高強(qiáng)鋼激光-電弧復(fù)合焊接接頭力學(xué)性能研究

楊臻， 張平， 蔡志海， 秦航

(裝甲兵工程學(xué)院 機(jī)械產(chǎn)品再制造國(guó)家工程研究中心， 北京 100072)

高強(qiáng)鋼激光-電弧復(fù)合焊接接頭力學(xué)性能研究

楊臻， 張平， 蔡志海， 秦航

(裝甲兵工程學(xué)院 機(jī)械產(chǎn)品再制造國(guó)家工程研究中心， 北京 100072)

為彌補(bǔ)高強(qiáng)鋼在傳統(tǒng)焊接中低效、變形嚴(yán)重、焊縫強(qiáng)度低等問(wèn)題，采用6 kW光纖激光器和熔化極活性氣體保護(hù)電弧焊復(fù)合焊接6 mm厚度的30CrNiMo鋼板，在相同焊接工藝下使用ER50-6和ER308兩種焊絲，焊后對(duì)兩種焊縫的組織形貌和力學(xué)性能進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：ER50-6焊絲焊縫為細(xì)小的針狀馬氏體組織，而ER308焊絲焊縫為粗大的柱狀晶奧氏體；兩種焊絲焊縫的硬度面分布也出現(xiàn)較大區(qū)別，ER50-6焊絲焊縫沿熔合線出現(xiàn)低硬度分布，ER308焊絲焊縫則在焊縫中心下部出現(xiàn)低硬度集中，二者對(duì)應(yīng)拉伸斷裂位置分別在熔合線處和焊縫中心；通過(guò)能譜分析得知，ER308焊絲中高含量的Cr元素在焊縫上部集中，導(dǎo)致焊縫上部淬硬性增強(qiáng)，硬度大幅上升，韌性急劇下降，并最終導(dǎo)致焊縫力學(xué)性能的薄弱。因此，采用復(fù)合焊接搭配ER50-6焊絲，可實(shí)現(xiàn)對(duì)6 mm厚30CrNiMo鋼板以1.0 m/min速度的高效無(wú)變形焊接，焊縫強(qiáng)度高達(dá)1 197 MPa.

機(jī)械制造工藝與設(shè)備； 光纖激光； 高強(qiáng)鋼； 激光- 電弧復(fù)合焊接； 焊接接頭； 硬度面分布

0 引言

激光- 電弧復(fù)合焊接是一種全新高效的先進(jìn)焊接技術(shù)，它將物理性質(zhì)、能量傳輸機(jī)制截然不同的兩種熱源復(fù)合在一起，作用于同一加工位置，它既充分發(fā)揮了兩種熱源各自的優(yōu)勢(shì)，又相互彌補(bǔ)了各自的不足，從而形成一種全新的高效焊接熱源[1-3]。激光- 電弧焊接以其自身優(yōu)勢(shì)引起人們的高度重視，并迅速取替?zhèn)鹘y(tǒng)焊接方法，在工業(yè)中獲得日益廣泛的應(yīng)用[4-8]。

高強(qiáng)鋼受其熱處理工藝及成分的影響，在傳統(tǒng)弧焊時(shí)焊接性能較差，焊接效率低且焊后變形大，焊縫易產(chǎn)生裂紋，這些問(wèn)題限制了高強(qiáng)鋼的廣泛應(yīng)用。復(fù)合焊接能量分布集中、焊縫熔深大、熱輸入小、焊接效率高的特點(diǎn)為提升高強(qiáng)鋼的焊接性能提供了有利的幫助。

焊縫接頭的顯微硬度是其力學(xué)性能的研究基礎(chǔ)，可以間接反映焊縫的力學(xué)性能。通常對(duì)激光- 電弧復(fù)合焊接接頭硬度僅作橫向或縱向單一線分布研究，獲得的結(jié)果均為：熱影響區(qū)(HAZ)>焊縫>母材[9-13]。本文以高強(qiáng)鋼30CrNiMo為研究對(duì)象進(jìn)行激光- 電弧復(fù)合焊接，并對(duì)焊縫接頭進(jìn)行性能測(cè)試，著重就焊縫接頭的顯微硬度分布進(jìn)行了研究，采取逐行等間距測(cè)試方法，獲得并分析了不同焊絲焊縫接頭截面的硬度面分布結(jié)果。

