通过焊接方式使Q355 处形成过渡层，之后将其升温至650 ℃持续回火8 h，再通过激光完成多层双道填充焊接，之后将焊接接头升温至580 ℃持续保温20 h。

重频激光焊接系统原理如图3 所示。光源是光子晶体光纤脉冲系统，输出波长1 040 nm，脉冲宽度300 fs，频率范围0～500 kHz，输出最高单脉冲能量达25 μJ，通过半波片与偏振分束器实现激光脉冲能量的调控。

图3 激光焊接原理图

1.2 试验过程

将母材与焊接接头的各个微区分别升温到设定温度后再开展冲击测试，最后测定获得冲击韧性与韧脆转变温度。采用JBS-500B 数显冲击仪完成试样的冲击测试，将试样加工成V 型缺口外形结构。

完成焊接转子的切割、磨削以及抛光后，再利用硫酸铜盐酸溶液与硝酸酒精溶液对其表面完成腐蚀处理，之后对试样表面进行微观结构表征。本次选择HXD-1000TMC/LCD 硬度计作为硬度测试仪。以INSTRON-1195 电液伺服测试机完成微剪切测试，将试样加工为90 mm×18 mm×0.5 mm 的外形尺寸，压头直径2 mm。

2 试验结果与分析

2.1 焊接接头冲击韧性

图4 所示为对焊接接头3 个不同区域进行冲击试验的结果。控制BM、HAZ、BL 温度区间依次为0～100 ℃、-20～80 ℃与-40～60 ℃，可以发现，当试验温度下降后，接头微区受到了更小冲击吸收能量作用，达到了更高的脆性断面率。

图4 焊接接头3 个不同区域的冲击试验结果

对BM 进行测试得到的试样结果是40 ℃对应的冲击吸收能量与脆性断面率保持基本恒定，同时发现焊接接头形成了明显梯度的冲击韧性。

2.2 影响冲击韧性的显微组织因素

焊接接头区域的SEM 图和线扫描结果如图5所示，可知基层Q355 钢母材主要由铁素体和珠光体组成，越靠近熔合线处，其珠光体成分越少，而且铁素体尺寸也有所增加，可以观察到发生了局部脱碳。

图5 焊接接头区域的SEM 图和线扫描结果

金属材料冲击韧性受到多方面因素的综合影响，其中，转子材料性能取决于元素组成、微观组织结构、晶粒尺寸以及第二相组织成分的综合作用。图6 所示为对BM 显微组织进行观察得到的结果，可以看到在BM 中存在大量回火板条型马氏体组织，在初始奥氏体晶粒中生成了许多大尺寸以及保持同向排列状态的条形马氏体；同时发现位于奥氏体与马氏体交界处还有许多链状形态的碳化物颗粒，但在马氏体组织内则只观察到很少的碳化物。试样力学特性受到晶粒尺寸影响，在外力作用下粗晶粒塑性变形后，晶粒变形均匀性下降，引起明显的应力集中现象。同时，晶界面积也进一步缩小，对位错与裂纹扩展的限制程度减小。BM 表现了较差冲击韧性，而且在室温下的冲击吸收能量只有40 J。

图6 BM 显微组织

对HAZ 进行热处理时，其内部形成焊接热循环过程，熔合线区域组织因为过热作用而引起组织粗化现象，由焊缝位置出发表现为粗细晶区持续变化的趋势。图7 所示为对HAZ 进行显微组织观察得到的图像，其中，HAZ 组织属于回火板条状马氏体，此时在粗晶区中形成了比细晶部位更宽的马氏体。HAZ 和BM 具有相近组织形貌，而HAZ 晶粒尺寸与内部马氏体尺寸都比BM 小，而马氏体具有较大脆性，随着尺寸的减小，将对位错与裂纹起到更明显的抑制作用，同时还对冲击韧性起到明显提升的效果。HAZ 相对BM 形成了更小的第二相碳化物，有助于促进冲击韧性的进一步增强，使得HAZ 具备更强的室温冲击韧性，冲击吸收能量达到69 J。

