激光-電弧復(fù)合焊接高強(qiáng)鋼顯微組織與力學(xué)性能

蔡志海， 秦 航， 何嘉武， 柳 建， 梁秀兵

(1. 陸軍裝甲兵學(xué)院機(jī)械產(chǎn)品再制造國(guó)家工程研究中心， 北京 100072； 2. 陸軍裝甲兵學(xué)院科研學(xué)術(shù)處，北京 100072)

目前，高強(qiáng)鋼因具有較高強(qiáng)度和韌性，已作為結(jié)構(gòu)鋼廣泛應(yīng)用于航空航天、軍工、能源、船舶和石油管道等重要結(jié)構(gòu)件，其一般采用傳統(tǒng)的手工電弧焊接[1-3]。受高強(qiáng)鋼成分、性能及手工電弧焊接技術(shù)特點(diǎn)的影響，焊接時(shí)常出現(xiàn)焊接效率低、焊接變形大、焊前/焊后處理工序多等問題[4-6],導(dǎo)致手工電弧焊接難以滿足高強(qiáng)鋼高質(zhì)、高效的焊接要求。激光焊接具有作用時(shí)間短、效率高、速度快、變形小、焊縫質(zhì)量高和焊接精度高的特點(diǎn)，但焊接厚板時(shí)對(duì)激光焊接的裝夾精度要求過高，設(shè)備一次性投入大。

激光-電弧復(fù)合焊接[7-10]是一種新型焊接技術(shù)，它結(jié)合了激光焊接與電弧焊接的優(yōu)點(diǎn)，具有焊接熔深大、工藝穩(wěn)定性高、焊接效率高、焊接縫隙橋接能力強(qiáng)、可焊材料范圍廣及焊接變形小等優(yōu)點(diǎn)。相關(guān)研究[11-12]表明：在500～800 MPa級(jí)的高強(qiáng)鋼上，激光-電弧復(fù)合焊表現(xiàn)出優(yōu)越的焊接性能，無需焊前/焊后附加工序，焊接效率大幅提升，焊縫組織和力學(xué)性能均優(yōu)于母材。徐國(guó)建等[13]研究了焊接參數(shù)對(duì)激光-電弧復(fù)合焊接780 MPa高強(qiáng)鋼板的影響，得到

了工藝參數(shù)對(duì)焊接性能的影響規(guī)律。李響[14]對(duì)板厚6 mm的590 MPa高強(qiáng)鋼進(jìn)行了光纖激光-電弧復(fù)合焊接，得到了最佳焊接參數(shù)，并對(duì)焊縫性能進(jìn)行了測(cè)試。然而，針對(duì)1 000 MPa級(jí)以上高強(qiáng)鋼的焊接工藝和性能研究仍然較少。鑒于此，筆者分別采用傳統(tǒng)CO2氣體保護(hù)焊及激光-電弧復(fù)合焊對(duì)厚度為8 mm的1 000 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼進(jìn)行焊接，并對(duì)其工藝及性能進(jìn)行對(duì)比研究。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

母材采用1 000 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼，組織為回火馬氏體，其尺寸為150 mm×100 mm×8 mm。焊絲選用Φ1.2 mm的ER307(H1Cr21Ni10Mn6)不銹鋼。實(shí)驗(yàn)材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表1、2所示。

表1 實(shí)驗(yàn)材料化學(xué)成分 wt%

表2 實(shí)驗(yàn)材料力學(xué)性能

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

分別采用激光-電弧復(fù)合焊和CO2氣體保護(hù)焊2種方式對(duì)1 000 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼進(jìn)行平板對(duì)接焊接。激光-電弧復(fù)合焊采用IPG公司的YLS-6000光纖激光器和Fronius TPS-5000數(shù)字化焊機(jī)，其中：激光器的額定功率為6 kW，激光波長(zhǎng)為 1 070 nm，激光光束參數(shù)積(Beam Parameter Product,BPP)約為4.2 mm·mrad，光纖傳輸芯徑和準(zhǔn)直鏡焦長(zhǎng)分別為200 μm和200 mm，經(jīng)焦距300 mm的聚焦鏡聚焦獲得直徑為0.2 mm的光斑。激光頭及焊接頭均掛于KUKA六軸機(jī)械臂上，激光垂直于母材板面，而焊絲與母材板面夾角為60°，采用激光在前的方式進(jìn)行焊接。CO2氣體保護(hù)焊使用Fronius TPS-5000數(shù)字化焊機(jī)配手持焊槍施焊。