1 實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為美國(guó)IPG光子公司產(chǎn)高功率YLS-6000光纖激光器與奧地利Fronius公司產(chǎn)TPS-5000焊機(jī)結(jié)合德國(guó)KUKA機(jī)器人公司產(chǎn)機(jī)器人聯(lián)合構(gòu)建的復(fù)合焊接工作平臺(tái)。激光器額定功率6 kW，波長(zhǎng)約1 070 nm，光束參數(shù)積(BPP)約4.2 mm·mrad，光纖傳輸芯徑和準(zhǔn)直鏡焦長(zhǎng)分別為200 μm和200 mm，經(jīng)焦距300 mm的聚焦鏡聚焦，獲得直徑0.2 mm的光斑。激光垂直于試板板面，焊絲與試板板面夾角60°，采用激光在前的方式進(jìn)行焊接。

實(shí)驗(yàn)材料為30CrNiMo高強(qiáng)鋼(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.28%C，0.35%Si，0.30%Mn，0.015%P，0.008%S，1.8%Cr，1.8%Ni，0.30%Mo，余量Fe)，其組織如圖1所示，為回火馬氏體組織，試件尺寸為200 mm×100 mm×6 mm，不開(kāi)坡口。分別采用直徑1.2 mm的ER50-6鐵素體焊絲(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%C，1.05%Si，1.50%Mn，0.015%P，0.020%S，余量Fe)和ER308不銹鋼焊絲(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%C，0.60%Si，2.50%Mn，0.020%P，0.015%S，20.5%Cr，10.0%Ni，余量Fe)進(jìn)行平板對(duì)接焊。

圖1 母材顯微組織(放大1 000倍)Fig.1 Microscopic structure of base metal(1 000×)

焊接工藝參數(shù)：激光功率3 150 W，焊接電壓24 V，焊接電流300 A，焊接速度1.0 m/min，裝配間隙1.0 mm，離焦量1.0 mm，光絲間距2.0 mm，保護(hù)氣95%Ar+5%CO2，流量28 L/min.

采用日本Olympus公司GX-51型光學(xué)金相顯微鏡觀察焊縫微觀結(jié)構(gòu)。采用德國(guó)Bruker公司產(chǎn)D8型X射線衍射(XRD)儀分析焊縫中心的相結(jié)構(gòu)。采用Cu靶的Kα射線，波長(zhǎng)λ=0.154 060 nm，衍射范圍20°～100°，步長(zhǎng)為0.02°.

顯微硬度測(cè)試以焊縫中心線為基準(zhǔn)，左右取等間距，步長(zhǎng)0.5 mm進(jìn)硬度行測(cè)試，并以0.25 mm的行間距逐行測(cè)試，獲得覆蓋整個(gè)接頭區(qū)域(不含上下余高)的硬度面分布結(jié)果。測(cè)試載荷100 g，加載時(shí)間15 s. 焊縫接頭元素分布由Genesis型能譜儀(EDS)完成。

拉伸實(shí)驗(yàn)由WAW-600計(jì)算機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)在室溫下進(jìn)行。斷口分析由荷蘭Philips公司產(chǎn) Quant200型掃描電子顯微鏡(SEM)完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 焊縫宏觀形貌

6 mm的30CrNiMo高強(qiáng)鋼板可以單道焊透，且表面成型良好，無(wú)咬邊，如圖2所示。焊后靜置48h后經(jīng)著色檢驗(yàn)及X射線探傷，焊縫外觀及內(nèi)部成型良好，均無(wú)裂紋、氣孔等缺陷。

圖2 焊縫宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of weld seam

圖3為焊縫截面形貌，圖3(a)為ER50-6焊絲焊縫，熔合比達(dá)59.35%，圖3(b)為ER308焊絲焊縫，熔合比50.70%. 兩種焊縫均可見(jiàn)明顯熔化區(qū)(FZ)、HAZ和母材區(qū)(BM)。熔合比較低的ER308焊絲焊縫呈明顯的酒杯形狀，母材熔化量少，導(dǎo)致大量焊材在表面堆積，也使得ER308焊絲焊縫具有更大的HAZ.

