氧化物對超高強鋼激光駁緇「春蝦附擁撓跋

孔森，陳曉宇，李洪偉，張彥東，楊義成，徐富家

摘要： 以坡口兩側(cè)氧化物的存在對焊接質(zhì)量的影響為研究目的，借助萬能拉伸機(jī)、顯微硬度儀、X射線衍射儀、光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡等方法對焊接接頭的氣孔、力學(xué)性能和組織等進(jìn)行了綜合分析。研究結(jié)果表明，坡口兩側(cè)氧化皮是否清理干凈對焊接質(zhì)量影響很大，氧化皮的存在會導(dǎo)致焊縫內(nèi)部存在氣孔;坡口兩側(cè)未打磨會導(dǎo)致焊縫內(nèi)形成氧化物聚集區(qū)，導(dǎo)致焊接接頭沖擊吸收能量和拉伸性能均下降;當(dāng)坡口無氧化皮時，焊接接頭的力學(xué)性能達(dá)到母材的98%左右，焊縫中心的沖擊吸收能量略低于熱影響區(qū);焊接接頭硬度呈M形分布，焊接熱影響區(qū)快速冷卻產(chǎn)生的馬氏體是熱影響區(qū)硬度提高的主要原因。

關(guān)鍵詞： 超高強鋼; 激光-電弧復(fù)合焊接; 組織; 力學(xué)性能

中圖分類號：? TG 456.7

Effect of oxide on laser-arc hybrid welding of super high-strength steel

Kong Sen1， Chen Xiaoyu2， Li Hongwei2， Zhang Yandong2， Yang Yicheng2，3， Xu Fujia2

（1. Sany Automobile Hoisting Machinery Co.， Ltd.， Changsha 410699， Hunan， China;

2. Harbin Welding Institute Limited Company， Harbin 150028， Heilongjiang， China;

3. China Academy of Machinery Science and Technology Group Co.， Ltd.， Beijing 100044， China）

Abstract： In order to study effect of oxide on welding quality， porosity， mechanical properties and microstructure of welded joints were comprehensively analyzed by means of universal tensile machine， microhardness tester， X-ray diffractometer， optical microscope and scanning electron microscope. The results showed that whether oxide scale on both sides of the groove was cleaned had a great influence on welding quality， and existence of oxide scale would lead to existence of pores in the weld. Both sides of the groove that was unpolished would lead to formation of oxide accumulation zone in the weld， which resulted in decrease of impact absorbed energy and tensile properties of welded joints. When there was no oxide scale in the groove， mechanical properties of welded joints reached about 98% of the base metal， and impact absorbed energy at the center of the weld was slightly lower than that of heat affected zone. Hardness of welded joints was M shaped distribution. Martensite produced by rapid cooling of heat affected zone was the main reason for increasing hardness of heat affected zone.

Key words：? ultra-high strength steel; laser-arc hybrid welding; microstructure; mechanical properties0前言

低合金高強鋼通過合理的元素配比和熱處理工藝，使其具備較高的強度和塑韌性[1-4]，在工程機(jī)械、石油管道、軍工和海洋工程等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。同時，在輕量化制造方面，高強鋼以其較高的比強度特性，在保證不損失原有構(gòu)件使用能力的基礎(chǔ)上，可以大幅的降低其重量，在節(jié)能減排等領(lǐng)域發(fā)揮突出作用[5-8]。而激光-電弧復(fù)合焊接則具有焊接效率高、綜合焊接質(zhì)量高等優(yōu)點，在高強鋼關(guān)鍵承載結(jié)構(gòu)件的高可靠性連接中發(fā)揮了重要作用[9-11]。周海銘等人[12]的研究指出激光焊接B800QP高強鋼中，焊接接頭熔合區(qū)和熱影響區(qū)的大部分區(qū)域硬度均高于母材，焊縫熱影響區(qū)邊緣位置存在軟化的一個主要原因是該位置處的峰值溫度高于回火溫度，形成了強度和硬度均較低的回火馬氏體，拉伸時該區(qū)域易斷裂。大量的研究指出，焊縫中合金元素的調(diào)控是調(diào)控組織的關(guān)鍵因素，而雜質(zhì)元素的存在會極大的降低焊縫的綜合力學(xué)性能[13-14]。張?zhí)炖淼热薣15]通過大量的分析，給出了焊縫中貝氏體調(diào)控所需關(guān)鍵合金元素含量的推薦值。王斌等人[16]的研究指出焊縫中含有氧化夾雜物時，夾雜物界面會造成氫的偏聚，該區(qū)域易形成氫致裂紋。但是，陳翠欣等人[17]在新型高強鋼的研究中指出，納米氧化物顆粒的大量彌散分布有利于提高高強鋼熔敷金屬的沖擊韌性，比無納米氧化物添加的焊縫沖擊韌性提高了67%。