激光-電弧復(fù)合焊接時(shí),母材不開坡口，焊接方式為單道焊接雙面成形；CO2氣體保護(hù)焊接時(shí)，母材單邊開30°坡口，坡口無鈍邊，焊接方式為雙面打底焊+正面蓋面焊。其余焊接參數(shù)見表3。

表3 焊接參數(shù)

1.3 表征和測(cè)試手段

沿垂直于焊縫方向切出金相試樣，經(jīng)打磨、拋光和φ(HCl)∶φ(HNO3)∶φ(甲醇) =45∶15∶20的甲醇王水腐蝕后，用Olympus GX-51型光學(xué)金相顯微鏡觀察微觀結(jié)構(gòu)。采用D8型X射線衍射儀(X-Ray Diffraction, XRD)分析焊縫中心的相結(jié)構(gòu)，Cu靶，Kα射線，入射波長(zhǎng)λ=0.154 nm，衍射范圍為20°～100°，步長(zhǎng)為0.02°。采用Scherrer公式

Dhkl=Kλ/(βcosθ)

(1)

計(jì)算晶粒尺寸，式中：Dhkl為垂直于晶面(hkl)方向的晶粒直徑(nm)；K=0.89，為Scherrer常數(shù)；β為衍射峰半高寬(rad)；θ為衍射角(°)。

以母材上表面為基準(zhǔn)，距其2、4、6 mm處作垂直于焊縫的顯微硬度分布測(cè)試，水平方向步長(zhǎng)為0.5 mm，每點(diǎn)測(cè)量3次，取平均值。

依據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》[15]制備與測(cè)試?yán)煸嚇印Ｊ覝叵?，通過WAW-600計(jì)算機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，注意應(yīng)保持焊縫在標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣的中間位置并垂直于該試樣的縱軸線。每種焊縫拉伸試樣各3個(gè)，取平均值。

通過Philips Quant200型掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)觀察斷口形貌，并通過Genesis型能譜儀(Energy Dispersive Spectrometer,EDS)進(jìn)行斷面微區(qū)成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 顯微組織

圖1、2分別為2種焊接方式得到的焊縫組織形貌?？梢钥闯觯?)采用CO2氣體保護(hù)焊焊后的鋼板變形大，需壓板機(jī)矯正，而采用激光-電弧復(fù)合焊焊后的鋼板無變形，這是因?yàn)榍罢吆附铀俣嚷?、熱輸入大?)2種焊接方式的焊縫結(jié)構(gòu)均為柱狀晶組織，但晶粒尺寸不同，其中CO2氣體保護(hù)焊的焊縫柱狀晶粒尺寸約為30～40 μm，激光-電弧復(fù)合焊約為10～20 μm，這是因?yàn)榍罢邿彷斎氪?、冷卻速度慢，使得焊縫柱狀晶粒得到了充分生長(zhǎng)，而后者的熱輸入小、熔池冷卻速度快，在快速冷卻過程中不同生長(zhǎng)方向的柱狀晶相互分割，形成大量短小的晶簇，使焊縫晶粒得以進(jìn)一步細(xì)化。

圖1 CO2氣體保護(hù)焊焊縫組織形貌

圖2 激光-電弧復(fù)合焊焊縫組織形貌

2.2 XRD物相分析

對(duì)2種焊縫的中心部位進(jìn)行XRD掃描，其衍射圖譜見圖3?？梢钥闯觯?)2種焊接方式焊縫主要相結(jié)構(gòu)均為奧氏體，是復(fù)雜的Cr-Ni-Fe-C化合物，擇優(yōu)取向均為(111)(200)(311)晶面；2)與激光-電弧復(fù)合焊相比，CO2氣體保護(hù)焊的焊縫組織出現(xiàn)小角度偏移，晶面間距增大，這是因?yàn)镃O2氣體保護(hù)焊開單邊坡口，使得焊縫組織中有較多的夾雜物，增大了晶格畸變的可能。

