30CrMnSi鋼激光-電弧復(fù)合焊接工藝研究

滕 彬，范東輝，蔣 寶，曹 浩，聶 鑫，黃瑞生

1.哈爾濱焊接研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028 2.中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán) 航空彈藥研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱 150030

0 前言

30CrMnSi鋼是一種中碳合金鋼，因其不含貴重的Ni，且具有高的強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度達(dá)到1 100 MPa以上）和韌性，在相同受力條件下，所需材料厚度小于普通碳鋼，可達(dá)到結(jié)構(gòu)減重的目的，因此廣泛應(yīng)用于軍民品零部件的生產(chǎn)和制造中［1］。但是30CrMnSi鋼的碳當(dāng)量較高且加入的合金元素較多，淬硬傾向嚴(yán)重，焊接時(shí)易產(chǎn)生裂紋等缺陷［2-3］。目前，30CrMnSi鋼的主要焊接方法為鎢極氬弧焊，為防止冷裂紋，除了采取預(yù)熱措施外，焊后還必須及時(shí)進(jìn)行回火處理，這大大降低了實(shí)際的生產(chǎn)效率［4］。

隨著激光焊接技術(shù)的發(fā)展，30CrMnSi鋼的激光焊接成為重要發(fā)展方向之一。雷華東［5-6］等采用激光焊接30CrMnSiA鋼，在不進(jìn)行焊前預(yù)熱和焊后熱處理的情況下，接頭抗拉強(qiáng)度與母材基本等強(qiáng)度，熱影響區(qū)硬化、脆化和軟化等性能上的變化并不顯著，激光焊接工藝參數(shù)選定的主要出發(fā)點(diǎn)是防止裂紋和保證焊縫表面成形質(zhì)量。石巖［7］等采用CO2激光對(duì)2 mm厚的30CrMnSi鋼進(jìn)行焊接試驗(yàn)，接頭抗拉強(qiáng)度高于母材，母材斷口呈典型的韌窩形態(tài)，為韌性斷裂，熱影響區(qū)發(fā)生脆性斷裂，斷口呈準(zhǔn)解理斷裂。但是，采用激光自熔焊接時(shí)產(chǎn)生裂紋的幾率仍然較高，且焊縫正面易出現(xiàn)下塌現(xiàn)象，無(wú)法滿足生產(chǎn)使用要求。激光-電弧復(fù)合焊既有激光焊熱源能量密度高、可焊接厚板的優(yōu)勢(shì)，又具有電弧焊間隙適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)熔化極焊絲填充金屬能夠促進(jìn)焊縫圓滑過(guò)渡，提高間隙搭接能力，降低工件裝配難度，可有效提高焊接速度。楊斯達(dá)［8］采用激光-MAG復(fù)合焊焊接8 mm厚度30CrMnSiA鋼，獲得了成形優(yōu)良的焊接接頭，但收弧端容易產(chǎn)生表面裂紋和內(nèi)部裂紋，這兩種裂紋均屬于高溫下產(chǎn)生的結(jié)晶裂紋，采用小規(guī)范多層焊對(duì)抑制裂紋有效果。劉天亮［9］對(duì)厚度10 mm的30CrMnSiA試板，進(jìn)行光纖激光-GMA復(fù)合焊接特性研究，發(fā)現(xiàn)單層焊時(shí)出現(xiàn)明顯的裂紋和未焊透缺陷，多層焊時(shí)焊縫成形美觀、均勻一致，焊縫內(nèi)部無(wú)氣孔和裂紋等焊接缺陷。

本研究針對(duì)5 mm厚度的30CrMnSi筒體部件，通過(guò)激光-電弧復(fù)合焊接試驗(yàn)進(jìn)行工藝開(kāi)發(fā)，并利用射線探傷檢測(cè)、焊縫形貌分析、力學(xué)性能測(cè)試評(píng)價(jià)30CrMnSi激光-電弧復(fù)合焊的可行性，最終獲得該材料的最佳焊接工藝參數(shù)。