由此可見，氧化物的尺寸、存在形式等對高強鋼焊接質(zhì)量的影響很大，如何在工藝實施過程中控制氧化物含量，提升關(guān)鍵高強鋼構(gòu)件的服役性能是當(dāng)前工程應(yīng)用領(lǐng)域關(guān)注的核心問題之一。為此，該研究系統(tǒng)分析了焊縫坡口兩側(cè)氧化皮打磨與否對焊接質(zhì)量的影響，為高強鋼的工程應(yīng)用提供切實可行的技術(shù)支撐。

1試驗材料及方法

試驗用激光發(fā)射器為德國IPG Photonics公司生產(chǎn)的YLS-30000光纖激光器，最大輸出功率為30 kW，激光束焦點位置處光斑直徑為0.69 mm;焊接用行走機(jī)構(gòu)為日本FANUC公司生產(chǎn)的機(jī)器人，型號為M-710iC/70;焊接電源為奧地利福尼斯公司生產(chǎn)的一元化焊機(jī)（送絲速度與焊接電流匹配），型號為TPS5000，焊接過程如圖1所示。

試驗用材料為基體材料為960E高強鋼，利用機(jī)械加工方法加工出尺寸一致的試樣板，400 mm×150 mm×7 mm。試驗前，根據(jù)需要確定是否打磨氧化皮，如果需要打磨用角磨機(jī)去除I形坡口附近區(qū)域30 mm范圍內(nèi)的氧化皮及油污等。焊后采用日本奧林巴斯（OLYMPUS）GX51倒置金相系統(tǒng)顯微鏡分析金相組織，其中包括焊縫、過熱區(qū)、正火區(qū)、不完全正火區(qū)、回火區(qū)、母材的微觀組織。利用日本蔡司公司生產(chǎn)的EVO18掃描電鏡對焊接接頭斷裂后的微觀形貌進(jìn)行分析。焊接用填充焊絲為MG90-G焊絲，直徑為1.2 mm，試驗用試板及焊絲的化學(xué)成分均見表1。焊接工藝參數(shù)見表2，其中包括激光功率、焊接速度、氣體流量和光絲間距等。

焊接完成后，采用GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗方法》及GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗方法》要求加工測試試樣，其取樣方法分別如圖2a和圖2b所示。

2試驗結(jié)果與分析

2.1焊縫成形及氣孔分析

坡口兩側(cè)氧化物打磨與未打磨時的焊縫成形分別如圖3和圖4所示。未打磨焊縫正面成形不均勻，背面焊縫表面目視可看到多處氣孔。打磨后的焊縫正、背面成形均勻，且表面無氣孔。

采用X射線探傷的方法對焊接接頭內(nèi)部的氣孔進(jìn)行分析，當(dāng)焊縫兩側(cè)的氧化物不做處理，焊縫內(nèi)部局部區(qū)域會存在一定量的氣孔，氣孔最大直徑1.5 mm，100 mm長焊縫內(nèi)有氣孔最多7個;而當(dāng)焊縫兩側(cè)的氧化物去除干凈時，氣孔最大直徑0.5 mm，100 mm長焊縫內(nèi)氣孔最多2個。上述分析說明氧化物的存在是影響960E高強鋼激光-電弧復(fù)合焊接焊縫內(nèi)部氣孔率的關(guān)鍵因素之一。