2種焊縫中心衍射數(shù)據(jù)如表4所示?？梢钥闯觯号cCO2氣體保護(hù)焊相比，激光-電弧復(fù)合焊接的焊縫半高寬較大。

圖3 焊縫中心衍射圖譜

焊接方式hkl2θ/(°)晶面間距d/(10-10m)半高寬/(°)CO2氣體保護(hù)焊11143．3982．08340．23720050．4391．80780．32731190．2791．08670．440激光?電弧復(fù)合焊11144．8722．01830．45620050．8461．79430．57931190．7561．08220．527

2.3 顯微硬度

圖4為距離母材上表面2、4、6 mm處測(cè)試得到的垂直于焊縫的顯微硬度分布。

圖4 不同位置測(cè)試的顯微硬度分布

由圖4(a)可以看出：CO2氣體保護(hù)焊焊縫的顯微硬度呈明顯的“倒三角”結(jié)構(gòu)，最高顯微硬度出現(xiàn)在熱影響區(qū)，而焊縫中心則出現(xiàn)了不同程度的軟化。這是因?yàn)镃O2氣體保護(hù)焊采用雙面打底焊+正面蓋面焊的工序，使焊縫中部經(jīng)歷了二次加熱，導(dǎo)致該處的熱影響區(qū)顯微硬度最低，進(jìn)而使焊縫中心得以軟化。

由圖4(b)可以看出：激光-電弧復(fù)合焊焊縫中心的顯微硬度出現(xiàn)了“酒杯型”結(jié)構(gòu)，高顯微硬度區(qū)域仍集中在熱影響區(qū)，且焊縫上、中、下部的熱影響區(qū)的顯微硬度沒有太大差別，但在焊縫上部的焊縫中心出現(xiàn)了較硬區(qū)域，在中、下部的焊縫中心出現(xiàn)了不同程度的軟化。這可能是因?yàn)榧す?電弧復(fù)合焊未開坡口，焊縫上部處于熱源區(qū)域，使得更多的高強(qiáng)度母材熔入焊縫，提高了焊縫上部的顯微硬度。

對(duì)比2種焊縫的顯微硬度可以看出：與CO2氣體保護(hù)焊相比，激光-電弧復(fù)合焊焊縫接頭各部分的顯微硬度更高，說明晶粒細(xì)化對(duì)焊縫顯微硬度的提高作用明顯。

2.4 拉伸試驗(yàn)

圖5為2種焊接方式得到的拉伸試樣斷口宏觀形貌，可以看出：拉伸試樣在焊縫中心處斷裂，而非在熔合線處或者熱影響區(qū)。分析其原因?yàn)椋罕M管母材淬硬性的影響使得熱影響區(qū)出現(xiàn)高硬度集中，但強(qiáng)度仍很高；雖然熔合線兩側(cè)硬度差值極大，但熔合線處的焊縫均是從熱影響區(qū)的粗晶區(qū)大晶粒中生長(zhǎng)出來的，結(jié)合強(qiáng)度高；焊縫中心線是兩側(cè)焊縫對(duì)向生長(zhǎng)的終止點(diǎn)，大量晶界的存在大幅降低了焊縫中心的結(jié)合強(qiáng)度，更使得中心線位置成為裂紋擴(kuò)展的主要界面，特別是當(dāng)焊縫強(qiáng)度遠(yuǎn)低于母材強(qiáng)度時(shí)，該位置焊縫變得薄弱，容易發(fā)生斷裂。