1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

試驗(yàn)采用激光-電弧復(fù)合焊接方法。試驗(yàn)設(shè)備為IPG公司的YLS-30000光纖激光器和福尼斯的TPS4000型數(shù)字化CMT焊機(jī)組成的焊接試驗(yàn)系統(tǒng)，光纖激光器最大輸出功率為30 kW，激光器波長(zhǎng)1 070 nm，最小光斑直徑0.5 mm，CMT焊機(jī)最大輸出電流為400A。試驗(yàn)材料為5 mm厚30CrMnSi，抗拉強(qiáng)度為1 227.5 MPa，試件開(kāi)Y型坡口，坡口角度60°，無(wú)間隙。填充焊絲采用HS80，直徑1.2 mm，母材及焊絲的化學(xué)成分如表1所示。焊前用砂紙將待焊端面及兩側(cè)進(jìn)行除銹處理，然后用酒精將表面油污擦拭干凈。用專用夾具將對(duì)接板夾緊并通過(guò)4點(diǎn)點(diǎn)焊方式進(jìn)行固定，同時(shí)檢查錯(cuò)邊量及變形量，選用錯(cuò)邊及變形小的試件進(jìn)行焊接。激光-電弧復(fù)合焊接過(guò)程中采用激光在前、電弧在后的方式。

表1 母材及焊絲主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Chemical composition of base metal and welding wire（wt.%）

采用單一因素變量的方法，研究坡口尺寸、激光功率、焊接電流對(duì)焊縫成形及接頭組織性能的影響規(guī)律。具體試驗(yàn)條件及工藝參數(shù)如表2所示。

表2 焊接試驗(yàn)參數(shù)Table 2 Welding test parameter

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊接工藝

在2 mm鈍邊的坡口形式條件下，采用兩種激光功率和焊接電流組合（2 800 W+110 A，3 000 W+115 A）進(jìn)行焊接試驗(yàn)（單層焊一次焊透）研究，焊縫形貌如圖1所示。由圖可知，鈍邊為2 mm時(shí)，在較小的激光功率和送絲速度條件下，雖然背面成形良好，但是焊縫上表面仍產(chǎn)生了較為明顯的塌陷。

圖1 激光-電弧復(fù)合焊焊縫形貌（2 mm鈍邊）Fig.1 Morphology of the laser-arc hybrid welding joint（2 mm root face）

為獲得更加優(yōu)良的焊縫成形，抑制焊縫塌陷，同時(shí)減少熔敷金屬的填充量，減小焊接變形，將鈍邊尺寸改為3 mm進(jìn)行試驗(yàn)研究，焊縫形貌如圖2所示。由圖可知，3種激光功率和焊接電流的組合參數(shù)均實(shí)現(xiàn)了單面焊雙面成形，焊縫均勻一致、無(wú)塌陷、咬邊等缺陷。其中，4#焊縫（激光功率3 000 W、焊接電流90 A）的成形更加均勻美觀，同時(shí)焊縫余高更小，無(wú)需后續(xù)的車(chē)削加工。

圖2 激光-電弧復(fù)合焊接焊縫形貌（3 mm鈍邊）Fig.2 Morphology of the laser-arc hybrid welding joint（3 mm root face）

根據(jù)以上工藝試驗(yàn)，選用激光功率3 000 W、焊接電流90 A、開(kāi)鈍邊3 mm的Y型坡口對(duì)5 mm厚30CrMnSi進(jìn)行焊接，并對(duì)接頭進(jìn)行X射線探傷檢測(cè)及組織性能檢測(cè)。接頭形貌如圖3所示。由圖可知，焊縫連續(xù)、均勻、美觀，無(wú)咬邊、表面裂紋、表面氣孔等缺陷。同時(shí)檢測(cè)焊前和焊后試件尺寸（見(jiàn)圖4），激光-電弧復(fù)合焊變形較小，焊接變形小于0.1 mm，同時(shí)背面余高維持在1.3～1.6 mm之間，焊縫成形均勻穩(wěn)定。

圖3 5 mm模擬件激光-電弧復(fù)合焊接接頭形貌Fig.3 Morphology of laser-arc hybrid welding joint of a 5 mm simulation workpiece

圖4 5 mm模擬件激光-電弧復(fù)合焊接接頭尺寸檢測(cè)Fig.4 Dimension inspection of the laser-arc hybrid welding joint of a 5 mm simulation workpiece

2.2 接頭X射線探傷檢測(cè)

依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.2 2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)第2部分射線檢測(cè)》進(jìn)行X射線探傷檢測(cè)，局部探傷照片如圖5所示。經(jīng)檢驗(yàn)，焊縫內(nèi)部特別是接頭首尾搭接處均無(wú)裂紋和氣孔產(chǎn)生。

