BS960E高強(qiáng)鋼激光-電弧復(fù)合高速焊接接頭組織及性能研究

李斌　朱勇輝　鄧林　馬彥龍

摘要：采用激光-電弧復(fù)合技術(shù)焊接BS960E高強(qiáng)鋼板材，以探索高強(qiáng)度合金鋼的焊接接頭組織及性能。采用掃描電子顯微鏡表征焊縫組織及斷口形貌，結(jié)果顯示：采用直徑1.2 mm的90G型焊絲焊接，對應(yīng)的接頭組織主要為板條貝氏體，少量馬氏體和MA組元，熱影響區(qū)組織以板條馬氏體為主。焊縫接頭抗拉強(qiáng)度為1 117.13 MPa，延伸率為11.82%;焊縫沖擊吸收功為23 J，沖擊斷口主要呈現(xiàn)韌窩狀形貌，熱影響區(qū)沖擊吸收功為14 J，沖擊斷口主要以準(zhǔn)解理斷裂為主。

關(guān)鍵詞：BS960E;激光-電弧復(fù)合焊

中圖分類號：TG456.7文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1001-2303（2020）05-0072-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.05.15

0 前言

高強(qiáng)鋼廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、軌道交通、船舶、車輛等領(lǐng)域，由于各行業(yè)都朝著高參數(shù)化和輕型化方向發(fā)展，因此更高強(qiáng)度級別的高強(qiáng)鋼需求量大大增加。目前各行業(yè)用鋼主要集中在700 MPa級以下，已不適應(yīng)當(dāng)前行業(yè)發(fā)展需求，1 000 MPa級及其以上強(qiáng)度鋼的出現(xiàn)極大地滿足了各領(lǐng)域發(fā)展需求。然而隨著鋼材強(qiáng)度等級的增加，其焊接性變差，傳統(tǒng)焊接方法的焊接接頭易出現(xiàn)冷裂紋、熱影響區(qū)脆化、軟化等問題[1]。激光復(fù)合焊接技術(shù)具有焊接效率高、熱出入低、焊接變形小、裝配間隙敏感性小等特點(diǎn)，可有效抑制焊接接頭冷裂敏感性等問題[2]。陶傳琦[3]在研究耐候鋼焊接時發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)焊接相比，激光復(fù)合焊縫成形均勻連續(xù)，除焊縫兩端有少量氣孔外，接頭組織性能優(yōu)良且韌性更高。楊臻[4]等研究了6 mm厚高強(qiáng)鋼激光復(fù)合焊接接頭力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)以1.0 m/min 的速度高效無變形焊接，焊縫強(qiáng)度高達(dá) 1 197 MPa。綜上可知，激光復(fù)合焊接非常適合強(qiáng)度較高的鋼的焊接，同時盡管該技術(shù)已應(yīng)用研究于多類型鋼材，然而由于成分、工藝條件的不同，研究結(jié)果并未形成系統(tǒng)化的指導(dǎo)作用，因此需對不同高強(qiáng)鋼進(jìn)行進(jìn)一步探索。BS960E是一種1 000 MPa級低碳調(diào)質(zhì)型高強(qiáng)度鋼，具有屈強(qiáng)比高、韌性塑性好、綜合性能優(yōu)良的特點(diǎn)，為保障其安全使用性，必須根據(jù)其特質(zhì)研究與之相匹配的新焊接方法及接頭組織性能。文中選取BS960E作為試驗(yàn)材料，并結(jié)合激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)，探究了該類高強(qiáng)鋼的焊接接頭組織及性能。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

BS960E的化學(xué)成分及拉伸力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

1.2 試驗(yàn)方法

以6 mm厚調(diào)質(zhì)態(tài)Q960E鋼板為試驗(yàn)對象，通過探傷、切樣、清洗后，制備出2塊尺寸為120 mm×120 mm×6 mm的待焊接試樣。坡口形式為Ⅰ型，坡口方向垂直于板材軋制方向，寬度1.2 mm，深度6 mm，焊接前用酒精清洗。焊接過程采90G型焊絲作為填充材料，焊絲直徑1.2 mm，相應(yīng)化學(xué)成分如表2所示。采用激光-電弧復(fù)合的方式進(jìn)行焊接，激光發(fā)射器為TRUMPF LASER TruDisk 10002 光纖激光器，電弧焊部分采用Fronius TPS4000焊機(jī)。顧思遠(yuǎn)[5]等人研究發(fā)現(xiàn)采用高速激光復(fù)合焊接時形成淺“Y”型焊縫形貌，并且能夠有效抑制熔池流動的劇烈程度，小線能量有助于抑制熱輸入過大對接頭組織性能的傷害。談睿[6]等研究高速激光復(fù)合焊接對接頭成形的影響中發(fā)現(xiàn)，焊速達(dá)到40 mm/s時，焊縫形貌良好，可以有效防止駝峰的產(chǎn)生，組織性能良好。王偉[7]等在解決鋁合金焊接接頭軟化等問題時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)焊速為80 mm/s 時焊縫成形良好，效率高，改善接頭軟化區(qū)情況超過50%。毛鎮(zhèn)東[8]等研究高強(qiáng)鋼激光復(fù)合焊發(fā)現(xiàn)，單道焊接速度為18 mm/s時可有效避免背部焊瘤缺陷。因此優(yōu)化焊接參數(shù)，選擇采用激光功率4 600 W、送絲速度12 mm/s、焊接速度為22 mm/s，保護(hù)氣體為φ（Ar）80%+φ（CO2）20%，氣體流量20 L/min，焊縫成形良好，焊接設(shè)備及激光引導(dǎo)焊接示意如圖1所示，焊縫形貌如圖2所示。

