CN102419290A - 一种判断热处理改善马氏体时效钢带激光焊接强度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种判断焊后热处理改善马氏体时效钢带焊接强度的方法，通过测量不同焊后热处理焊缝区域的硬度分布，以热影响区和母材区硬度比率为参数判断断裂位置，以已判断的断裂位置区的硬度与原始马氏体母材硬度的比率为参数评价焊后热处理对焊接强度的改善效果，从而选择适用的焊后热处理工艺，解决了常规的需要通过拉伸试验选择焊后热处理工艺的问题。本发明仅通过少量硬度测量试样即可实现，不仅试验效率高，而且使用试样数量少，降低试验成本。
Description
技术领域
本发明公开一种判断焊后热处理改善马氏体时效钢带焊接强度的方法，涉及焊后热处理改善超高强度马氏体时效钢激光焊接接头拉伸强度的判断方法，属于金属热处理技术领域。
背景技术
马氏体时效钢是1960年以后发展起来的一类超低碳高合金钢。该钢种集超高强度和高韧性与一身，同时具有较好的成型和焊接性能，因此，主要应用于军事、航空航天、电力等领域。从合金元素构成上加以区别，主要有两类，一类为Fe-Ni合金系（Ni含量为18%，Co含量为8-13%），另一类为Fe-Cr-Ni合金系（Cr含量为10.2-16%，Ni含量为3.9-10.8%），此外，钢中通常含有Mo、Ti、Al、Cu等合金元素。马氏体时效钢的超高强度源自细小的金属间化合物在马氏体基体上弥散析出造成的沉淀硬化。通常这种组织可通过两步热处理方法获得，首先在815-900℃进行固溶退火处理，形成马氏体组织，然后在400-600℃进行沉淀硬化处理。钢带是马氏体时效钢的一种重要产品，可作为传送带、热压钢带使用。
超高强度马氏体时效钢的突出特点是具有良好的可焊性，在不预热条件下可进行电子束、激光和埋弧焊接。通常情况下，从经济性和焊接质量综合考虑，应用钨极氩弧焊接最为普遍。超高强度马氏体时效钢的激光焊接通常用在一些关键领域，因为激光焊接具有很多卓越特性，如较高的焊接速度、低的热输入、深的穿透性、窄的热影响区和不用焊丝等等。激光焊接可以焊透2-5mm的马氏体时效钢带，因此，是一种较佳的联接方法。此外，超高强度马氏体时效钢带焊接接头力学性能可通过焊后热处理的方法加以改善，如采用焊后直接时效处理、固溶处理+时效处理或均匀化处理+固溶处理+时效处理等方法，其中焊后直接时效处理最为简便和实用，特别是对于那些在焊接前已经时效处理的大型结构组件，焊后只需要在焊缝局部区域进行时效处理即可。在焊接区域，通常焊缝热影响区具有较低硬度，因而成为最为薄弱的部位，也是断裂经常发生的部位。焊后热处理能够有效地提高熔合区和热影响区的硬度，提高焊接接头的力学性能。
然而，目前国内尚未有对超高强度马氏体时效钢激光焊接接头拉伸断裂位置和焊后热处理改善拉伸性能进行判断的技术方法，仅通过测试不同热处理条件下焊缝区域的拉伸试验来评价，因此，需要加工较多的拉伸试样，增加了试验周期和成本。
发明内容
本发明公开一种判断焊后热处理改善马氏体时效钢带焊接强度的方法，解决了目前无法利用焊缝区域硬度分布变化判断拉伸强度的局限性，为评价焊后热处理对拉伸强度的影响效果提供一种新的途径。
本发明的技术解决方案如下：利用焊缝区域硬度分布评价断裂位置和焊后热处理对强度改善效果，依据材料的硬度与屈服强度之间通常遵从关系式：
H=cY
其中，H为硬度，Y为屈服强度，C为材料常数，对金属材料C通常取3。
本发明涉及一种通过对焊后热处理马氏体时效钢带的焊缝熔合区、热影响区和母材区硬度分布测量，建立两个参数，即热影响区与母材区硬度比率RF和断裂区硬度与母材区硬度比率RI，判断断裂位置和屈服强度的改善程度。两个参数的表达式如下：
其中，H HAZ 为热影响区的硬度, H TP 为母材区的硬度，H P 为焊接前母材的硬度。
当RF<1时，断裂位置发生在热影响区，反之则发生在母材区。R I 为热处理后母材区硬度或热影响区硬度与原始母材硬度比率，用来评价热处理后焊缝处屈服强度与原始母材相比是否改善。
通常出现两种情况：
1、如果RF＞1.0，断裂发生在母材区，用（2）式评价焊后热处理改善焊接接头拉伸性能程度，即R I ＞1，则热处理后，激光焊接接头屈服强度超过原始母材，R I 值越大，热处理改善效果越佳。R I ＜1，表示焊接接头屈服强度低于原始母材。
2、如果RF＜1.0，断裂发生在热影响区，用（3）式评价焊后热处理改善焊接接头拉伸性能程度，即R I ＞1，则热处理后，激光焊接接头屈服强度超过原始母材，反之则低于原始母材。
具体过程如下：
1）测量原始马氏体时效钢带母材的维氏硬度
