Q1400超高強鋼激光-MAG復合焊與MAG組織及性能對比

牟梓豪 滕彬 徐鍇

摘要：針對一種屈服強度1400 MPa新型超高強鋼，對比分析了在使用低強匹配焊材的條件下MAG和激光-MAG復合焊的組織及性能差異。2種焊接工藝的成形及截面形貌均連續(xù)均勻，無氣孔、裂紋、夾渣等微觀缺陷。MAG采用2 mm鈍邊的60°坡口，熱輸入大、冷卻速度較慢，焊縫組織主要為馬氏體+貝氏體組織，焊縫-40℃沖擊吸收能量為45 J，為母材的150%；熱影響區(qū)沖擊吸收能量為30 J，與母材水平相當；接頭抗拉強度為1166 MPa，相當于母材的69%。激光-MAG復合焊采用6 mm鈍邊的40°坡口，打底焊焊縫為馬氏體組織；填充焊焊縫為馬氏體+貝氏體組織；焊縫-40℃沖擊吸收能量與MAG相當，但熱影響區(qū)的沖擊吸收能量達到42 J，優(yōu)于MAG和母材；接頭抗拉強度接近1300 MPa，高于MAG 125 MPa，相當于母材的76%。激光-MAG復合焊焊接效率優(yōu)于MAG，達到MAG的3倍以上。

關鍵詞：激光-MAG復合焊； MAG；超高強鋼；顯微組織；力學性能

中圖分類號： TG 456.7

Comparison of microstructure and mechanical properties between laser-arc hybrid welding and MAG for ultra high strength steel

Mu Zihao， Teng Bin， Xu Kai

（Harbin Welding Institute Limited Company， Harbin 150028， Heilongjiang， China）

Abstract： Microstructure and mechanical properties of a new ultra high strength steel with yield strength of 1400 MPa were compared between MAG and laser-MAG hybrid welding under the condition of low strength matching welding material. Formation and cross-section morphology of the two processes were continuous and uniform， and there were no micro defects such as pores， cracks and slag inclusions.60° groove with 2 mm blunt edge was adopted in MAG， which had large heat input and slow cooling speed. Microstructure of weld was mainly martensite and bainite. Impact absorbed energy of weld at -40℃ was 45 J， which was 150% of base metal. Heat affected zone was 30 J， which was equivalent to base metal. Tensile strength of welded joints was 1166 MPa， which was equivalent to 69% of base metal.40° groove with 6 mm blunt edge was adopted in laser-MAG hybrid welding， backing weld was martensite， and filling weld was martensite and bainite. Impact absorbed energy of weld at -40℃ was equivalent to base metal， while impact absorbed energy of heat affected zone reached 42 J， which was better than that of MAG and base metal. Tensile strength of welded joints was 1300 MPa， higher than MAG 125 MPa， which was equivalent to 76% of base metal. Welding efficiency of laser-MAG hybrid welding was superior to MAG， which reached more than three times that of MAG.

Key words： laser-arc hybrid welding; MAG; ultra high strength steel; micorstructure; mechanical properties

0前言

當前能源短缺形勢日益嚴重，節(jié)能減排的需求不斷增加，未來工程機械勢必要向輕量化、高效化的方向發(fā)展［1］。使用強度質量比更高的超高強鋼是輕量化發(fā)展的重要舉措之一，這類材料在具有較高強度時仍保有良好的塑韌性，國內外已經(jīng)有大量企業(yè)機構開展1000 MPa甚至1500 MPa級別以上超高強鋼的研制與應用工作［2］。但是超高強鋼合金成分復雜，焊后殘余應力高，在實際焊接應用中存在接頭強韌性不足、焊后變形大、容易產(chǎn)生裂紋等問題［3］。而激光-電弧復合焊接作為一種新型焊接方法，熱輸入小、熔深大、焊接速度快、工況適應性好，已經(jīng)成為高強鋼焊接的研究熱點方向［4-8］。

鮑亮亮等學者［9］采用焊接熱模擬技術分析了超高強鋼激光-電弧復合焊的熱影響區(qū)組織與沖擊韌性之間的關系，結果表明：焊接峰值溫度較難抑制裂紋生成，但可以有效地控制裂紋的擴展，峰值溫度越高裂紋越容易擴展。Turichin等學者［10］研究了7 mm厚1500 MPa級超高強鋼及10 mm厚1100 MPa級超高強鋼的接頭性能，1100 MPa級超高強鋼接頭強度與母材相當；而1500 MPa級別超高強鋼接頭的強度僅為母材的86%?？梢娂词故褂冒搴褫^小、強度較高的材料，在經(jīng)歷焊接熱循環(huán)后仍會出現(xiàn)強度降低的問題。stündagˇ等學者［11］研究了熱輸入及焊接速度對20 mm厚X120鋼激光-電弧復合焊接頭性能的影響，結果表明：較快的冷卻速度可以獲得較好的沖擊韌性及拉伸性能，冷卻速度降低則會導致組織發(fā)生變化，強韌性下降。

