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(徐工集團(tuán)江蘇徐州工程機(jī)械研究院,高端工程機(jī)械智能制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,徐州 221004)
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,機(jī)械制造業(yè)對(duì)結(jié)構(gòu)零部件性能的要求越來(lái)越高。Weldox960鋼作為瑞典鋼鐵公司(SSAB)開(kāi)發(fā)的新一代高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼,因具有晶粒細(xì)小、強(qiáng)度和疲勞極限高等優(yōu)點(diǎn)而在機(jī)械制造業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。目前,Weldox960鋼的焊接多采用活性氣體保護(hù)電弧焊(MAG焊)[3-4]。然而,隨著高強(qiáng)鋼強(qiáng)度級(jí)別的提高,其焊接接頭的性能逐漸下降,并且可選擇的焊接工藝越來(lái)越少。激光-MAG焊(Laser-MAG)將激光焊和MAG焊兩種焊接技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái),具有高焊速、低熱輸入、低變形等優(yōu)點(diǎn)[5],適用于焊接高強(qiáng)度級(jí)別鋼。近幾年的研究表明,激光和MIG/MAG復(fù)合焊接技術(shù)在中厚板焊接中具有明顯的優(yōu)勢(shì)[6]。為了給Laser-MAG焊接工藝的應(yīng)用推廣提供依據(jù),作者對(duì)Weldox960鋼分別進(jìn)行了Laser-MAG和常規(guī)MAG對(duì)接焊,對(duì)比研究了兩種工藝焊接接頭的顯微組織與性能。
試驗(yàn)材料為瑞典鋼鐵公司生產(chǎn)的Weldox960鋼板,厚度為9 mm,供貨態(tài)為調(diào)質(zhì)態(tài);其顯微組織見(jiàn)圖1,為回火索氏體;其屈服強(qiáng)度為960~1 050 MPa,抗拉強(qiáng)度為980~1 150 MPa,伸長(zhǎng)率A50 mm為15%。利用火花直讀光譜儀測(cè)定試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分,結(jié)果見(jiàn)表1。根據(jù)低強(qiáng)度匹配度原則[7],采用瑞士奧林康生產(chǎn)的直徑為1.2 mm的Carbopil FK-1000實(shí)心焊絲,分別應(yīng)用Laser-MAG和MAG焊接工藝對(duì)Weldox960鋼板試樣進(jìn)行對(duì)接焊,試樣尺寸為500 mm×280 mm×9 mm,保護(hù)氣體Ar和CO2的體積比為8∶2,焊接參數(shù)見(jiàn)表2。
圖1 調(diào)質(zhì)態(tài)Weldox960鋼的顯微組織Fig.1 Microstructure of quenched and tempered Weldox960 steel
表1 Weldox960鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical composition of Weldox960 steel (mass) %
表2 試驗(yàn)鋼的兩種焊接工藝參數(shù)Tab.2 Parameters for two welding processes of tested steel
圖2 拉伸和疲勞試樣尺寸Fig.2 Size of tensile and fatigue specimens
在焊接接頭上橫向線(xiàn)切割出金相試樣,經(jīng)研磨、拋光,體積分?jǐn)?shù)4%的硝酸酒精溶液腐蝕后,在Olympus PME3型光學(xué)顯微鏡(OM)下觀察顯微組織。根據(jù)GB/T 2654-2008,用HXD-1000型顯微維氏硬度計(jì)測(cè)硬度,載荷為98 N,保載時(shí)間為10 s。根據(jù)GB 2649-1989,以焊縫為中心在焊接接頭上截取尺寸為55 mm×10 mm×7.5 mm的V型缺口沖擊試樣,缺口深度2 mm,在JB-30B型沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行沖擊試驗(yàn),試驗(yàn)溫度20 ℃。在INSTRON8802型疲勞試驗(yàn)機(jī)上分別進(jìn)行拉伸和疲勞試驗(yàn),拉伸和疲勞試樣尺寸相同,如圖2所示,厚度為9 mm。拉伸應(yīng)變速率為0.002 5 s-1[8];疲勞試驗(yàn)采用軸向拉-拉方式,正弦波加載,應(yīng)力比R為0.1,頻率為10 Hz。使用CS 3400型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察沖擊斷口形貌。
