激光-MAG和MAG焊接Weldox960鋼接頭的組織與性能對(duì)比

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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)

0 引 言

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。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

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

1.2 試驗(yàn)方法

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。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

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

2.2 橫截面硬度

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。

2.3 拉伸和沖擊性能

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

2.4 疲勞性能

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

3 結(jié) 論

(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。

[1] 司子華.WELDOX960高強(qiáng)鋼MAG焊的工藝研究[J].航天制造技術(shù),2012,4(2):21-24.

[2] 張敏,王曉東,趙曉輝.Weldox960E調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼焊接工藝試驗(yàn)研究[J].機(jī)械制造文摘：焊接分冊(cè),2013(2):29-30.

[3] 王芝玲,委福祥,于跟喜.強(qiáng)度匹配對(duì)WELDOX960鋼焊接接頭組裝與性能的影響[J].熱加工工藝,2014,45(5):175-177.

[4] 許冰,陳春煥,陳增有.WELDOX960高強(qiáng)鋼MAG焊焊接接頭組織形態(tài)與力學(xué)性能研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2013(12):60-63.

[5] MAHRLE A,BEYER E.Hybrid laser beam welding—Classification,characteristics,and applications[J].Journal of Laser Applications,2006,18(3): 169-180.

[6] 王威,李麗群,王旭友,等.激光與電弧復(fù)合焊接技術(shù)[J].焊接,2004(3): 6-9.

[7] 曹雷,孫謙,宗培,等.等強(qiáng)匹配焊接接頭的特征及界定方法[J].焊接學(xué)報(bào),2006,27(7): 81-84.

[8] 由宗彬,李燁錚,劉宇.焊接峰值溫度對(duì)X80管線(xiàn)鋼焊接接頭熱影響區(qū)性能影響的熱模擬[J].機(jī)械工程材料,2016,40(9):54-61.

[9] 張文鉞.焊接冶金學(xué)(基本原理)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1999.

[10] 陳翠欣,李午申,王慶鵬,等.X80管線(xiàn)鋼焊接粗晶區(qū)韌化因素的研究[J].材料工程,2005(5):22-26.

[11] BONNEVIEA E,FERRIERE G,IKHLEF A,etal.Morphological aspects of martensite-austenite constituents in inter-critical and coarse grain heat affected zones of structural steels [J].Materials Science and Engineering A,2004,385(1/2):352-358.

[12] LAMBERT P A,GOURGUES A F,PINEAU A.Austenite tobainate phase transformation in the heat-affected zone [J].Acta Materialia,2004,52(8):2337-2348.

[13] 黃啟秀.WELDOX960低合金高強(qiáng)鋼的焊接工藝性研究[D].重慶：重慶大學(xué),2008：42.

[14] 王衛(wèi),王曉南,王海生,等.焊接速度對(duì)微合金鋼激光焊接接頭組織性能的影響[J].材料熱處理學(xué)報(bào),2015,36(12):116-122.

[15] 李光,李雪萍,徐學(xué)利,等.X100抗大變形管線(xiàn)鋼焊接熱影響區(qū)的顯微組織與沖擊功[J].機(jī)械工程材料,2015,39(12):80-90.

[16] 許冰.WELDOX960高強(qiáng)鋼焊接接頭組織與力學(xué)性能研究[D].大連: 大連交通大學(xué),2014:39.