2.2焊接接頭組織分析

氧化皮打磨焊接后金相試樣經(jīng)研磨、拋光、侵蝕后，置于金相顯微鏡下低倍觀察，其宏觀形貌如圖5a所示，未見氣孔、裂紋、夾渣、未焊透、未熔合等焊接缺陷。在光學(xué)顯微鏡下高倍觀察其焊縫金相組織如圖5b所示，組織為針狀鐵素體+貝氏體;熱影響區(qū)中過熱區(qū)和正火區(qū)的金相組織由馬氏體與貝氏體組成，其形貌分別如圖5c和圖5d所示，而不完全正火區(qū)由于距離焊縫較遠(yuǎn)，部分組織為馬氏體，主要組織由回火索氏體和珠光體組成;母材組織為回火索氏體，如圖5f所示。氧化皮在打磨前后，通過金相觀察發(fā)現(xiàn)，接頭組織從結(jié)構(gòu)到形貌，幾乎沒有影響。

2.3焊接接頭綜合力學(xué)性能分析

對激光-電弧復(fù)合焊接后的接頭分別進(jìn)行拉伸和沖擊試驗，其中拉伸試樣3個取平均值，沖擊試樣焊縫及距熔合線1 mm位置處各取3個取平均值，其力學(xué)測試結(jié)果見表3。氧化皮打磨后焊接試樣焊接接頭強度均值為995 MPa，達(dá)到母材的98.3%，而氧化皮未打磨試樣焊接接頭的抗拉強度只有826 MPa;氧化皮打磨后焊接試樣接頭-40 ℃下焊縫中心位置處的沖擊吸收能量為37 J，距熔合線1 mm位置處的沖擊吸收能量為45 J，而氧化皮未打磨試樣焊接接頭-40 ℃下焊縫中心位置處的沖擊吸收能量僅為18 J，距熔合線1 mm位置處的沖擊吸收能量為46 J。

激光-電弧復(fù)合焊接接頭不同位置處的維氏硬度分布如圖6所示，可以看出焊接接頭整個區(qū)域的硬度分布基本服從M形分布特征，熱影響區(qū)的硬度為330 HV左右，這與焊接完成后熱影響區(qū)冷卻速度加快，與馬氏體組織形成有直接聯(lián)系，整個焊接接頭焊縫區(qū)域硬度最低在300 HV左右，該區(qū)域的硬度比母材區(qū)域硬度小10 HV左右。氧化皮打磨前后數(shù)值分布和數(shù)值幾乎沒有變化。

2.4焊接接頭斷口形貌分析

對氧化皮未打磨試板斷裂后的斷口在掃描電鏡下進(jìn)行觀察分析，可以清晰的看出在斷口中的部分區(qū)域存在尺寸約為0.1 mm的夾雜物聚集區(qū)，形成焊縫夾雜缺陷，如圖7所示，該問題直接導(dǎo)致焊接接頭的力學(xué)性能顯著下降。

為了進(jìn)一步證實該夾雜物的構(gòu)成，利用掃描電鏡能譜分析的方法對夾雜物的構(gòu)成進(jìn)行元素分析，區(qū)域1為氧化物，實際探測結(jié)果見表4?？梢钥闯鰠^(qū)域1中的O元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到了40.8%，而區(qū)域2中則不含O元素，這從側(cè)面證實了區(qū)域1中夾雜物的形成極有可能是因為附著于坡口表面的氧化物未打磨干凈，焊接過程中氧化物在液態(tài)金屬熔池中未能及時溢出到表面所致。而Mn，Ti，Si等易于與O元素結(jié)合形成化合物的元素在該區(qū)域富集，也充分證實了該夾雜物的構(gòu)成基本是由氧化物組成。

3結(jié)論

（1）坡口兩側(cè)氧化皮是影響高強鋼激光-電弧復(fù)合焊接接頭質(zhì)量的關(guān)鍵因素，焊縫內(nèi)部含氧化物會導(dǎo)致焊縫內(nèi)部氣孔率增加，拉伸和沖擊性能顯著下降。

（2）激光-電弧復(fù)合焊接后，焊縫組織為針狀鐵素體+貝氏體;過熱區(qū)組織為馬氏體+貝氏體;正火區(qū)組織為馬氏體+貝氏體;不完全正火區(qū)組織為回火索氏體+馬氏體+珠光體。

（3）坡口無氧化皮時焊后接頭力學(xué)性能明顯提升，拉伸性能達(dá)到母材的98%左右，-40 ℃下焊縫中心位置處的沖擊吸收能量為37 J，距熔合線1 mm位置處的沖擊吸收能量為45 J。

參考文獻(xiàn)

[1]陳建國， 楊詠梅， 李俐群， 等. Ni對Q690鋼SMAW熔敷金屬組織和性能的影響[J]. 焊接， 2021（7）： 29-33， 40.