采用200g 载荷测量原始母材的维氏硬度；
2）焊后热处理激光焊接接头区域截面中间的维氏硬度测量
在焊后热处理激光焊接钢带接头处切取长度为20mm，宽为10mm的矩形试样，试样厚度为对接钢带的厚度，焊缝位于试样中心位置，然后按照以下步骤进行：
a) 制成金相镶嵌试样，焊接接头横截面位于镶嵌试样的磨面上；经磨制、抛光、硝酸酒精腐蚀制成表面粗糙度为0.4μm的进行试样；
b) 采用200g 载荷测量熔合区、热影响区和母材区在截面中间线上的维氏硬度，热影响区的硬度取该区域的最低值；
c) 计算RF，如果RF＞1.0，断裂发生在母材区，RF＜1.0，断裂发生在热影响区；
d) RF＞1.0，计算
；RF＜1.0，则计算
；
e) RI大于1时，焊接强度高于原始母材强度，RI小于1时，焊接强度低于原始母材强度，可选择R I 值较大的热处理工艺进行焊后处理。
本发明的积极效果在于：本发明通过硬度和屈服性能的内在联系，建立以焊后时效处理的热影响区与母材区的硬度比率来判断断裂位置，以断裂位置（热影响区或母材区）和原始母材的硬度比率来判断焊后热处理的改善效率，从而为选择超高强度马氏体时效钢的焊后热处理工艺提供方便、快捷、经济的方法。
采用本发明技术方法的效果和优点：
1. 提供了一种判断焊后热处理马氏体时效钢焊接接头强度技术方法。通过测量不同热处理条件下焊接接头熔合区、热影响区和母材区的维氏硬度，可选择合适的焊后热处理工艺，并评价拉伸性能的改善。其先进之处在于不必通过拉伸性能检测，即能确定合适的焊后热处理工艺参数。
2. 本发明技术在评价焊后热处理改善超高强度马氏体时效钢带的拉伸强度时，仅通过少量硬度测量试样即可实现，不仅试验效率高，而且使用试样数量少，降低试验成本。
3. 选择本发明技术中的R I ＞1的焊后热处理的超高强度钢带激光焊接接头的力学性能，可达到或超过原始母材的拉伸强度。
附图说明
图1为焊接接头的组织图；中间为熔合区，两边为热影响区，最外边为未受影响的母材区。
图2为焊缝区的硬度分布图；母材区1、5，热影响区2、4，熔合区3。
具体实施方式
通过以下实施例进一步举例描述本发明，并不以任何方式限制本发明，在不背离本发明的技术解决方案的前提下，对本发明所作的本领域普通技术人员容易实现的任何改动或改变都将落入本发明的权利要求范围之内。
实施例1
原始母材为Fe-Cr-Ni系马氏体时效钢钢带，化学成分为0.050%C-13.62%Cr-6.82%Ni-1.43%Si-0.19%Co-0.76%Mo-0.34%Ti-0.76%Cu，厚度为3.0 mm。经420℃/1小时/空冷时效处理后，硬度为460 HV。采用CO2激光器进行对焊，工艺参数：功率3kW,焊接速度2.0m/min,光斑直径0.6mm,焦点位于加工表面，保护气为Ar和He,流量 Ar: 1.05 m3/h+He: 0.45 m3/h。
见附图1为焊接接头的组织，中间为熔合区，两边为热影响区，最外边为未受影响的母材区。
附图2为焊缝区的硬度分布，母材区1、5，热影响区2、4，熔合区3。
在420-580℃温度区间，经2小时时效处理后，不同温度下各区域的硬度如表1所示，表中还给出了RF、RI计算值、预测断裂位置和改善效果。
表1 不同热处理状态Fe-Cr-Ni系马氏体时效钢焊缝的硬度、预测断裂位置和拉伸强度改善效果
| 测试样品 | 处理温度(oC) | 熔合区硬度(HV) | 热影响区硬度(HV) | 母材区硬度(HV) | RF | 预测断裂位置 | RI | 预测改善效果 |
| 实施例1 | 420 | 475 | 465 | 495 | 0.93 | 热影响区 | 1.01 | 改善 |
| 实施例1 | 460 | 498 | 492 | 483 | 1.02 | 母材区 | 1.05 | 改善 |
| 实施例1 | 500 | 490 | 470 | 465 | 1.01 | 母材区 | 1.01 | 改善 |
| 实施例1 | 540 | 478 | 450 | 440 | 1.02 | 母材区 | 0.96 | 未改善 |
| 实施例1 | 580 | 445 | 440 | 430 | 1.02 | 母材区 | 0.93 | 未改善 |
| 未处理 | 355 | 325 | 460 | 0.71 | 热影响区 | 0.71 | 未改善 | |
| 原始母材 | - | - | 460 | - | - | - | - |
试验例1
取实施例1中相同条件处理的样品，进行了拉伸性能测试，结果见表2：
表2 不同热处理状态Fe-Cr-Ni系马氏体时效钢焊接接头的拉伸性能实测值
