A105锻钢球阀激光深熔焊接工艺优化及组织性能研究
Study on Process Optimization and Microstructure and Properties of A105 Laser Welding
- 2024年54卷第3期 页码:89-98
纸质出版日期: 2024-03-25
DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.03.14
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采用正交试验对5 mm厚A105锻钢管件激光深熔焊接工艺参数进行优化,确定了各工艺参数对各响应量的影响程度及最优焊接工艺,对该最优工艺参数下焊接接头组织和力学特性进行研究。结果表明:在激光功率2.0 kW,焊接速度7 mm/s,离焦量-1 mm,保护气体流量20 L/min焊接参数条件下焊接效果最好,可以实现5 mm厚A105锻钢的高速稳定激光对接自熔焊接,焊接接头成形良好;激光功率对各响应量的影响最大,熔深和抗拉强度随激光功率的增大而增加;焊缝区域(WZ)晶粒尺寸较小,焊缝金属主要由板条状马氏体构成,其硬度高于母材(BM);热影响区(HAZ)较窄,出现粗细晶粒分层现象;焊接接头硬度分布不均匀,在焊缝熔合区(FZ)有着最高硬度408.8 HV;焊缝的强度优于母材。
Orthogonal test on 5 mm thick A105 forged steel pipe fittings laser self-melting welding process parameters optimization, to determine the degree of influence of each process parameter on the response of the amount and the optimal welding process, the optimal process parameters under the organization of the welded joints and mechanical properties of the study. The results show that: under the conditions of laser power 2.0 kW, welding speed 7 mm/s, defocus -1 mm, shielding gas flow 20 L/min welding parameters, the welding effect is the best, and the high-speed and stable laser butt fusion welding of 5 mm thick A105 forged steel can be realized, and the welded joints are well shaped; the laser power has the greatest influence on the response quantities, and the depth of fusion and tensile strength increase with the increase of laser power; the weld zone (WZZ) and the weld area (WZZ) are the most affected by laser power, and the weld joint organization and mechanical properties are investigated. increase; the weld zone (WZ) grain size is smaller, the weld metal is mainly composed of lath martensite, and its hardness is higher than that of the base material (BM); the heat-affected zone (HAZ) is narrower, and there is a phenomenon of coarse and fine grain delamination; the hardness of the welded joints is not uniformly distributed, and there is a maximum hardness of 408.8 HV in the fusion zone (FZ) of the weld joints; and the strength of the weld joints is better than that of the base material.
ASTM A105管道部件用碳素钢锻件是一种低碳钢,具有优异的可加工性和焊接性。在使用过程中能承受较大的冲击力,不易形成脆性断裂,具有很高的韧性,广泛应用于石油、天然气行业的压力容器、管道元件、小口径阀门或高压阀门生产加工。
国内外针对低碳钢激光焊接的研究主要集中在焊接工艺参数对焊缝组织和性能的影响、焊接缺陷及其解决措施[
中厚低碳钢板激光深熔焊接时更容易产生气孔、未焊透等焊接缺陷,目前国内仍以弧焊为主,焊接效率低[
试验材料A105圆钢由江苏诚功阀门科技有限公司提供,经机加工成尺寸100 mm×5 mm×150 mm的管对接焊试样,两管对接环焊间隙0~0.3 mm,激光束与加工表面垂直,试样尺寸及焊接如