圖5 拉伸試樣斷口宏觀形貌

2種焊接方式得到的拉伸試樣力學(xué)性能見表5?？梢钥闯觯号cCO2氣體保護(hù)焊相比，激光-電弧復(fù)合焊焊縫的拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均較高，這得益于激光-電弧復(fù)合焊焊縫顯微組織的晶粒細(xì)化。但作為1 000 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼，高淬硬性容易削弱焊縫的塑性變形能力，由表5中看到2種焊縫的斷后延伸率均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于母材和焊絲，盡管CO2氣體保護(hù)焊焊接過程中填充了更多的焊絲材料，且存在二次加熱環(huán)節(jié)，但對(duì)焊后延伸率的改善并不明顯。

表5 拉伸試樣力學(xué)性能

圖6為2種焊接方式得到的拉伸試樣斷口微觀形貌SEM圖?？梢钥闯觯篊O2氣體保護(hù)焊試樣的拉伸斷口韌窩較淺，同時(shí)韌窩底部出現(xiàn)大量球狀顆粒物；而激光-電弧復(fù)合焊試樣的斷口韌窩細(xì)小且較深，少量較開放的韌窩中有非常細(xì)小的顆粒物。

經(jīng)EDS分析，圖6中不同微區(qū)的元素組成及其原子百分比如表6所示?？梢钥闯觯号c激光-電弧復(fù)合焊相比，CO2氣體保護(hù)焊焊縫斷口中的Mn、Cr、Ni、Mo元素及其周邊區(qū)域的C、O元素含量較高；2種焊縫斷口周邊區(qū)域的C、O元素含量均明顯低于顆粒物本身。分析其原因?yàn)椋焊邚?qiáng)鋼和焊絲的C含量很低但不含O元素，則C、O元素來源應(yīng)與2種焊接方式均采用CO2保護(hù)氣有關(guān)。

圖6 拉伸試樣斷口微觀形貌SEM圖

%

結(jié)合表6，從焊縫中的元素組成角度分析拉伸斷裂位置：焊接過程中，保護(hù)氣形成的等離子體中充滿活潑的C、O粒子，它們隨著熔池?cái)_動(dòng)進(jìn)入熔池，而焊縫組織在熔池凝固過程中以柱狀晶的方式生長(zhǎng)，容易在柱狀晶晶間出現(xiàn)合金元素的偏析，這些合金元素容易與C、O粒子結(jié)合，在晶間形成碳化物及氧化物夾雜，進(jìn)而導(dǎo)致較高的應(yīng)力集中，在受到外力作用時(shí)常常成為裂紋萌生的主要區(qū)域；因焊縫組織是垂直于兩側(cè)熔合線向焊縫中心生長(zhǎng)的柱狀晶，這樣在焊縫中心匯集了大量柱狀晶生長(zhǎng)終止面，使焊縫中心處形成了潛在的裂紋擴(kuò)展面，因而拉伸斷裂發(fā)生在焊縫中心線位置。

3 結(jié)論

經(jīng)過對(duì)比研究CO2氣體保護(hù)焊和激光-電弧復(fù)合焊，可以得出如下結(jié)論：

1)激光-電弧復(fù)合焊不開坡口，節(jié)省焊材；單道焊接雙面成型且無需焊后矯正，工藝簡(jiǎn)單；焊接速度快，可達(dá)1.0 m/min，極大提高了焊接效率。

2)激光-電弧復(fù)合焊提高了焊縫的強(qiáng)度，這是因?yàn)槠漭^高的能量密度、較低的熱輸入和較快的焊速及冷卻速度，在不改變焊縫組織的情況下使得晶粒明顯細(xì)化。

3)CO2氣體保護(hù)焊焊縫中合金元素含量更多，焊縫晶粒整體晶格畸變程度較大，焊縫中形成的碳化物、氧化物夾雜更多，在受到外力作用時(shí)更易萌生裂紋。

4)由于母材強(qiáng)度級(jí)別高，2種焊接方式拉伸試樣斷裂均發(fā)生在焊縫中心，說明上述工藝及焊接材料不能達(dá)到焊接要求。

下一步，要進(jìn)一步調(diào)整焊接工藝，研究與高強(qiáng)鋼相匹配的焊絲，以提高焊縫強(qiáng)度及韌性。

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