由圖3和圖4可以看出:Laser-MAG和MAG這兩種工藝焊接后接頭焊縫的顯微組織相同,均為細(xì)小的粒狀貝氏體;熱影響區(qū)(HAZ)粗晶區(qū)存在原始奧氏體晶界,MAG焊接接頭HAZ粗晶區(qū)的平均晶粒尺寸為95 μm,Laser-MAG焊接接頭的較小,為48 μm,這是因?yàn)長(zhǎng)aser-MAG焊接的冷卻時(shí)間t8/5比MAG焊接的短,即MAG焊接接頭在高溫區(qū)停留的時(shí)間較長(zhǎng),而該區(qū)域的溫度一般在加熱時(shí)先共析鐵素體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的終了溫度Ac3以上200~300 ℃,導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大[9-10];HAZ細(xì)晶區(qū)均為由細(xì)小板條馬氏體和粒狀貝氏體組成的混合組織;在HAZ部分相變區(qū)只有部分組織奧氏體化,奧氏體化組織在隨后的冷卻中形成粒狀貝氏體,未完全轉(zhuǎn)變的奧氏體形成了M-A組元,由于碳原子的擴(kuò)散,M-A組元溶解形成較粗的鐵素體,因此HAZ部分相變區(qū)的顯微組織為鐵素體+粒狀貝氏體[11-12]。
圖3 Laser-MAG焊接接頭不同區(qū)域的顯微組織Fig.3 Microstructures in different regions of Laser-MAG welded joint: (a) weld metal; (b) coarse-grained HAZ; (c) fine-grained HAZ and (d) incomplete recrystallized HAZ
圖4 MAG焊接接頭不同區(qū)域的顯微組織Fig.4 Microstructures in different regions of MAG welded joint: (a) weld metal; (b) coarse-grained HAZ; (c) fine-grained HAZ and (d) incomplete recrystallized HAZ
圖5 兩種工藝焊接接頭橫截面硬度測(cè)試位置及硬度分布Fig.5 Hardness testing positions (a) and hardness distributions (b) at cross-sections of welded joints by two processes
由圖5可以看出:Laser-MAG焊接接頭的HAZ寬度約3 mm,明顯小于MAG焊接接頭的5 mm,這是因?yàn)镠AZ寬度隨著熱輸入的增加而增大;Laser-MAG焊接接頭和MAG焊接接頭HAZ的最高硬度值出現(xiàn)在粗晶區(qū),最低硬度值均出現(xiàn)在部分相變區(qū),Laser-MAG焊接接頭HAZ中大部分區(qū)域的硬度高于母材的,其軟化帶很窄,而MAG焊接接頭HAZ區(qū)的硬度均低于母材的硬度,存在很寬的軟化帶。
由表3可以看出,Laser-MAG焊接接頭的拉伸和沖擊性能均優(yōu)于MAG焊接接頭的,且Laser-MAG焊接接頭的拉伸性能達(dá)到了母材Weldox960鋼的標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)要求。當(dāng)焊接接頭HAZ存在軟化帶,即硬度降低區(qū)時(shí),在拉伸過(guò)程中,母材由于強(qiáng)度高而處于彈性階段,HAZ軟化帶則進(jìn)入塑性變形階段。但是,由于母材對(duì)軟化帶的變形有一定的拘束作用,使得軟化帶處于三向應(yīng)力狀態(tài),即產(chǎn)生接觸強(qiáng)化效應(yīng)。在接頭焊縫橫截面積一定的情況下,軟化帶越窄,所受的徑向應(yīng)力就越大,其塑性變形就越困難,強(qiáng)度提升就越高[13]。結(jié)合圖5(b)分析可知,Laser-MAG焊接接頭HAZ的軟化帶較窄,因此其拉伸性能較好。
表3 兩種工藝焊接接頭的拉伸和沖擊性能Tab.3 Tensile and impact properties of welded joints by two processes
兩種工藝焊接接頭的沖擊斷口均位于HAZ粗晶區(qū)與細(xì)晶區(qū)位置。由圖6可以看出:Laser-MAG焊接接頭沖擊斷口的擴(kuò)展區(qū)存在較多的撕裂棱和韌窩,表明HAZ具有優(yōu)良的沖擊韌性,斷裂方式為韌性斷裂[14];而MAG焊接接頭沖擊斷口擴(kuò)展區(qū)的撕裂棱和韌窩較少,且大部分呈河流狀的準(zhǔn)解理斷裂形貌,其HAZ韌性較差[15],這是因?yàn)镸AG焊接接頭HAZ粗晶區(qū)的晶粒粗大且存在非平衡組織[16]。
圖6 兩種工藝焊接接頭沖擊斷口的SEM形貌Fig.6 SEM micrographs showing impact fracture of welded joints by two processes
圖7中S為平均應(yīng)力,N為疲勞壽命。由圖7可知:隨著平均應(yīng)力的降低,兩種工藝焊接接頭的疲勞壽命均延長(zhǎng);以循環(huán)106周次對(duì)應(yīng)的應(yīng)力作為疲勞極限,可知Laser-MAG和MAG焊接接頭的條件疲勞極限分別為320,270 MPa。
圖7 兩種工藝焊接接頭的S-N曲線(xiàn)Fig.7 S-N curves of welded joints by two processes
(1) Laser-MAG焊接Weldox960鋼接頭HAZ粗晶區(qū)的平均晶粒尺寸為48 μm,而MAG焊接接頭的為95 μm;兩種工藝焊接接頭焊縫區(qū)組織均為細(xì)小粒狀貝氏體,細(xì)晶區(qū)組織均為細(xì)小板條馬氏體和粒狀貝氏體,部分相變區(qū)組織均為鐵素體+粒狀貝氏體。
(2) Laser-MAG焊接接頭的HAZ寬度明顯小于MAG焊接接頭的,其HAZ軟化帶也較窄,最高硬度出現(xiàn)在HAZ粗晶區(qū)且高于母材的硬度。
(3) Laser-MAG焊接接頭的拉伸性能和沖擊性能均優(yōu)于MAG焊接接頭的,其條件疲勞極限為320 MPa,而MAG焊接接頭的僅為270 MPa。
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