接頭拉伸試驗(yàn)按《GB T2651-2008 焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)在CMT4304電子萬能拉伸壓縮機(jī)上進(jìn)行，拉伸試樣為矩形截面。沖擊試驗(yàn)按《GB/T 2650-2008焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)在JBN-300擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試樣采用V型缺口，尺寸55 mm×10 mm×5 mm，缺口面垂直于焊縫平面，缺口所開位置分別位于焊縫熔敷金屬中心區(qū)和偏焊縫根部3 mm熱影響區(qū)，如圖3所示，各取3個，沖擊溫度-40 ℃，冷卻介質(zhì)為液氮。

采用QUANTA FEG 250型掃描電鏡分別觀察拋光、清洗后的焊縫接頭金相試樣、熔敷金屬沖擊試樣斷口和熱影響區(qū)沖擊試樣斷口。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 接頭焊縫及熱影響區(qū)力學(xué)性能

激光復(fù)合焊接接頭的拉伸性能與抗沖擊性能如表3所示。接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到1 117.13 MPa，斷裂于母材，達(dá)到母材強(qiáng)度級別。焊縫中心沖擊平均吸收功為23 J，熱影響區(qū)平均沖擊吸收功略低，為14 J，這與熱影響以及焊縫處出現(xiàn)的馬氏體以及較粗大的柱狀晶有關(guān)，導(dǎo)致接頭韌性較低。由于測試試樣為標(biāo)準(zhǔn)試樣尺寸的1/2，經(jīng)換算成標(biāo)準(zhǔn)試樣后均大于27 J，均符合-40 ℃時沖擊性能大于27 J的要求，還需通過工藝優(yōu)化等措施進(jìn)一步提高。

2.2 金相組織及沖擊斷口顯微形貌

焊縫熔敷金屬、熱影響區(qū)金相組織如圖4所示。焊縫組織織為板條貝氏體、少量馬氏體和MA組元，晶粒呈柱狀晶形態(tài)，一般出現(xiàn)在垂直于熔合線的方向[9]，主要出現(xiàn)在熔敷金屬最后凝固位置，如圖4a所示。圖4b為熱影響區(qū)粗晶組織，表現(xiàn)為粗大的等軸狀晶粒，組織為板條馬氏體，該處硬度和強(qiáng)度較高，但是韌性較差。此區(qū)域主要由相變過程奧氏體急劇長大后所致[10]。熱影響區(qū)中的的細(xì)晶區(qū)域如圖4c所示。由于焊接過程中，此區(qū)域在高溫區(qū)停留時間短，奧氏體晶粒長大不明顯，連續(xù)冷卻過程后，導(dǎo)致形成馬氏體和少量板條貝氏體。由上述分析可知，馬氏體的增加有利于接頭強(qiáng)度增加，但不利于接頭低溫沖擊韌性，減少馬氏體比例、增加下貝氏體及針狀鐵素體含量有利于提高接頭綜合力學(xué)性能。

沖擊試樣斷口宏觀和微觀典型形貌如圖5所示。一般斷口包括纖維區(qū)和放射區(qū)，纖維區(qū)多表現(xiàn)為塑性變形的韌窩狀，顏色較暗，放射區(qū)一般為脆性斷裂形貌，顏色較明亮。圖5a和5b分別為焊縫和熱影響區(qū)宏觀斷口形貌。圖5c為焊縫沖擊斷口纖維區(qū)電鏡圖，斷口主要表現(xiàn)為韌窩狀，且尺寸相對均勻，但韌窩較淺，說明焊縫韌性較高。圖5d為放射區(qū)，以準(zhǔn)解理斷裂為主，可見明顯的河流狀臺階和撕裂棱，多以穿晶斷裂為主[11]。圖5e為熱影響區(qū)的沖擊斷口纖維區(qū)形貌，可見韌窩狀的撕裂孔，局部夾雜著一定面積的準(zhǔn)解理斷裂面，反應(yīng)了熱影響區(qū)組織的復(fù)雜性和不均勻性。相比較而言，焊縫沖擊試樣斷口中纖維區(qū)面積大于熱影響區(qū)，這也體現(xiàn)在焊縫沖擊吸收功大于熱影響區(qū)，一般而言，板條貝氏體、少量馬氏體和MA組元這種焊縫復(fù)合組織，往往具有較高的抗沖擊性能[12]。圖5f為熱影響區(qū)的沖擊斷口放射區(qū)形貌，也是以穿晶解理斷裂為主。

4 結(jié)論

（1）采用激光-電弧復(fù)合焊和90G焊絲填絲的單道焊焊接工藝，實(shí)現(xiàn)BS960E板材的高強(qiáng)度冶金結(jié)合。焊接接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到1 117.13 MPa，焊縫中心沖擊吸收功達(dá)到23 J，但由于母材本身特性及坡口等因素的影響，焊接接頭低溫沖擊韌性較低，有待進(jìn)一步提升。

（2）上述焊接接頭組織以板條貝氏體，少量馬氏體和MA組元為主，焊接熱影響區(qū)晶粒尺寸差異大，主要為板條馬氏體。焊縫沖擊斷口主要為韌窩形貌，熱影響區(qū)沖擊斷口主要為準(zhǔn)解理穿晶斷裂，焊接接頭熱影響區(qū)仍然是接頭薄弱環(huán)節(jié)。

（3）在高速激光復(fù)合焊接下，單道焊宏觀接頭形貌良好，焊接效率高，熱影響區(qū)小，無氣孔等缺陷。

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