图7 HAZ 显微组织

图8 所示为对BL 显微组织进行表征得到的结果，可以看到，此时形成了粒状形态的BL 组织，同时白色块状铁素体中还存在许多黑色富碳奥氏体，通过扫描电镜表征可以看到，BL 晶界部位存在大尺寸碳化物，此时晶粒中已经没有碳化物，同时在基体表面形成了大量微孔。BL 内形成了许多大尺寸铁素体，受到冲击作用后，这些大尺寸铁素体无法跟回火粒状贝氏体保持协调变形过程，从而产生裂纹并最终出现断裂的结果。通过TEM 观察发现，晶界处只形成了少量短杆形态的碳化物，与SEM形貌相符。此外还可以观察到此时试样基体中存在许多球形粗大碳化物，尺寸达到1 400 nm。

图8 BL 显微组织

2.3 冲击断口与组织的关系

图9 所示为焊接接头以20 ℃温度进行冲击测试形成的断口微观形貌。此时在BM 断口部位形成了许多撕裂棱以及“类解理”形态的平面结构，表现为准解理断裂的特点。BM 中主要存在回火板条马氏体，形成了许多较大的第二相并出现了板条边界聚集的情况，从而引起晶界与条界的脆化现象，断口区域表现为明显的准解理断裂特点[14]。

图9 焊接接头微区20 ℃下冲击断口

HAZ 断口处产生了明显额撕裂棱与韧窝带，表现为准解理断裂的特点，并且从宽度较大的撕裂棱处还可以观察到韧窝结构与微孔洞缺陷。根据韧窝结构可判断HAZ 具备优异的韧性，比BM 更优；由于HAZ 晶粒、马氏体条状物与第二相都比BM尺寸更小，HAZ 具备更优的冲击韧性。

在BL 断口发现许多“类解理”平面、撕裂棱产生了二次裂纹，呈现准解理断裂。BL 与WM 组织属于回火贝氏体，在内部形成了许多大尺寸块状铁素体，当其受到应力作用时将会引起脆性断裂的结果。

根据显微组织形貌和冲击断口结构分析可知，经过回火处理后，板条马氏体与粒状贝氏体获得了更强的冲击韧性，产生了断口韧窝，随着微孔大量聚集后最终导致韧性断裂。

2.4 冲击韧性与硬度和力学性能分析

本文选择微剪切方法测定接头微区力学性能，并对焊接接头力学特性进行了深入分析。采用微剪切方法除了可以表征微区力学强度参数以外，还可以剪切位移判断微区组织塑性。

图10 所示为对焊接接头进行测试得到的显微硬度与剪切强度，可以看到，BM 保持相对稳定的显微硬度与剪切强度，并未发生明显变化，其中显微硬度接近270 HV，剪切强度约为640 MPa。HAZ形成了大梯度变化的显微硬度与剪切强度，HAZ与BL 的右侧HAZ 测试得到的显微硬度依次介于260～320 HV 与260～360 HV。HAZ 因存在不均匀分布的组织结构，导致其形成了梯度变化的力学性能参数。根据FB 附近区域的力学特性大幅变化情况，可以推断熔合线界面处存在力学特性不匹配的情况，这主要是由界面两侧发生了基体组织的明显变化引起的[15]。经过焊接热循环处理与之后回火过程，HAZ 基体与晶界部位形成了更多碳化物，增大了HAZ 的强度与硬度。

图10 焊接接头微区的显微硬度和剪切强度

3 结语

本文开展Q355/SKH9 高速钢焊接接头冲击韧性分析，得到如下有益结果。

（1）当试验温度下降后，接头微区受到了更小冲击吸收能量作用，焊接接头形成了明显梯度的冲击韧性。在BM 中存在大量回火板条型马氏体组织，HAZ 热处理时内部形成了不同焊接热循环过程，HAZ 相对BM 形成了更小的第二相碳化物，有助于促进冲击韧性的进一步增强。

（2）在BM 和HAZ 断口部位形成了许多撕裂棱，表现为准解理断裂。断HAZ 具备优异韧性，达到了比BM 更优的韧性。经过回火处理后，板条马氏体与粒状贝氏体获得了更强冲击韧性，产生了断口韧窝，随着微孔大量聚集后最终导致韧性断裂。

（3）BM 保持相对稳定的显微硬度与剪切强度，显微硬度接近270 HV，剪切强度约为640 MPa。HAZ形成了大梯度变化的显微硬度与剪切强度。经过焊接热循环处理与之后回火过程，HAZ 基体与晶界部位形成了更多碳化物，增大了HAZ 的强度与硬度。