锯片用钢的激光切割热影响区及其影响分析

锯片用钢的激光切割热影响区及其影响分析焦健1郭继富1王林1王铁宝2（1.唐山冶金锯片有限公司河北唐山063000；2.河北工业大学材料科学与工程学院天津300132）摘要采用脉冲CO2激光对锯片用钢进行了切割试验，研究了切口表面的形貌及成分，以及热影响区的尺寸和显微组织；分析了热影响区对试件单向拉伸性能和疲劳寿命的影响，并对疲劳断口进行了显微分析。关键词激光切割；热影响区；显微组织；力学性能InvestigationofHAZandItsInfluenceofLaserCuttingsawsteelJIAOjian1，GUOJI-fu1，WANGlin1，LIGUO-bin2（1.TangshanMetallurgicalSawBladeCo.,Ltd，HebeiTangshan063000，China；2.SchoolofMaterialsscienceandEngineering，HebeiUniversityofTechnology，Tianjin300132，China）AabstractThepulsedCO2lasercuttingexperi-mentofsawsteeliscarriedouttostudythemorphologyandelementoffracturesurfaceaswellasthesizeandmicrostructureofhearaffectedzone.Theinfluencesofheataffectedzoneonsingle-directiontesilepropertiesandfatiguelifeofspecimenareanalyzed,andthefactiguefractureisstudiedusingmicroscope.KeywordsLasercutting；Heataffectedzone；Mi-crostructure；Mechanicalproperty0引言某种锯片用钢种制作的锯片出现了未出厂就出现齿座开裂、齿根圆弧开裂的现象，同样，部分产品在使用过程中也不同程度的出现了类似现象，如图1.1所示，而且其中的相当一部分都是在使用初期出现类似问题。由于开裂问题的存在，致使产品的寿命和性能大大降低。因此，找出断裂的原因和提出相应的解决方案就显得尤为重要，因此对类似问题进行了研究、分析。图1.1试样照片Fig1.1Photoofthesample为了分析断齿原因，在废料上截取试样，制备试样。计划通过观察试样组织形貌，分析裂纹产生及断裂原因。通过研究加工工序流程及查阅相关资料在理论上推测裂纹产生及断裂原因如下[1]-[4]：由于断齿发生在激光切割后的回火处理工艺之后、未进行切割工作之前，由此推断裂纹在激光加工工艺过程中，且在激光切割后的回火处理工艺中未能得到改善。1试验条件和方法取样钢板厚度6mm，热处理状态为淬火+回火态。激光器为国产某型号脉冲CO2激光器上进行。切割参数为：输出功率2kW，激光频率为190Hz，波长10.6μm，光束传播指数M2＜2.5，光束发散量为半角1.5mrad，光束直径为14.5mm1/e2，脉冲重复速度0-2KHz，切割速度为1500mm/min，辅助气体为氮气，压力为0.9MPa。2试验结果与分析在激光切割时，由于激光的切割温度过高，且该类锯片用钢属于高碳钢，因此会在高温下附近区域形成片状（针状）马氏体。激光切割由于加热时间短，热影响区域小，硬化层较浅，一般只有0.3～1.0mm。激光切割时，材料表面升温速度可达(104～106)℃·s-1，使材料表面迅速达到奥氏体化温度，原有材料中珠光体组织通过无扩散转化为奥氏体组织，随后通过自身热传递以(106～108)℃·s-1的冷却速度快速冷却，奥氏体组织通过无扩散过程转化为细小的马氏体组织，位错密度极高，可达1012cm-2。下列照片为激光切割试样的剖面SEM（扫描电镜）照片。图2.1激光切割断面显微照片Fig2.1Surfacemorphologyoflasercutting图2.1A，2.1B为整个断面的全景SEM图像。从图中可以看出，比较明显的由于激光加工而造成的激光淬火层。而且在图2.2中可以较为明显的观察到由于激光淬火而形成的三个激光处理区域呈现出阶梯状出现。图2.1C、图2.1D所示为激光硬化层上出现的微观裂纹的SEM照片。这些微观裂纹的存在，并随着锯片的工作，在工作中的不断扩展，就是发生最终断裂的原因所在。我们通过观察金相试样得到如下发现，如图2.2所示。ABCD图2.2激光切割断面显微照片Fig2.2Surfacemorphologyoflasercutting在图2.2中，可以看到微观裂纹所产生的宏观裂纹源，由于激光加工时可能存在的杂质、钢材本身存在的成分不均匀、杂质、偏析等，都会造成类似裂纹源的产生。微观的裂纹就是在裂纹源处不断的形成、扩展，并最终导致开裂的。激光对材料进行切断时，表面温度远高于奥氏体化温度，从表层到次表层依次可以分为激光处理区（奥氏体相变区）和基体材料区。其中，激光处理区又可以分为三层[2]：第一层的组织是马氏体；第二层中包括马氏体、贝氏体和珠光体，是混合组织；第三层是热影响区，是非相变组织。淬硬层一般小于1mm，硬度可以达到较高的值，取决于含碳量的高低。