图1 管对接焊试样及焊接示意
Fig.1 Sample and welding diagram of pipe butt welding
元素 | C | Si | Mn | S | P |
---|---|---|---|---|---|
实测值 | 0.2 | 0.24 | 0.96 | 0.006 | 0.008 |
ASTM | ≤0.35 | 0.1~0.35 | 0.6~1.05 | ≤0.04 | ≤0.035 |
元素 | Cr | Ni | Mo | Cu | V |
---|---|---|---|---|---|
实测值 | 0.12 | 0.06 | 0.003 | 0.05 | 0.004 |
ASTM | ≤0.3 | ≤0.4 | ≤0.12 | ≤0.4 | ≤0.08 |
采用激光深熔焊接方法,无填充材料,不开坡口,单面焊双面成形。焊接试验平台如
图2 激光焊接试验平台
Fig.2 Laser welding experimental platform
焊前清除样管表面的氧化皮和油污,将焊接样管对接口打磨齐平,先使用手持式激光焊接机点焊固定[
拉伸试验参考GB/T 228.1—2021《金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法》和GB/T2651—2023《金属材料焊缝破坏性试验 横向拉伸试验》标准,弯曲试验参考GB/T2653—2008《焊接接头弯曲试验方法》和ASTM E190—2014《焊缝延展性引导弯曲测试的标准测试方法》。在常温下采用WDW 3100型拉伸试验机进行横向拉伸试验和横向弯曲试验,试验前需去除衬垫。进行弯曲试验前采用机械方法去除试样上的余高,并对试样表面进行腐蚀处理以区分焊接区域的形状和位置,弯曲试验使用的直径为10 mm压头,弯曲角度为180°,拉伸试样和弯曲试样尺寸如
图3 拉伸试样和弯曲试验尺寸(单位:mm)
Fig.3 Sizes of the tensile and bending specimen(Unit:mm)
焊接接头硬度试验参考GB/T 35085—2018 《金属材料焊缝破坏性试验 激光和电子束焊接接头的维氏和努氏硬度》及GB/T4340.1—2009《金属材料 维氏硬度试验 第1部分:试验方法》进行,使用HVS-10数显显微硬度测试仪以0.98 N载荷、加载时间15 s进行显微硬度试验,在距焊接接头上、下表面2 mm处进行硬度测试,测量点间隔0.2 mm,测量点位置分布如
图4 维氏硬度试验硬度测试点位置
Fig.4 Schematic diagram of hardness testing point location
2.1.1 正交试验方案设计
焊接过程中将保护气体流量Q作为定量,以激光功率P、焊接速度v、离焦量ΔF为变量,以力学性能拉伸强度、面弯强度、背弯强度和焊后熔深为评价指标,进行三因素三水平正交试验,对比不同工艺参数组合下的焊缝成形质量。正交试验焊接因素水平表、L9(34)正交试验设计及结果见
因素 水平 | 激光功率(A) /kW | 焊接速度(B) /(mm·s-1) | 离焦量(C) /mm |
---|---|---|---|
1 | 2.0 | 6 | 0 |
2 | 1.9 | 5 | -1 |
3 | 1.8 | 7 | 1 |
试验号 | 激光功率(A)/kW | 焊接速度(B)/(mm/s) | 离焦量(C)/mm | 拉伸强度/MPa | 面弯强度/MPa | 背弯强度/MPa | 熔深/mm |
---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 2.0 | 6 | 0 | 467 | 1 505.26 | 1 547.60 | 5 |
2 | 2.0 | 5 | 1 | 501 | 1 623.52 | 1 191.36 | 5 |
3 | 2.0 | 7 | -1 | 514 | 1 630.82 | 1 687.76 | 5 |
4 | 1.9 | 6 | 1 | 465.5 | 1 398.42 | 1 503.16 | 5 |
5 | 1.9 | 5 | -1 | 493 | 1 401.60 | 1 521.68 | 4.8 |
6 | 1.9 | 7 | 0 | 481 | 1 375.32 | 1 436.64 | 4.4 |
7 | 1.8 | 6 | -1 | 410 | 1 525.42 | 432.16 | 3.6 |
8 | 1.8 | 5 | 0 | 514 | 1 645.42 | 1 299.40 | 4.5 |
9 | 1.8 | 7 | 1 | 283.5 | 1 411.52 | 429.24 | 1.6 |
根据试验结果将拉伸强度、面弯强度、背弯强度和焊缝熔深随不同焊接因素的变化分别绘制成曲线,如
图5 激光焊接不同水平下的各因素与响应量间的关系
Fig.5 Relationship between various factors and response quantities at different levels
不同焊接速度对应的抗拉强度、弯曲强度与熔深之间的关系如图
不同离焦量对应的抗拉强度、弯曲强度与焊接熔深之间的关系如图
不同焊接工艺参数下得到的焊缝横截面形貌如
图6 A105钢不同激光焊接工艺参数下的焊缝截面形貌
Fig.6 Joint cross-section morphology under different laser welding process parameters
2.1.2 正交试验极差分析