圖3 焊縫截面Fig.3 Cross section of weld seam

2.2 焊縫顯微組織

圖4為焊縫熔合線處顯微組織，圖4(a)為ER50-6焊絲焊縫熔合線位置，即圖3中A處金相，左側(cè)為焊縫區(qū)，由細(xì)小交錯(cuò)的針狀馬氏體組織構(gòu)成，因其形核于長(zhǎng)大的奧氏體晶粒內(nèi)部及晶界，生長(zhǎng)方向無(wú)序，相互制約，使得晶粒細(xì)小，右側(cè)為HAZ，可見(jiàn)板條狀馬氏體粗晶。圖4(b)為ER308焊絲焊縫熔合線，即圖3中B處金相，左側(cè)為焊縫區(qū)，可見(jiàn)大量柱狀晶結(jié)構(gòu)，晶粒非常粗大，且?guī)缀醮怪庇谌酆暇€向焊縫中心生長(zhǎng)，右側(cè)為HAZ粗晶。柱狀晶晶界為裂紋的擴(kuò)展提供了潛在的通道，焊縫組織粗大是造成性能降低的主要原因。

圖4 焊縫顯微組織Fig.4 Microscopic structure of weld seam

2.3 XRD分析

對(duì)兩種焊縫中心部位進(jìn)行XRD測(cè)試，得到圖5譜圖。從圖5中可以看出，采用ER50-6焊絲的焊縫其主要成分是體心四方的馬氏體組織，并無(wú)殘留奧氏體存在，其擇優(yōu)取向?yàn)?110)(200)(211)晶面，而采用ER308不銹鋼焊絲的焊縫主要成分是面心立方的奧氏體組織，其擇優(yōu)取向?yàn)?111)(200)(220)晶面。

圖5 不同焊絲焊縫的XRD譜線Fig.5 XRD of weld seams with different welding wires

2.4 顯微硬度分布

通過(guò)對(duì)逐行掃描得到焊縫接頭顯微硬度面分布，如圖6所示，其中圖6(a)為ER50-6焊絲焊縫，圖6(b)為ER308焊絲焊縫，二者差異較大。

圖6 焊縫接頭顯微硬度面分布Fig.6 Microhardness distribution of weld seams

在圖6(a)中，焊縫高硬度區(qū)域主要集中于HAZ，低硬度沿熔合線位置出現(xiàn)，并匯集于焊縫下部，焊縫上部中心也存在硬度較大區(qū)域，但與低硬度區(qū)域過(guò)渡不明顯，硬度差較小。在圖6(b)中，高硬度區(qū)域分布于HAZ以及焊縫上部，低硬度出現(xiàn)在焊縫中部及下部，并且焊縫上下部分硬度差值較大，在中部出現(xiàn)明顯的硬度斷崖，同時(shí)相較于ER50-6焊絲焊縫，ER308焊絲焊縫的最低硬度值進(jìn)一步下降。

焊縫作為母材和焊材的混合物，母材的性能對(duì)其有重要影響。母材30CrNiMo為強(qiáng)度1 000 MPa級(jí)的高強(qiáng)鋼，強(qiáng)度較高的母材會(huì)對(duì)焊縫金屬產(chǎn)生拘束作用，使焊縫強(qiáng)度得到提高。復(fù)合焊的焊縫呈酒杯型，即焊縫上部寬下部窄，焊縫上部有更多的母材熔入焊縫，也使焊縫上部拘束更強(qiáng)，這也是引起焊縫上部硬度大于中下部的原因。同時(shí)，高強(qiáng)鋼的淬硬性較大，這也使得HAZ及焊縫上部的硬度陡增。

對(duì)焊縫中心從上到下進(jìn)行元素分布線掃描，獲得能譜如圖7和圖8所示，縱坐標(biāo)僅表示元素間的相對(duì)含量，并非各元素的定量分析。

圖7 ER50-6焊縫中心元素線掃描能譜Fig.7 Element line scanning energy spectrum of ER50-6 weld center

圖8 ER308焊縫中心元素線掃描能譜Fig.8 Element line scanning energy spectrum of ER308 weld center

從圖7可知，ER50-6焊絲焊縫寬度窄，成分相對(duì)均勻，合金元素含量非常低。從圖8中可以看出，ER308焊絲焊縫上下部分出現(xiàn)明顯的成分變化，焊縫上部出現(xiàn)富Cr區(qū)域，同時(shí)此區(qū)域Fe元素含量相對(duì)較少。

在焊縫熔池中，合金元素相當(dāng)于溶質(zhì)元素。ER308焊絲中Cr、Ni等合金元素含量較高，相對(duì)于ER50-6焊絲，其成分過(guò)冷的影響更甚，導(dǎo)致ER308焊絲焊縫凝固過(guò)程中晶粒長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力增大，造成晶粒生長(zhǎng)粗大。同時(shí)高含量的Cr元素，將使焊縫韌性下降，引起接頭脆化。Cr元素還容易和Fe元素形成置換固熔體，因其原子半徑大于Fe原子，發(fā)生置換的晶格會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的畸變，成為金屬內(nèi)部的高應(yīng)力集中區(qū)，這也造成焊縫上部硬度的增加。