目前，國內外對于1000 MPa級別的超高強鋼的激光-電弧復合焊研究較為完備，但對于1400 MPa級別以上的厚板超高強鋼激光-電弧復合焊仍處于研發(fā)初級階段。該研究針對一款新開發(fā)的20 mm厚Q1400超高強鋼開展激光-MAG復合焊工藝研究，可以為未來厚板超高強鋼焊接的工程實際應用提供一套行之有效的試驗依據(jù)。

1試驗材料及方法

試驗母材為國內某特種鋼廠最新開發(fā)的Q1400超高強度鋼，板厚20 mm。焊絲選用徑為1.2 mm的90公斤級ESAB Weld CF 89低合金鋼焊絲，母材與焊絲的化學成分見表1，力學性能見表2。

MAG坡口如圖1所示，坡口角度60°，鈍邊2 mm，間隙2 mm。激光-MAG復合焊坡口形式如圖2所示，采用V形40°坡口，6 mm鈍邊，不保留間隙，以適應激光-MAG復合焊能量集中的特點。焊前采用機械打磨的方式去除坡口附近氧化皮，并使用無水乙醇試劑清洗除去打磨后的油污及其他雜質。清理完畢后，將試板兩側點焊固定，置于紅外加熱烘干爐中進行烘干及預熱工序。試板隨爐加熱至200℃，并在爐中保溫2 h，使整個試板溫度均勻。焊接過程中控制道間溫度在100℃左右，每道次之間均清理焊縫表面氧化皮，以防止氧化皮成分對焊縫性能產(chǎn)生影響。焊后使用石棉包裹試板緩冷，靜置48 h后經(jīng)X射線探傷未發(fā)現(xiàn)缺陷后進行組織及力學性能檢查。

在MAG焊接工藝參數(shù)中，焊絲伸出長度15 mm，左向焊，焊槍傾角60°，采用多層多道焊工藝方法，分打底焊和填充焊2種焊接工藝參數(shù)，見表3。激光-MAG復合焊試驗平臺由IPG萬瓦級光纖激光器、Fornius TPS 4000焊機和KUKA機器人組成，電弧與激光采用旁軸復合形式，激光槍頭與豎直方向夾角5°，焊槍與豎直方向夾角40°。光絲間距4 mm，焊絲伸出長度15 mm。保護氣體為80%Ar+20%CO2，氣體流量為18～20 L/min。激光-MAG復合焊接試驗采用多層單道焊方法，共焊接5道，分打底焊、填充焊、蓋面焊3種焊接工藝參數(shù)，見表4。

2試驗結果及討論

2.1焊縫成形

圖3及圖4分別為MAG及激光-MAG復合焊焊縫成形。可以看到2種焊接方法正背面成形連續(xù)均勻，各道次之間熔合情況良好，熔合線過渡平滑，焊縫中不存在氣孔、夾渣、裂紋、未熔合等缺陷。MAG焊縫的熔寬明顯大于激光-MAG復合焊，寬約25 mm，而相比之下激光-MAG復合焊的熔寬僅為17 mm，較大的坡口和熔寬會使焊縫中強度較低的焊材熔合比例增多，強度較高的母材熔合比例較少，從而使整個焊接接頭的強度降低。

2.2接頭顯微組織

圖5為MAG焊顯微組織圖，圖5a～圖5c依次為焊縫組織、粗晶熱影響區(qū)組織及細晶熱影響區(qū)組織。焊縫中心組織為馬氏體+貝氏體組織（圖5a），多層多道焊的后熱作用使馬氏體中的滲碳體均勻析出，晶粒細化。粗晶熱影響區(qū)同樣為馬氏體+貝氏體組織（圖5b），但其受過熱影響，原奧氏體晶粒長大，晶粒粗化，明顯較焊縫中心粗大，并且貝氏體含量較焊縫區(qū)少。細晶熱影響區(qū)組織（圖5c）與焊縫相似，都是均勻的馬氏體+貝氏體組織。

