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Welding Technology | Views : 151 Downloads: 246 CSCD: 0

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    • Analysis of Microstructure and Properties of Laser Welded Joints of Quenched 30Cr3 Ultra-high Strength Steel

    • XIA Ling

      ,

      GAO Jian

      ,

      SHAN Xiufeng

      ,

      SONG Xiaojiao

      ,

      PAN Lihua

    • Vol. 54, Issue 6, Pages: 120-124(2024)   

      Published： 25 June 2024 ，

    • DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.06.19     

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  • XIA Ling, GAO Jian, SHAN Xiufeng, et al.Analysis of Microstructure and Properties of Laser Welded Joints of Quenched 30Cr3 Ultra-high Strength Steel[J].Electric Welding Machine, 2024, 54(6): 120-124. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.06.19.
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    Sections

    Abstract

    In order to analyze the microstructure characteristics, mechanical properties, and fracture features of the laser-welded joints of quenched 30Cr3 ultra-high strength steel, a disc-type laser generator and KUKA robot were used for laser self-fusion welding. The welding process parameters were set as a laser power of 4 200 W, welding speed of 1.45 m/min, defocus distance of +5 mm, and shielding gas flow rate of 25 L/min. The welded joints were analyzed and tested using optical microscopy, metallographic microscopy, microhardness tester, and tensile testing machine. The results show that under the optimized laser welding process, the weld formation is good, with no defects such as cracks and undercuts; the microstructure of the weld zone is dendritic, the heat-affected zone is composed of coarse martensite, and some phase transformation zones consist of tempered troostite + tempered martensite; microhardness testing indicates that the hardness of the weld pool is the highest, with an average value of 589 HV, and the hardness of some phase change zones is the lowest, with an average value of 482 HV; the average tensile strength of the welded joint is 1 727 MPa, reaching 96.7% of the base material, with an average elongation rate of 5.6%; the fracture location is concentrated in the heat-affected zone, and the fracture mode is ductile fracture. The experiment proves that the 30Cr3 ultra-high strength steel can obtain a welded joint with performance close to the base material through laser welding in the quenched state. Although there is some softening phenomenon in the partial phase change zone, the overall mechanical properties of the welded joint are good, providing a feasible welding process method for the manufacturing of pressure-containing parts such as solid rocket engine casings.

    transl

    Keywords

    30Cr3 ultra-high strength steel; quenched; laser welding; microstructure; mechanical

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    0 引言

    30Cr3SiNiMoVA（简称30Cr3）钢是一种中碳低合金超高强度钢，与普通结构钢相比，低合金超高强度钢具有较高的强度（Rm≥1 500 MPa）和较好的韧性，合金含量低，热处理工艺相对简单，并且具有良好的焊接性能，不需要预热，焊接性能稳定，低应力脆裂倾向不敏感，因此被广泛用于制造固体火箭发动机壳体等承压件［

    1-4］。传统制造超高强度钢壳体的工艺流程为：分段筒体旋压、退火、真空电子束焊接和整体热处理（淬火+低温回火）。随着发动机壳体设计尺寸更大，结构更复杂，采用整体热处理工艺将受到热处理炉尺寸空间的限制，只能通过淬火后的多段筒体进行组焊。
    transl

    潘丽华等人［

    5］为解决淬火状态下30Cr3超高强度钢在真空电子束焊接时易产生冷裂纹、过热区脆化及热影响区软化等问题，在对材料性能分析的基础上，通过优化焊接工艺等措施，得到无缺陷的焊接接头，且通过分析试样断口为塑性断裂，试片焊缝强度系数达0.96，为固体火箭发动机壳体的生产提供了新的工艺方法。高炳易［6］研究发现贝氏体焊条对淬火态42Cr2Mo耐热钢具有良好的焊接性能和使用性能，焊缝组织以粒状贝氏体为主，焊接电流越大、道间温度越高，组织越细，热影响区和熔合区硬度值最大。陈淑芳［7］通过局部退火处理、控制焊接热输入、优化焊道排布等途径，避免中碳钢淬火态结构件焊接裂纹的形成，并减小焊接件的表面硬度下降区域，获得满足使用要求，且性能优良的焊接结构件的工艺方法。
    transl

    激光焊接作为高能束焊接的方法之一，同真空电子束焊一样具有功率密度高、热影响区和焊接变形小等特点。但不受真空环境的限制，焊接更加灵活，易与工业机器人联动实现柔性加工等优点，因而在航空航天、船舶、汽车等众多工业领域中得到广泛应用［

    8-9］。因此，本文以30Cr3超高强度钢为研究对象，对淬火态激光焊接接头开展研究，重点分析焊接接头的组织和力学性能，为超高强度钢壳体制造工艺设计提供指导。
    transl

