上海雄鋼特種合金有限公司

Incoloy800H是采用固溶強(qiáng)化的奧氏體高溫合金'.該材料具有良好的高溫抗氧化、抗腐蝕和抗蠕變性能，在石化.冶金、電站和核工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。Incoloy80oH在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用,首先要解決的是材料的焊接問(wèn)題,國(guó)內(nèi)焊接Incoloy800H的主要方法是手工電弧焊和鎢極氬弧焊。板厚較厚時(shí)使用這些方法就顯得效率低，成本高。激光焊接與傳統(tǒng)焊接方法相比具有能量密度高﹑焊縫深寬比大﹑熱輸入量小、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等特點(diǎn),在工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用‘近十幾年來(lái),隨著激光加工技術(shù)中參雜光纖傳輸技術(shù)的日益成熟,光纖激光器的輸出功率得到了顯著提高,激光焊接技術(shù)獲得更廣泛的推廣和應(yīng)用。

本文采用光纖激光焊接器對(duì)厚度為7.5mm的Incoloy800H鋼板采用不同的激光焊接參數(shù)進(jìn)行焊接。研究了焊接接頭的組織和性能特點(diǎn)-為將來(lái)Incoloy800H鋼激光焊接的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

試驗(yàn)方案

1.1試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所用材料是由鋼鐵冶金總院研制的In-coloy800H鋼板,扎制后退火處理,用線切割將試樣切成80mm×35mm×7.5mm.Incoloy800H的室溫抗拉強(qiáng)度為531MPa,其化學(xué)成分見(jiàn)表1。

1.2試驗(yàn)過(guò)程

本試驗(yàn)采取激光焊,平板對(duì)接,選取5組試樣。采用不同的焊接工藝,焊接過(guò)程中采用氬氣作為保護(hù)氣體，流量為1.5 L/min,氣體壓力0.5MPan空冷。試驗(yàn)工藝參數(shù)如表2。

2試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1焊縫的宏觀檢測(cè)與分析

圖1給出了不同焊接工藝條件下的焊縫宏觀形貌。從圖可以看出,在焊接速度一定的條件下,當(dāng)激光功率較低時(shí),如圖1(a)所示,焊縫未能焊透.當(dāng)激光功率增加到5kW時(shí),如圖1(b)所示,焊縫焊透且成形美觀;繼續(xù)增加激光功率達(dá)到6kW,如圖1(c)所示,焊縫雖焊透但成形不美觀,表面飛濺較多。在激光功率較低時(shí),提高焊接速度,如圖1(d)所示,由于焊接速度的提高導(dǎo)致熱輸入降低,焊縫未能焊透.在激光功率較高時(shí),提高焊接速度,如圖1(e)所示,焊縫能焊透,成形較美觀。

由此可知,要焊透Incoloy800H7.5mm試樣,熱輸入P/V必須達(dá)到一定數(shù)值,但焊縫是否熔透并不完全取決于名義上的熱輸入,激光功率的影響比焊接速度更大一些。

2.2接頭顯微組織分析

截取焊接接頭橫截面,經(jīng)金相砂紙逐級(jí)打磨后在拋光機(jī)上進(jìn)行拋光,最后使用王水對(duì)試樣進(jìn)行侵蝕。使能夠清晰觀察到金相組織。利用金相顯微鏡分別對(duì)焊接接頭的焊縫和熱影響區(qū)的組織進(jìn)行觀察。

圖2( a)為Incoloy 800H母材顯微組織,為奧氏體固溶組織.并有鈦的氮化物、碳化物和鉻的碳化物析出。

圖2(b)為熔合線兩側(cè)組織.熔合線非常明顯、右側(cè)為焊縫,左側(cè)為熱影響區(qū),熱影響區(qū)晶粒明顯長(zhǎng)大。熔合區(qū)狹窄,晶粒長(zhǎng)大不明顯,這是由激光焊接加熱集中,快速冷卻造成的。

圖2(c)和(d)為焊縫區(qū)顯微組織,為典型的單相奧氏體組織·主要由柱狀晶和樹(shù)枝晶構(gòu)成,具有一定的方向性,晶粒大小均勻,這種細(xì)小均勻的組織是由激光焊接快速冷卻的特點(diǎn)決定的。圖2(c)和(d)為不同焊接工藝條件下的焊縫顯微組織,隨著熱輸入的增大,焊縫區(qū)組織有粗化的趨勢(shì)。

2.3焊接接頭顯微硬度分析

圖3為不同焊接工藝條件下焊接接頭硬度曲線.由圖可知,焊縫硬度略高于母材,這主要是由于硬度與晶粒度等因素有關(guān),焊縫晶粒更細(xì)小。從圖中兩條曲線可以看出試樣5焊縫硬度明顯高于試樣3焊縫硬度,這與前面討論的焊縫區(qū)的組織分布特點(diǎn)密不可分,隨著焊接線能量的增大,焊縫晶粒粗化.從而使硬度降低.熱影響區(qū)未出現(xiàn)軟化。

2.4接頭的力學(xué)性能

表3所示為不同焊接工藝參數(shù)條件下的接頭抗拉強(qiáng)度。從表中可以看出,激光功率和焊接速度對(duì)焊接接頭的拉伸性能有很大的影響。當(dāng)激光功率6kW,焊接速度30mm/s時(shí),所得到的接頭拉伸性能最好,其抗拉強(qiáng)度達(dá)515MPa,為母材的97%。

硬度值與金屬的拉伸性能之間近似成正比關(guān)系,前面硬度測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果焊縫硬度明顯高于母材,這預(yù)示焊縫的抗拉強(qiáng)度應(yīng)該高于母材。但拉伸結(jié)果表明接頭斷口均在焊縫,這可能是由于焊接缺陷導(dǎo)致的,如氣孔,焊縫組織晶界間低熔點(diǎn)化合物等。

圖4為激光焊接頭室溫拉伸的斷口形貌。接頭室溫拉伸時(shí)斷裂在焊縫處,拉斷部分有明顯的鎖口現(xiàn)象。由圖可見(jiàn)斷口表面有大量韌窩,是典型的韌性斷裂.韌窩尺寸較小,這與焊縫區(qū)晶粒大小及析出第二相粒子分布有關(guān)。

3結(jié)論

(1)采用激光焊方法可實(shí)現(xiàn)Incoloy800H的連接,隨著焊接線能量輸入的增大,焊縫熔透率及熔寬增加。激光功率比焊接速度對(duì)焊縫熔透率影響更大。

(2)焊縫金屬由奧氏體柱狀晶和樹(shù)枝晶構(gòu)成,熱影響區(qū)組織發(fā)生明顯粗化。隨著線能量輸入的增大.焊縫區(qū)組織有粗化的趨勢(shì)。

(3)熱輸入對(duì)焊接接頭的抗拉強(qiáng)度具有明顯的影響,接頭抗拉強(qiáng)度最大值為515MPa,斷裂均發(fā)生在焊縫處,斷裂具有韌性斷裂特征。