激光-MAG復合焊由于其坡口的特殊性，鈍邊較大，打底焊區(qū)域以高功率激光為主要熱源，熱輸入集中，冷卻速度快，熱影響區(qū)小，因此以激光為主要熱源的打底焊區(qū)域和以電弧為主要熱源的填充焊區(qū)域組織會有明顯的不同。由于激光集中的能量和較快的冷卻速度，焊縫為馬氏體組織，粗晶熱影響區(qū)組織晶粒明顯長大，但仍為馬氏體組織；而細晶熱影響區(qū)由于焊接的熱作用，溫度剛達到Ac3，使母材的馬氏體組織發(fā)生了再結晶現(xiàn)象，晶粒明顯細化，裂紋敏感性降低，在不影響強度的前提下大大提高塑韌性，如圖6所示。填充焊區(qū)域是以小激光功率引導電弧高速焊接的工藝方法，主要熱源為電弧熱，冷卻速度慢，同時后道焊對前道焊還有熱處理作用。填充焊焊縫是馬氏體+貝氏體組織，強度相較于打底焊區(qū)域會有一定程度的降低，但塑韌性提升；粗晶熱影響區(qū)主要由粗大的馬氏體組織構成，但可以看到有少量粒狀貝氏體分散在馬氏體組織中；而細晶熱影響區(qū)中的貝氏體含量明顯增加，并且馬氏體組織細化，強韌性進一步提升，如圖7所示。

2.3焊接接頭力學性能

根據(jù)上述對MAG和激光-MAG復合焊組織的分析，依照GB/T 229—2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》分別對2種焊接方法獲得接頭的焊縫及熱影響區(qū)沖擊韌性進行驗證，缺口位于焊縫中心和熔合線向外偏移1 mm區(qū)域（熱影響區(qū)）各取3組標準焊縫沖擊試樣進行-40℃低溫沖擊試驗，沖擊試驗結果見表5。可以看到MAG和激光-MAG復合焊的焊縫低溫沖擊吸收能量比較接近，都在45 J左右，高于母材的30 J。這是由于多層多道焊的熱循環(huán)作用使焊縫組織得到了充分的細化，碳化物有充足的驅動力在焊縫組織中析出，韌性都較好。但2種焊接工藝下熱影響區(qū)的低溫沖擊韌性存在區(qū)別。激光-MAG復合焊的低溫沖擊韌性高于MAG 11 J，這就是由于激光-MAG復合焊的能量集中，熱影響區(qū)受熱作用明顯小于MAG，晶粒粗化現(xiàn)象較差，有較好的沖擊韌性，同時也可以更好地抑制熱影響區(qū)冷裂紋的產(chǎn)生。

MAG沖擊試樣斷口如圖8所示，激光-MAG復合焊沖擊斷口如圖9所示。可以看到4個區(qū)域的沖擊斷口均可同時發(fā)現(xiàn)韌窩和解理臺階的存在，證明均為韌脆混合斷裂模式。但可以發(fā)現(xiàn)激光-MAG復合焊的沖擊斷口中韌窩數(shù)量較多，并且較多較深，而MAG沖擊斷口中解理臺階較多，而韌窩較小較淺，分布在撕裂脊附近。從斷口中也可以明顯地判斷出激光-MAG復合焊無論是焊縫還是熱影響區(qū)的低溫沖擊韌性均優(yōu)于MAG。

依照GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗方法》進行MAG和激光-MAG復合焊焊接接頭的拉伸試驗，2種焊接方法均取2個焊接拉伸試樣，應變加載速率為0.00025 s-1，拉伸試驗結果見表6，拉伸試驗的應力應變曲線如圖10所示。2種焊接方法的拉伸試樣均斷于焊縫，但激光-MAG復合焊的平均抗拉強度要高于MAG 125 MPa，即高出MAG抗拉強度10%，相當于母材抗拉強度的76%。這主要是由于激光-MAG復合焊能量集中，冷卻速度快，接頭組織主要為強度更高的馬氏體組織；而MAG的組織含有較多的貝氏體組織，馬氏體中過飽和的碳原子析出，阻礙位錯移動的錨點變少，強度降低，但塑性有所提高。但激光-MAG復合焊的塑性略弱于MAG，也是由于硬化組織過多，馬氏體組織塑性較差，在達到強度極限后幾乎沒有屈服發(fā)生即產(chǎn)生斷裂。

綜上可以看出，由于激光-MAG復合焊坡口小，能量集中，冷卻速度快的優(yōu)勢，在同樣使用低強匹配焊材的前提下可以獲得比MAG更好的強度和韌性。

2.4焊接效率對比

常規(guī)弧焊坡口寬，角度大，而激光-MAG復合焊接坡口窄，鈍邊大，在焊接效率上遠遠領先于常規(guī)弧焊。僅需1道打底，4道填充即可焊滿整個坡口；焊接時間僅為弧焊的1/3，熱輸入也僅為弧焊的1/2。如果加上焊道清理等工序，整體焊接效率可達到常規(guī)弧焊的3倍以上。