[2]喬及森， 楊元莊， 高振云， 等. 焊劑片約束電弧焊接高強鋼T形接頭電弧形貌與熔滴過渡模式分析＼[J＼]. 焊接學(xué)報， 2021， 42（4）： 28-35.

[3]Qiu Rongpeng， Feng Xu. Effect of aluminium element on microstructure and properties of weld metal of 960 MPa steel ＼[J＼]. China Welding， 2020， 29（4）： 48-53.

[4]韓鵬薄， 黃瑞生， 李小宇， 等. 高強鋼激光焊接凝固裂紋研究現(xiàn)狀＼[J＼]. 焊接， 2021（12）： 29-35.

[5]譚星， 倪川皓， 江亞平. 工程機(jī)械厚板高強鋼D-Arc高效焊接工藝[J]. 焊接， 2021（6）： 56-60.

[6]李永兵， 馬運五， 樓銘， 等. 輕量化多材料汽車車身連接技術(shù)進(jìn)展[J]. 機(jī)械工程學(xué)報， 2016， 52（24）： 1-23.

[7]朱梓坤， 韓陽， 張舟， 等. Q690D低合金高強鋼模擬焊接熱影響區(qū)的組織和性能＼[J＼]. 焊接， 2022（1）： 26-33.

[8]Cui Bing， Yan Peipei， Du Quanbin， et al. The welding application of high strength steels used in engineering machinery ＼[J＼]. China Welding， 2021， 30（1）： 57-64.

[9]萬亞雄， 唐立志， 武學(xué)俊， 等. Fe-Mn-Al-C低密度高強鋼焊接技術(shù)的研究與進(jìn)展[J]. 焊接， 2020（8）： 45-51.

[10]嚴(yán)春妍， 易思， 張浩， 等. S355鋼激光-MIG復(fù)合焊接頭顯微組織和殘余應(yīng)力[J]. 焊接學(xué)報， 2020， 41（6）： 12-18.

[11]朱志勇， 陳輝， 馬彥龍， 等. 脈沖激光對B950CF高強鋼復(fù)合焊接頭組織及疲勞性能的影響[J]. 中國激光， 2021， 48（14）： 63-73.

[12]周海銘， 李柘林， 牟楠， 等. 線能量對高強鋼激光填絲接頭組織及性能影響[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展， 2019， 56（3）： 198-204.

[13]Ronevich J A， Song E J， Feng Z L， et al. Fatigue crack growth rates in high pressure hydrogen gas for multiple X100 pipeline welds accounting for crack location and residual stress [J]. Engineering Fracture Mechanics， 2020， 228： 1-13.

[14]Shi Zhongran， Wang Ruizhen， Su Hang， et al. Effect of nitrogen content on the second phase particles in V-Ti microalloyed shipbuilding steel during weld thermal cycling [J]. Materials & Design， 2016， 96： 241-250.

[15]張?zhí)炖恚?武雯， 于航， 等. 合金元素對高強鋼焊縫金屬貝氏體形成及力學(xué)性能影響的研究進(jìn)展 [J]. 中國機(jī)械工程， 2021， 32（14）： 1743-1756.

[16]王斌， 周翠， 李良君， 等. X100管線鋼焊接接頭抗HIC性能研究[J]. 中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報， 2014， 34（3）： 237-242.

[17]陳翠欣， 薛海濤， 陳翠玲， 等. 納米氧化物合金化對低合金高強鋼熔敷金屬組織和性能的影響[J]. 焊接學(xué)報， 2016， 37（9）： 29-34.

收稿日期： 2022-04-10

孔森簡介： 碩士研究生;主要從事工程機(jī)械焊接工藝及生產(chǎn)線設(shè)計規(guī)劃的研究;kongsen1986@163.com。

陳曉宇簡介：通信作者，碩士，高級工程師;主要從事激光焊接和無損檢測的相關(guān)研究;3123673@qq.com。