    1 焊接材料与试验方法

    1.1 试验材料

    试验用薄壁壳体直径为400 mm，壁厚3 mm，长105 mm，为30Cr3超高强度钢，其化学成分见表1。

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    表1  30Cr3超高强度钢化学成分（质量分数，%）
    Table 1  Chemical composition of 30Cr3 ultra-high strength steel （wt.%）
    CSiMnCrNiMoVSP
    0.31 1.00 0.70 2.99 0.98 0.71 0.10 0.001 0.004
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    壳体试件由旋压成形，割断后先进行热处理淬火，材料的热处理工艺如下：真空气淬（920±10） ℃+回火（270 ℃，保温2 h后空冷）。该材料淬火后的显微组织主要为粗针状马氏体，该组织具有较少的显微裂纹和优秀的机械性能。此外，马氏体组织中有很多细小黑色颗粒，是材料淬火处理后析出的碳化物，这些碳化物可以细化晶粒、增加材料强度［

    10］。
    transl

    1.2 试验方法

    试验设备采用TRUMPF公司生产的8 kW碟式激光发生器，最大输出功率8 kW，激光波长1 030 nm，焊接头准焦直径为200 nm，聚焦直径为300 nm，配合KUKA公司的KR60HA型高精度机器人实现淬火态壳体的激光焊接，焊接参数见表2，焊接过程如图1所示。

    transl

    表2  激光焊接工艺参数
    Table 2  Laser welding process parameters

    激光功率

    /W

    焊接速度

    /（m·min-1）

    离焦量

    /mm

    保护气流量

    /（L·min-1）

    		保护类型
    4 200 1.45 +5 25 同轴保护
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    fig

    图1  激光焊接过程

    Fig.1  Laser welding process

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    试件焊接成形后，对30Cr3超高强度钢淬火态焊接接头的微观组织特点、力学性能和断口特征进行分析。首先沿垂直于焊缝方向截取金相试样，如图2所示，试样尺寸12 mm×12 mm×3 mm，按照标准金相制作方法进行打磨、抛光、采用4%的硝酸酒精溶液进行腐蚀制取金相试样。随后，在光学显微镜（型号DMI5000 M）下观察焊接接头的显微组织。采用显微硬度计（型号为MH-500）对焊接接头显微硬度进行测量，加载载荷和加载时间分别为100 g和10 s，沿焊缝向母材区依次取多个点进行测量，相邻硬度点的间距为250 μm。

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    fig

    图2  金相试样

    Fig.2  Metallographic specimen

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    同时，通过等离子切割机（型号为LGK8-40）和电火花线切割机（型号为HA630U）将焊接试验件随机割成如图3所示尺寸的板状类标准拉伸试件。按照GB/T 2651—2008《焊接接头拉伸试验方法》的内容，采用WDW-200型微机控制电子万能试验机进行拉伸测试，获得焊接接头的抗拉强度。随后通过FEI NOVA 450扫描电子显微镜对试片断裂韧口进行观测分析。

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    fig

    图3  拉伸试样尺寸规格

    Fig.3  Tensile specimen size specifications

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    2 试验结果与分析

    2.1 焊缝外观形貌及组织

    30Cr3淬火态激光焊接接头宏观形貌如图4所示，可以发现焊缝宏观形貌呈Y形，正、背面成形良好，未见咬边和飞溅，焊缝内部无裂纹、气孔等缺陷。从宏观上观察，焊缝接头可以分为焊缝区（a区域），热影响区（包括靠近熔合线的过热区（b区域）和部分相变区（c区域），母材区（d区域）。

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    fig

    图4  30Cr3淬火态激光焊接接头宏观形貌

    Fig.4  Macromorphology of 30Cr3 quenched laser welded joints

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    对焊缝接头各区域的显微组织进行分析，如图5所示。在焊缝区，重熔母材经快速冷却后形成树枝晶状组织（见图5a）；靠近熔合线的热影响区为过热区，此处母材受到低于熔点的峰值温度，材料处于过热状态，此处晶粒急剧长大，形成粗大的马氏体组织（见图5b）；在部分相变区，母材受到的温度有所降低，只有部分组织发生了转变，此区域主要呈现为回火屈氏体+回火马氏体组织，由于组织不均匀，此处力学性能较差（见图5c）；在母材区，未受到激光焊接的影响，经热处理工艺后为回火马氏体组织（见图5d）。

    transl

    fig
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    图5  30Cr3淬火态激光焊接接头显微组织