极差分析法是通过数理统计的方法计算出正交试验表中每列的极差R,根据极差值的大小判断求得试验的主次因素、优水平及最优组合[
极差 | 激光功率(A) P/kW | 焊接速度(B) v/(mm/s) | 离焦量(C) ΔF/mm |
---|---|---|---|
拉伸强度极差R1 | 91.5 | 76.5 | 70.7 |
面弯强度极差R2 | 195 | 84 | 41 |
背弯强度极差R3 | 766.9 | 176.5 | 386.6 |
焊缝熔深极差R4 | 1.533 | 1.3 | 0.933 |
结合因素极差值对比各因素的优劣。由
采用上述正交试验优化后得到的工艺参数进行激光焊接试验,对所得焊接接头进行组织及力学性能分析。
以上述优化参数对A105钢管试样进行激光自熔焊,焊接后去除衬垫得到的焊接接头表面形貌如
图7 A105钢激光自熔焊焊缝表面形貌特征
Fig.7 Surface morphology characteristics of laser welding seam of A105 steel
(a)焊缝外部 (b)焊缝内部
A105钢焊缝横截面宏观组织特征如
图8 A105钢焊缝横截面宏观组织特征
Fig.8 Macrostructural characteristics of A105 steel weld cross section
热影响区出现颜色较深的粗晶区与白色相细晶区分层现象,如
以上述优化参数焊接得到的A105钢激光自熔焊接接头微观组织如
图9 焊缝不同区域的微观组织
Fig.9 Microstructure of different areas of the weld seam
(a)(b)(c)母材;(d)(e)(f)热影响区;(g)(h)(i)焊缝区
热影响区显微组织如图
焊接接头焊缝区显微组织如图
2.4.1 显微硬度
根据
图10 A105钢焊接接头的显微硬度分布
Fig.10 Microhardness distribution diagram of A105 steel welded joints
母材、热影响区、焊缝区平均硬度为169 HV、288 HV、372 HV,焊缝区域整体的硬度值高于热影响区和母材区,由于焊缝边缘的冷却速度要高于焊缝中心,焊缝向热影响区过渡的熔合区硬度稍有升高,显微硬度最高值408.8 HV。焊接接头的相结构及分布状态决定了接头硬度分布状态,母材主要由大量多边形的铁素体等轴晶和片状珠光体相互连接而成,熔合区组织为晶粒较粗大的铁素体、魏氏体和贝氏体,焊缝区中心显微组织多由细小的先共析铁素体和板条状马氏体组成。由于先共析铁素体为低屈服点的脆性相,因而使焊缝的金属的韧性降低。马氏体与贝氏体的硬度总体都比铁素体的硬度要高[
2.4.2 拉伸性能
对优化工艺参数下的焊接接头和母材进行室温拉伸试验并对比,为确保试验数据准确性,分别进行3次横向拉伸试验,取3组试验的抗拉强度平均值作为结果。待拉伸断裂后分别记录抗拉强度值、屈服强度值、伸长率、收缩率和断裂位置,试验结果如
试样 | 抗拉强度 /MPa | 屈服强度 /MPa | 伸长率 /% | 收缩率 /% | 断裂 位置 |
---|---|---|---|---|---|
母材 | 517 | 324 | 32.8 | 73.5 | 母材 |
焊接接头 | 514 | 429 | 23 | 61 | 母材 |
图11 焊接接头拉伸试样的工程应力应变曲线
Fig.11 Engineering stress-strain curve of tensile specimens for welded joints
由
拉伸断口宏观形貌如
图12 拉伸断口SEM微观形貌
Fig.12 SEM morphologies of tensile fracture surface
2.4.3 弯曲性能
对优化工艺参数下的焊接接头进行弯曲试验,为确保试验数据的可靠性,分别进行了3组面弯和3组背弯试验,A105钢焊接接头弯曲试验结果如
试验组 | 面弯强度σ1/MPa | 背弯强度σ2/MPa |
---|---|---|
1组 | 1 505.26 | 1 547.60 |
2组 | 1 623.52 | 1 191.36 |
3组 | 1 630.82 | 1 687.76 |
采用RFL-C2000型光纤连续激光器对A105锻钢管件进行对接自熔焊接,通过正交试验获得5 mm厚A105锻钢管对接自熔焊最优激光焊接工艺参数,研究了该焊接工艺参数下的焊接接头组织与力学性能,得到以下结论:
(1)激光功率对各响应量的影响最大,焊接速度次之,离焦量的影响程度最小。A105锻钢管对接激光深熔焊最优焊接工艺参数为:激光功率2.0 kW,焊接速度7 mm/s,离焦量-1 mm,该优化工艺下的焊接接头抗拉强度优于母材。可实现5 mm厚A105锻钢管对接激光深熔稳定焊接,实现一次焊透、单面焊双面成形。
(2)激光焊接接头宏观形貌呈倒锥形状,由焊缝区、热影响区、母材三个区域组成;焊缝正反表面呈银灰色,成形质量良好。焊缝区组织晶粒尺寸较小主要为板条状马氏体和少量细小铁素体、残余奥氏体;热影响区较窄,其组织由铁素体、珠光体和少量魏氏体组成,并出现粗晶区与细晶区分层现象。
(3)最优焊接工艺参数下的焊接接头强度性能稳定,平均抗拉强度为514 MPa。焊接接头显微硬度以焊缝中心对称,整体呈现“M”形结构分布;母材平均显微硬度值最低,焊缝向热影响区过渡的熔合区硬度取得最大408.8 HV。最优焊接工艺参数下的弯曲试样均未发生断裂且表面无裂纹,焊接接头弯曲性能良好。
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