WYS700鋼氣體保護焊及激光復合焊試驗研究

陳 浮,黃治軍,鐘如濤

(寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,湖北 武漢 430080)

1 概述

隨著我國汽車工業(yè)、交通運輸及鋼結構產(chǎn)業(yè)的不斷進步,交通運輸設備及一些鋼結構產(chǎn)品向大型化、輕量化、高載荷方向發(fā)展,對鋼材的強韌性、成形性、焊接性等提出更嚴苛的技術要求。WYS700是Nb、Ti微合金化高強鋼,抗拉強度達到750 MPa以上,兼具良好的折彎性、焊接性,在結構減重節(jié)能方面發(fā)揮重要作用。焊接是高強鋼應用中的一項關鍵技術,焊接過程中鋼材經(jīng)歷了不同的熱循環(huán)作用形成焊接熱影響區(qū),綜合性能往往低于母材及焊縫,是制約鋼種推廣應用的關鍵所在[1-2]。

熔化極氣體保護焊是一種明弧焊接方法,焊接過程焊接質量易于控制,焊接效率高,是低合金高強鋼常用的焊接方法。近年來,發(fā)展迅猛的激光復合焊結合了激光和氣體保護焊的主要優(yōu)點,激光和電弧相互作用,過程更穩(wěn)定,焊接速度大幅提升。復合焊接熱輸入較低,可形成更加精細的晶粒結構并最大限度減小母材稀釋作用及焊接結構變形,以實現(xiàn)焊接熱影響區(qū)高性能[3-4]。

本文通過采用熔化極氣體保護焊、激光焊及激光復合焊等焊接方法,對2.5 mm規(guī)格的WYS700鋼板進行了焊接試驗研究,為鋼種的焊接工藝制定提供依據(jù)。

2 試驗材料及方法

試驗用鋼為2.5 mm規(guī)格的WYS700鋼,其特征金相組織如圖1所示,主要為鐵素體+珠光體,夾雜物級別為D0.5,晶粒度大小為10.5級。

圖1 WYS700特征金相組織Fig.1 WYS700 characteristic metallographic structure

其化學成分、力學性能見表1、2。

表1 WYS700化學成分Table 1 Chemical compositions of WYS700 %

表2 WYS700力學性能Table 2 Mechanical properties of WYS700

結構用低合金高強鋼的焊接材料選擇如沒有特殊成分要求一般遵循等強原則。有研究表明,在強度較高、結構拘束較大、鋼材焊接冷裂紋傾向較大的情況下可選擇低強匹配,但強度差應小于25%[5-6]。WYS700雖然強度較高,但塑性較好規(guī)格薄,根據(jù)通常應用場景選擇與之名義強度匹配的WER70氣體保護焊絲,焊絲直徑1.2 mm,焊絲熔敷金屬化學成分及性能見表3、4。

表3 焊絲熔敷金屬化學成分 Table 3 Chemical compositions of welding material deposited metal %

表4 焊絲熔敷金屬性能Table 4 Properties of welding material deposited metal

2.1 氣體保護焊接工藝

焊接試驗設備為LINCOLN POWER WAVE 455,焊接試板規(guī)格為500 mm×150 mm×2.5 mm,采用混合氣體(80%Ar+20%CO2,體積分數(shù))保護,氣體流量為18 L/min。焊接極性為直流反接,焊接試板不預熱,不開坡口,裝配無間隙。正面反面各施焊一道。焊層圖見圖2,焊接工藝參數(shù)按表5執(zhí)行,焊接方向縱向。焊接環(huán)境溫度為20 ℃,濕度為75%。

圖2 氣體保護焊層圖Fig.2 Diagram of GMAW layer

表5 氣體保護焊接試驗工藝Table 5 GMAW test procedure

2.2 激光及激光復合焊接工藝

焊接所采用的激光器為IPG-YLS-5000W光纖激光器,復合焊所用焊絲為WER70,弧焊機為FRONIUS TPS400i。保護氣體為純氬氣,流量為20 L/min。焊接試板不預熱,不開坡口,裝配無間隙。正面施焊一道。焊層圖見圖3,焊接工藝參數(shù)按表6執(zhí)行,焊接方向縱向。焊接環(huán)境溫度為25 ℃,濕度為75%。

圖3 激光及激光復合焊層圖Fig.3 Laser and laser hybrid welding layer

表6 激光及激光復合焊接試驗工藝Table 6 Laser and laser hybrid welding test procedure

3 試驗結果及分析

焊接接頭力學性能試樣按照GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗方法》、GB/T2653—2008《焊接接頭彎曲及壓扁試驗方法》制取,采用WAW電液伺服萬能材料試驗機進行測試。金相試樣取焊接接頭全橫截面,經(jīng)5%硝酸酒精溶液腐蝕采用OLYMPUSGX71光學顯微鏡觀察接頭各區(qū)金相組織,并用QNESS維氏硬度計對接頭各區(qū)進行HV10硬度檢測。

3.1 氣體保護焊接試驗結果

對氣體保護焊接試板進行了力學性能檢驗,拉伸彎曲試驗結果如表7所示。從試驗結果可以看出:混合氣體保護焊接接頭抗拉強度(Rm)為786～851 MPa,斷裂位置在母材。冷彎試驗中,彎心直徑d=a,180°不合格;彎心直徑d=2a,180°不合格,90°合格;彎心直徑d=3a,120°、180°均合格。說明接頭具有良好的強塑性,對焊接接頭冷彎成形中,彎心直徑在2a以上比較適合,并且反映出焊接工藝參數(shù)合適。