圖5 5 mm 30CrMnSi模擬件X射線探傷照片F(xiàn)ig.5 X-ray inspection photos of a 5 mm 30CrMnSi simulation workpiece

2.3 接頭力學(xué)性能檢驗(yàn)

對(duì)接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)及硬度試驗(yàn)，其中拉伸試樣按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NBT47014-2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》加工，取樣2個(gè)結(jié)果取平均值；硬度試驗(yàn)按照GB/T 4340.1-2012《金屬材料維氏硬度試驗(yàn)》進(jìn)行。

拉伸試樣如圖6所示，兩個(gè)拉伸試樣均斷于熱影響區(qū)。拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由表3可知，母材平均抗拉強(qiáng)度為1 227.5 MPa，接頭平均抗拉強(qiáng)度為1 106 MPa，達(dá)到母材強(qiáng)度的90%；觀察斷口斷面發(fā)現(xiàn)，斷口斷裂平齊，接頭延展性較差，韌性相對(duì)較差。

表3 拉伸試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Tensile test results

圖6 接頭拉伸斷裂后試樣Fig.6 Welding joints of after tensile testing

接頭硬度檢驗(yàn)方式及硬度變化規(guī)律如圖7所示。由圖可知，接頭硬度大于母材，接頭無(wú)軟化現(xiàn)象；此外，熱影響區(qū)硬度遠(yuǎn)高于焊縫區(qū)及母材，其原因是過(guò)熱區(qū)生成了晶粒粗大的馬氏體組織。

圖7 5 mm模擬件焊接接頭硬度檢驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Hardness testing results of the welded joint of a 5 mm simulation workpiece

2.4 接頭金相組織檢驗(yàn)

接頭金相形貌分別如圖8、圖9所示。母材組織為性能優(yōu)異的回火索氏體，焊縫金相組織為貝氏體+馬氏體，呈柱狀晶；但過(guò)熱區(qū)和正火區(qū)金相組織為晶粒粗大的馬氏體+少量貝氏體，是導(dǎo)致熱影響區(qū)硬度升高的主要原因；不完全正火區(qū)金相組織為回火索氏體+珠光體。對(duì)照接頭拉伸性能（見(jiàn)表3），均斷裂在熱影響區(qū)，熱影響區(qū)是一個(gè)相對(duì)比較復(fù)雜的區(qū)域，既有粗大的馬氏體，又存在回火索氏體及珠光體組織，組織多樣且分布不均，導(dǎo)致拉伸試樣在熱影響區(qū)位置斷裂。

圖8 母材金相形貌Fig.8 Microstructure of the base metal

圖9 接頭金相形貌Fig.9 Microstructure of of the joint

3 分析與討論

焊接冷裂紋的產(chǎn)生主要與母材成分及厚度、拘束程度、淬硬組織以及擴(kuò)散氫含量有關(guān)。激光-電弧復(fù)合焊接時(shí)，激光在前、電弧在后，激光首先照射到焊接試板，使激光光斑附近區(qū)域的試板局部溫度升高，在一定程度上起到了提前預(yù)熱的作用；同時(shí)，激光的加入也使周?chē)鷧^(qū)域的金屬熔化，并與電弧共同作用，增加熔深、減小熱輸入，一定程度上減小了焊接的拘束應(yīng)力，組織晶粒更為細(xì)?。?0］。

4 結(jié)論

（1）采用激光-電弧復(fù)合焊接方法可以實(shí)現(xiàn)厚5 mm的30CrMnSi單面焊雙面成形，焊縫成形均勻美觀，表面無(wú)咬邊等缺陷。

（2）在激光功率為3 000 W、焊接電流為90 A、鈍邊為3 mm的Y型坡口條件下，可有效避免5 mm厚30CrMnSi的焊接裂紋等缺陷的產(chǎn)生。

（3）焊接接頭的平均抗拉強(qiáng)度為1 106 MPa以上，達(dá)到母材強(qiáng)度的90%，斷裂位置為熱影響區(qū)。

（4）較高的熱輸入導(dǎo)致接頭過(guò)熱區(qū)出現(xiàn)以粗大馬氏體為主的金相組織，是導(dǎo)致熱影響區(qū)硬度過(guò)高的主要原因。