激光相变硬化时，被加热的材料的成分一般是不均匀的，存在成分偏析现象。下面的图2.3是对断口最外层部位所作的EDS分析。图2.3激光切割断口EDS扫描结果Fig2.3EDSresultoflasercutting对最外层的组织进行EDS分析。分别出现了Fe、O、C三种元素的峰值，由此可以推断出，在能谱所选区域内，出现了铁的氧化物、碳化物的存在，也可能存在着游离态的碳。这些物质都可能是裂纹源的组成部分。图2.4激光切割断口EDS扫描结果Fig2.4EDSresultoflasercutting图2.4是对混合层进行的EDS分析，可以看出，只出现了Fe峰、O峰，此时没有了C峰的存在。说明在这一层中，只有铁的部分氧化物存在。同样，这些氧化物也可能是裂纹源的构成部分。图2.5激光切割断口EDS扫描结果Fig2.5EDSresultoflasercutting图2.6激光切割断口EDS扫描结果Fig2.6EDSresultoflasercutting图2.5、2.6中，对所选区域的EDS分析表明：只出现了Fe元素的峰值，证明这两个区域内成分均匀、稳定，不会是裂纹的形成区和源发区。图2.7激光切割断面显微照片Fig2.7Surfacemorphologyoflasercutting从图2.7A、2.7B中可以看出，硬化区为细针状马氏体+残余奥氏体，过渡区组织为隐针马氏体+残余碳化物，含碳量越高，残余碳化物越多。针状马氏体的一个片体长大速度（10-7/s）要明显高于板条马氏体的一个片体的长大速度（10-4/s）。在针状马氏体的长大过程中，马氏体之间相互撞击、马氏体与奥氏体晶界相互间撞击时，将因冲击引起相当大的应力场，且针状马氏体属于硬脆相，不能通过滑移或者孪生来消除应力，因此容易形成撞击裂纹，裂纹多出现在几个马氏体的针叶之中。这种裂纹在其它应力（如热应力和组织应力）的作用下，会发展成宏观裂纹，并最终导致开裂[5]-[8]。马氏体中含碳量过高会及位错增多会引起显微裂纹敏感度的上升、位错的增多同样会造成位错塞积，从而形成应力集中区，易于裂纹的形成。AB图2.8激光切割断面显微照片Fig2.8Surfacemorphologyoflasercutting图2.8为淬硬层的SEM图像。从图中可以比较明显的看出：分层现象明显，且从微观上观察层间隙较大，见局部A；同层间存在着由孔隙的存在而形成的断裂，见局部B；所选视场内孔坑的数量较多，如局部C所示，由此可以推断出在大范围内，类似孔坑应该是大量存在的，这些孔坑在应力的作用下，微孔就会被拉长而形抛物线形的孔坑，最终被拉断，和由此造成的断裂，是淬硬层微观裂纹产生的原因。锯片在使用过程中，不断的进行切割作业，片体不断的与被切割材料进行反复的冲击。在片体上有周期性的接触载荷和交变应力，对材料进行碾压，使得表面或者次表面形成这些裂纹[5]-[8]。如图2.9A、B、C所示。图中断口存在着河流状花纹，可以看出断口为脆性的解理断裂。A.BC图2.9疲劳断口形貌Fig2.9Surfacemorphologyoffatiguefracture在材料中含有许多细小的微裂纹，如图2.9A所示，当受到拉应力作用时，这些裂纹附近就产生应力集中现象，当它达到一定程度时就会发生断裂，如图2.9C所示。裂缝扩大成脆性断口时，裂缝两边的表面积就要增加，引起表面能的增加，这是裂纹扩展的阻力；由于裂纹扩展，弹性材料要释放出弹性应变能，它是裂纹扩展的驱动力。根据格雷菲斯理论：当弹性应变能减少到至少等于裂纹新产生的表面能所需的能量时，裂纹就会传播。而片体的周期往复工作正为裂纹的传播提供了帮助。3.结论及解决方案（1）由于热影响区材料较脆，且切口表面存在应力集中和微裂纹，使得试件的疲劳寿命降低。（2）疲劳源产生于切口表面。由于切口表面存在应力集中和粗糙的沟槽以及微裂纹，因而易于产生裂纹。裂纹扩展区为解理状断口，裂纹沿着脆化的晶界向材料内部不断扩展而产生的，体现出脆性沿晶断裂的特征。ABC（3）保证适度的机加工量，尽可能的将激光切割时产生的淬火区在机加工时去掉，从根本上降低断裂的风险性。严格控制齿座处R0.3~0.5倒角的磨削。通过修磨圆弧倒角的方式来避免在齿座处形成直角，形成应力集中区域。参考文献：[1]韩志仁，孙伟，许旭东等．TC1钛合金板激光切割热影响区组织分布[J]．辽宁工程技术大学学报(自然科学版)，2010，04：650-652[2]杜亚勤，洪波．40Cr激光相变硬化工艺的研究[J]．纺织高校基础科学学报，2000，04：360-364[3]邱玲，李刚，邱星武．40Cr激光熔凝硬化组织形态及性能研究[J]．热加工工艺，2008，06：34-37[4]王家金．激光加工技术[M]．北京：中国计量出版社，1989，35[5]郭继富，苑少强．进口冶金锯片用钢8CrNi的组织及力学性能[J]．唐山学院学报，2009,03：27-29[6]苑少强，郭继富，韩会杰等．回火温度对冶金锯片用钢8CrV组织及性能的影响[J]．热加工工艺，2009，18：110-112[7]韩会杰，郭继富，张艳龙．金属热切圆锯片裂纹产生原因分析及预防[J]．天津冶金，2008，01：35-36[8]苑少强，郭继富，韩会杰等．不同回火温度对圆锯片用钢8CrV力学性能的影响[J]．唐山学院学报，2009,03：12-13