表7 氣體保護焊接接頭拉伸彎曲試驗結果Table 7 Tensile bending test results of GMAW joints

對接頭進行了維氏硬度試驗。測試接頭HV10硬度值,每0.5 mm測試一點,試驗部位從基材到焊縫全接頭斷面,如圖4所示。

圖4 硬度試驗位置Fig.4 Hardness test location

接頭硬度試驗結果如圖5所示。從圖形可以看出,焊接接頭硬度分布變化明顯,硬度最高值、最低值均出現(xiàn)在熱影響區(qū),但沒有出現(xiàn)冷裂紋,從強度拉伸試驗看,也沒有出現(xiàn)明顯軟化現(xiàn)象。其HV10硬度值在200上下浮動,另一側硬度最低值HV10為166。焊縫與母材相當,因為測試部位在上下兩道焊縫的結合位置,此處母材金屬容易過渡到焊縫中?？傮w接頭硬度有波動,但這些波動沒有影響接頭使用性能。

圖5 氣體保護焊接接頭硬度Fig.5 Hardness of GMAW joint

WYS700鋼氣體保護焊接接頭宏觀及各區(qū)特征金相組織如圖6所示。圖6(a)為接頭宏觀形貌,可以看出焊接熔合良好,沒有缺陷存在;圖6(b)為焊縫組織,為針狀鐵素體+先共析鐵素體;圖6(c)為熱影響區(qū)粗晶區(qū)(CGHAZ),峰值溫度通常達到1 000 ℃以上,經(jīng)焊接熱循環(huán)后為粗大板條貝氏體組織;圖6(d)為熱影響區(qū)細晶區(qū)(FGHAZ),在焊接熱循環(huán)中峰值溫度也大于Ac3,組織經(jīng)完全奧氏體化后形成細小貝氏體+珠光體組織;圖6(e)為臨界熱影響區(qū)(ICHAZ),在焊接熱循環(huán)過程中母材組織部分相變,形成貝氏體+少量珠光體組織。

圖6 氣體保護焊接接頭特征金相組織Fig.6 Characteristic metallographic structure of GMAW joint

3.2 激光及激光復合焊接試驗結果

對激光及激光復合焊接試板進行不同工藝焊接接頭宏觀形貌比較和力學性能檢驗。拉伸彎曲試驗結果見表8,焊接接頭抗拉強度(Rm)為770～859 MPa,斷裂位置在母材。冷彎試驗中,激光+MAG復合焊接接頭彎心直徑d=3a,180°合格,激光及激光填絲焊接接頭冷彎性能不合格,結合焊接工藝分析,激光及激光填絲焊接熱輸入下降,導致接頭焊接熱循環(huán)過程中冷速加快,降低接頭的塑性。各不同焊接工藝及接頭宏觀形貌如表9及圖7所示。

表8 焊接接頭拉伸彎曲試驗結果Table 8 Tensile bending test results of GMAW joints

表9 不同激光及激光復合焊接工藝成形性Table 9 Different laser and laser+MAG hybrid welding procedure forming

圖7 不同激光及激光復合工藝焊接接頭形貌Fig.7 Welding joint morphology of different laser+MAG and laser hybrid welding procedure

從圖7可以看出,1#、3#、4#、7#工藝成形性良好,1#工藝為激光焊接,3#工藝為激光+填絲焊接;4#、7#工藝為激光+MAG復合焊接,焊縫一次性全熔透,焊道飽滿,沒有咬邊及塌陷缺陷。2#、6#、8#工藝成形尚可,2#工藝是激光+焊絲填充,焊縫背面填充稍顯不足,在焊接激光功率一定的條件下,可通過降低送絲和焊接速度來調整;6#、8#工藝為激光+MAG焊接,從宏觀可見激光主要作用焊縫熔深,MAG作用焊縫填充,由于兩個熱源配合欠缺,焊縫填充和熔深的配合欠缺。5#、9#工藝為激光+MAG焊接,由于焊接對中及兩個熱源的參數(shù)不匹配,會造成焊縫出現(xiàn)未熔合、未焊透等缺陷。從試驗結果可以推理,對于3 mm及以下WYS700高強鋼,采用激光焊接工藝是可行的,在對焊縫金屬有成分要求時可加入焊絲進行調整。激光+MAG復合焊接更適合厚板一次焊接成形,能更好地發(fā)揮激光熔深和MAG填充調整的作用,但此時激光功率與MAG電弧大小分配及焊接速度的協(xié)同,對焊縫成形極為重要[7]。

4 結論

(1) 2.5 mm規(guī)格WYS700鋼匹配WER70焊絲進行混合氣(80%Ar+20%CO2)保護焊接,焊接線能量控制在4.7 kJ/cm左右,接頭沒有出現(xiàn)明顯軟化現(xiàn)象。焊接工藝及焊接接頭性能均滿足鋼種使用要求。

(2) 對WYS700進行了激光焊接、激光+焊絲及激光+MAG復合焊接試驗,焊接材料選用WER70。從焊縫成形效果來看,采用0.54 kJ/cm激光焊接,0.77 kJ/cm激光匹配填絲焊接,2.5 kJ/cm、3.2 kJ/cm激光匹配脈沖MAG焊接這三種焊接工藝可行。但激光功率與MAG電弧大小分配及焊接速度的協(xié)同,對焊縫成形及性能極為重要。從實際焊接工藝考慮,此類薄板(厚度小于3 mm)可以直接采用激光熱源焊接或常規(guī)弧焊熱源焊接,但需要根據(jù)接頭性能技術要求選擇。激光匹配弧焊熱源在厚規(guī)格鋼板的焊接中應用可極大發(fā)揮激光深熔透的作用,對一次焊接成形、減小熱影響區(qū)有積極作用。