| 测试样 | 样品处理温度(oC) | 断裂位置 | 屈服强度(MPa) | 抗拉强度（MPa） | 延伸率(%) | 屈服强度比率（焊接接头/原始母材） |
| 实施例1 | 420 | 热影响区 | 1363.72 | 1477.1 | 2.4 | 1.04 |
| 实施例1 | 460 | 母材区 | 1493.9 | 1512.8 | 6.3 | 1.14 |
| 实施例1 | 500 | 母材区 | 1337.1 | 1411.6 | 8.1 | 1.02 |
| 实施例1 | 540 | 母材区 | 1239.2 | 1366.8 | 7.9 | 0.95 |
| 实施例1 | 580 | 母材区 | 1196.3 | 1259.5 | 10.5 | 0.91 |
| 未处理 | - | 热影响区 | 994.8 | 1272.1 | 1.6 | 0.76 |
| 原始母材 | - | - | 1303.8 | 1426.3 | 5.6 | - |
表2为经同样工艺热处理后的拉伸性能实测值，对比可以看出采用本发明可以准确判断出断裂位置和改善效果，而且460℃时效处理具有最大的RI值，经该温度处理后实测的激光焊接屈服强度也最大，二者符合较好。
实施例2
原始母材为厚度为4.0mm的Fe- Ni系马氏体时效钢带，化学成分为0.01%C -18.1%Ni-8.3% Co –4.6%Mo-0.43%Ti-0.15%Al。经800℃固溶处理后，硬度为460HV。采用CO2激光器进行对焊，工艺参数为：功率3.5kW,焊接速度2.0mm/min,光斑直径0.6mm,焦点位于加工表面下1.6mm，保护气为He,流量 1.8 m3/h。经480℃3小时时效处理后，各区域的硬度如表3所示，表中还给出了RF、RI计算值、预测断裂位置和改善效果。
表3 不同热处理状态Fe- Ni系马氏体时效钢焊缝的硬度、预测断裂位置和拉伸强度改善效果
| 测试样品 | 处理温度(oC) | 熔合区硬度(HV) | 热影响区硬度(HV) | 母材区硬度(HV) | RF | 预测断裂位置 | RI | 预测改善效果 |
| 实施例2 | 480 | 539 | 480 | 530 | 0.88 | 热影响区 | 1.30 | 改善 |
| 未处理 | - | 340 | 315 | 368 | 0.84 | 热影响区 | 0.86 | 未改善 |
| 原始母材 | - | - | - | 368 | - | - | - | - |
试验例2
取实施例2中相同条件处理的样品，进行了拉伸性能测试，结果见表4：
表4不同热处理状态Fe- Ni系马氏体时效钢焊缝拉伸性能实测值
| 测试样品 | 处理温度(oC) | 断裂位置 | 屈服强度(MPa) | 抗拉强度(MPa) | 延伸率（%） | 屈服强度比率（焊接接头/原始母材） |
| 实施例2 | 480 | 热影响区 | 1490 | 1598 | 5.9 | 1.55 |
| 未处理 | - | 热影响区 | 920 | 1018 | 8.5 | 0.96 |
| 原始母材 | - | - | 956 | 1013 | 9.8 | - |
结论：表4为经同样工艺热处理后的拉伸性能实测值，对比可以看出采用本发明可以准确判断出断裂位置和改善效果。
Claims (1)
1. 一种判断焊后热处理改善马氏体时效钢带焊接强度的方法，利用焊缝区域硬度分布评价断裂位置和焊后热处理对强度改善效果，包括：
1）测量原始马氏体时效钢带母材的维氏硬度
采用200g 载荷测量原始母材的维氏硬度H P ；
2）焊后热处理激光焊接接头区域截面中间的维氏硬度测量
在焊后热处理激光焊接钢带接头处切取试样，试样厚度为对接钢带的厚度，焊缝位于试样中心位置，然后按照以下步骤进行：
a)制成金相镶嵌试样，焊接接头横截面位于镶嵌试样的磨面上；经磨制、抛光、硝酸酒精腐蚀制成表面粗糙度为0.4μm的进行试样；
b)采用200g 载荷测量熔合区、热影响区和母材区在截面中间线上的维氏硬度，热影响区的硬度取该区域的最低值；
c)根据公式 
计算RF，如果RF＞1.0，断裂发生在母材区，RF＜1.0，断裂发生在热影响区；
其中，H HAZ 为热影响区的硬度, H TP 为母材区的硬度；
d)如：RF＞1.0，计算；RF＜1.0，则计算
；其中，H P 为焊接前母材的硬度；
e)从R I ＞1的热处理工艺中选择焊后处理工艺参数。
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