    Fig.5  Microstructure of 30Cr3 quenched laser welded joint

    2.2 力学性能

    在金相试样中心高度，沿焊缝中心向母材区每间隔0.25 mm进行显微硬度测量，其横截面的显微硬度曲线如图6所示。焊缝区经历了重熔和快速冷却，组织呈树枝状较其他区域更细小，一定程度提高了显微硬度值，其平均显微硬度达589 HV；靠近焊缝熔合线附近的过热区，受热温度高但激光焊冷却速度快，其区域硬度值没有明显降低，平均硬度值为586 HV，且高于母材区硬度值；热影响区最外侧与母材交接处存在硬度低于母材的软化区，即部分相变区，由于在焊接过程中此处的温度达到了材料的回火温度，部分组织发生相变，形成部分回火屈氏体+回火马氏组织，导致硬度下降［

    11］，该区域的平均显微硬度值为482 HV；由图6可知，此处硬度值最低，存在热影响区软化现象。
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    fig

    图6  焊缝接头横截面的硬度分布值

    Fig.6  Hardness distribution values of the cross-sectionof weld joints

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    通过对8组焊接拉伸试片进行力学性能测试，并和基体试片作对比，拉伸曲线如图7所示，反映了焊接试片在外力作用下从塑性变形直到断裂的整个过程。通过统计其抗拉强度、延伸率和断裂位置，如表3所示。可以看出，30Cr3超高强度钢淬火态激光焊接接头平均拉伸强度均达到了1 727 MPa，平均延伸率为5.6%，同规格30Cr3超高强度钢材料淬火后的基体试片实测平均抗拉强度为1 786 MPa，平均延伸率为11.4%，两者相比淬火态激光焊接接头强度仅下降3.3%左右，能够达到基体强度的96.7%，但其延伸率相比基体下降幅度较大，这是由于焊缝位置过热导致组织晶粒粗大且分布不均匀，使得此处材料变脆延伸率下降较明显。焊接接头的断裂位置均出现在热影响区位置，这是由于热影响区部分组织存在相变，形成软化现象，导致其力学性能较为薄弱。

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    fig

    图7  焊接试样拉伸曲线

    Fig.7  Tensile curve of welded specimens

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    表3  30Cr3淬火态激光焊接接头抗拉强度
    Table 3  Tensile strength of 30Cr3 quenched laser welded joint
    试片编号拉伸强度/MPa延伸率/%断裂位置
    1 1 739 5.5% HAZ
    2 1 711 5.5% HAZ
    3 1 723 5.5% HAZ
    4 1 732 6.0% HAZ
    5 1 720 5.5% HAZ
    6 1 731 6.0% HAZ
    7 1 736 5.5% HAZ
    8 1 727 5.5% HAZ
    平均值 1 727 5.6% —
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    2.3 拉伸断口分析

    对拉断的焊接拉伸试片进行观察，发现断裂处未发生明显的塑性变形和“颈缩”现象，如图8所示，这是由于焊接接头形成了较为粗大的马氏体组织，使得该处材料变脆，抗变形能力大幅下降。在焊接试验件不同位置取样的焊接拉伸试片拉断后，其断裂位置均靠近焊缝处位于热影响区，断裂位置较为整齐，由金相组织分析此处存在软化区（热影响区与母材基体交界处），组织相对不均匀，是力学性能最为薄弱的区域。

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    fig

    图8  焊接接头拉伸断裂试片

    Fig.8  Tensile fracture test piece of welded joint

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    通过扫描电镜对焊接接头拉伸试样的断口进行观察，如图9所示，接头断口主要由大量大小不一的韧窝组成，伴有不同大小的撕裂棱，因此可以判断30Cr3超高强度钢淬火态激光焊接接头的断裂方式为韧性断裂。

    transl

    fig

    图9  焊接接头拉伸试样断口微观形貌

    Fig.9  Microscopic morphology of fracture surface of tensilespecimens of welded joints

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    3 结论

    （1）30Cr3超高强度钢淬火态激光焊接在合适的工艺下可以得到成形良好的焊接接头，焊缝区主要为树枝晶状组织，靠近熔合线的热影响区为过热区，组织为粗大的马氏体组织，部分相变区组织为回火屈氏体+回火马氏体，母材为回火马氏体组织。

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    （2）通过对焊接接头显微硬度测试，热影响区与母材基体交接处存在一定的回火软化区（部分相变区），该处平均显微硬度最低为482 HV，焊缝熔池平均显微硬度最高为589 HV。焊接接头平均拉伸强度为1 727 MPa，能够达到母材强度的96.7%，其平均延伸率为5.6%；焊接接头拉伸试样断裂位置均在热影响区与母材基体交界处（即部分相变区），断口特征均为韧窝聚集型韧性断口。

    transl

    参考文献

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