激光-MAG復合焊即使在不預熱的情況下也不會有裂紋產(chǎn)生，而常規(guī)弧焊則必須在焊前進行預熱，才能避免裂紋的產(chǎn)生。使用激光-MAG復合焊即可避免這一道焊前準備工序，節(jié)約了大量的工作時間。

激光-MAG復合焊的坡口小，僅為23100 cm3；而常規(guī)弧焊坡口寬而深，達到了81000 cm3，坡口理論填充量相差3.5倍。實際焊接過程中，由于飛濺、打磨及焊縫表面余高，實際的焊材消耗量上，常規(guī)弧焊也達到了激光-MAG復合焊消耗量的2.8倍，成本相差較大。

3結論

（1）MAG焊接接頭主要為馬氏體+貝氏體組織，焊縫及熱影響區(qū)組織由于多道焊的后熱作用均有不同程度的晶粒細化；激光-MAG復合焊打底焊區(qū)域均為馬氏體組織，焊縫及粗晶熱影響區(qū)晶粒較為粗大，填充焊區(qū)域組織為馬氏體+貝氏體，與MAG較相似。

（2）激光-MAG復合焊和MAG的焊縫低溫沖擊韌性達到了45 J，為母材的150%；激光-MAG復合焊熱影響區(qū)沖擊韌性高于MAG及母材，達到了41 J。在抗拉強度方面，激光-MAG復合焊也有明顯的優(yōu)勢，抗拉強度達到了母材的76%，高于MAG 125 MPa。

（3）從焊接效率的角度考慮，激光-MAG復合焊的焊接工時僅為弧焊的1/3，同時焊材消耗量也遠低于弧焊，不及弧焊消耗量的35%。

參考文獻

［1］楊寧， 李冰， 徐武彬， 等.工程機械節(jié)能減排現(xiàn)狀及發(fā)展新趨勢［J］.機械設計與制造， 2021（1）：297-300， 304.

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

［3］韓振仙， 蘭志宇， 孫遠方， 等.熱輸入對Q890D低合金高強鋼焊接性能的影響［J］.焊接， 2019（3）：56-59， 64.

［4］蔣寶， 雷振， 黃瑞生， 等.萬瓦級光纖激光-MAG復合焊接焊縫成形［J］.焊接， 2020（6）：5-11， 32.

［5］聶鑫， 李小宇， 黃瑞生， 等.鋁合金萬瓦級激光-MIG電弧復合焊縫成形［J］.焊接， 2020（2）：24-27， 37.

［6］ Venkatesh Kannan M， Arivazhagan N， Nageswara Rao M， et al. Studies on microstructure and mechanical properties of weldments produced in 12 mm thick naval grade high strength low alloy steel for sub-zero application by single and double pass hybrid laser arc welding［J］. Journal of Materials Engineering and Performance， 2022， 31：3234–3248.

［7］ Han Yongquan， Han Jiao， Chen Yan， et al. Stability of fiber laser-MIG hybrid welding of high strength aluminum alloy［J］. China Welding， 2021， 30（3）：7-11.

［8］黃瑞生， 楊義成， 蔣寶， 等.超高功率激光-電弧復合焊接特性分析［J］.焊接學報， 2019， 40（12）：73-77， 96.

［9］鮑亮亮， 潘春宇， 劉福建， 等.低合金高強鋼激光電弧復合焊熱模擬熱影響區(qū)組織與沖擊韌性［J］.焊接學報， 2022， 43（5）：90-97.

［10］ Turichin G， Kuznetsov M， Klimova-Korsmik O， et al. Laser-arc hybrid welding perspective ultra-high strength steels： influence of the chemical composition of weld metal on microstructure and mechanical properties［J］. Procedia CIRP， 2018， 74：752-756.

［11］stündagˇ， Gook S，Gumenyuk A， et al. Hybrid laser arc welding of thick high-strength pipeline steels of grade X120 with adapted heat input［J］. Journal of Materials Processing Technology， 2020， 275：116358.

收稿日期：2023-05-17

牟梓豪簡介：碩士研究生；主要從事激光-電弧復合焊的研究；2580759208@qq.com。

徐鍇簡介：通信作者，正高級工程師，博士研究生導師；主要從事特種焊接材料、工藝研究及工程應用的開發(fā)；已發(fā)表論文70余篇；wellxk@sina.com。