2.5 拉伸實(shí)驗(yàn)

通過(guò)拉伸實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步檢測(cè)焊縫力學(xué)性能，兩種焊絲焊縫均斷裂在焊縫處，均未發(fā)生頸縮現(xiàn)象，如圖9所示。ER50-6焊絲焊縫斷裂是沿著一側(cè)熔合線區(qū)域，ER308焊絲焊縫沿焊縫中心斷裂。結(jié)合硬度面分布可以看出，ER50-6焊絲焊縫在熔合線區(qū)域兩側(cè)硬度差較大，導(dǎo)致熔合線及其附近區(qū)域成為焊縫的薄弱環(huán)節(jié)，ER308焊絲焊縫中心上下部分硬度的巨大差異導(dǎo)致焊縫中心成為接頭的危險(xiǎn)區(qū)域。二者的抗拉強(qiáng)度、條件屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率見(jiàn)表1.

圖9 拉伸件斷口側(cè)面照片F(xiàn)ig.9 Side photos of tensile fracture

表1 拉伸件性能Tab.1 Properties of tensile sample

兩種焊絲焊縫雖然都斷裂于焊縫，但抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都不低，這和母材的高強(qiáng)性能有關(guān)，強(qiáng)度高的母材對(duì)焊縫產(chǎn)生拘束，焊縫內(nèi)部產(chǎn)生沿熔合線指向焊縫中心的拉應(yīng)力，同時(shí)部分高強(qiáng)母材熔入焊縫，使得焊縫強(qiáng)度得以提高，但高強(qiáng)鋼的淬硬性也是導(dǎo)致其焊接性能較差的原因之一，焊縫的應(yīng)變極低，伸長(zhǎng)率分別僅2.4%和1.4%，說(shuō)明焊縫接頭的韌性非常差。ER50-6焊絲焊縫的所有指標(biāo)均高于ER308焊絲焊縫的，結(jié)合圖4可知，細(xì)化的組織能有效提高焊縫的力學(xué)性能。

兩種焊縫的斷口形貌如圖10所示。ER50-6焊絲焊縫雖然伸長(zhǎng)率低，但斷口分布不少較小的韌窩(見(jiàn)圖10(a))，說(shuō)明斷裂前經(jīng)受的塑性變形較小，材料趨于脆性斷裂，韌窩周圍還存在部分準(zhǔn)解理面，可觀察到“河流狀”花樣，說(shuō)明焊縫中的部分區(qū)域加速了裂紋的擴(kuò)展，從而導(dǎo)致焊縫的伸長(zhǎng)率較低。圖10(b)中的ER308焊絲焊縫斷口沒(méi)有明顯韌窩存在，脆性斷裂的特征明顯，裂紋沿晶界迅速擴(kuò)展，粗大的柱狀晶粒產(chǎn)生的大面積晶界，為裂紋擴(kuò)展提供了天然的“通道”，裂紋一旦產(chǎn)生，擴(kuò)展極為迅速。

圖10 斷口SEMFig.10 SEM of tensile fracture

3 結(jié)論

1)激光- 電弧復(fù)合焊接可以單道焊接成型6 mm厚的30CrNiMo高強(qiáng)鋼板，且無(wú)需加工坡口，無(wú)需焊前預(yù)熱，無(wú)焊后變形，同時(shí)焊接速度1.0 m/min，大大提升了焊接效率。

2)在相同工藝參數(shù)下，ER50-6焊絲焊縫成分更均勻，組織更細(xì)小，焊縫呈細(xì)密交錯(cuò)的針狀馬氏體結(jié)構(gòu)，焊縫的強(qiáng)度高達(dá)1 197 MPa.

3)兩種焊絲焊縫成分分布的差異使得硬度面分布也出現(xiàn)較大差異，應(yīng)力集中的部位不同，ER50-6焊絲焊縫的薄弱位置在熔合線附近，而ER308焊絲焊縫的中心位置較為脆弱。

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Research on Mechanical Properties of High-strength Steel Laser-arc Hybrid Welded Joints

YANG Zhen， ZHANG Ping， CAI Zhi-hai， QIN Hang

(National Engineering Research Center for Mechanical Product Remanufacturing, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

6 kW fiber laser-MAG hybrid welding is used for 6 mm-thick 30CrNiMo high-strength steel plate. The microstructure and mechanical properties of the steel plate which were welded with ER50-6 and ER308 wires in the same welding process are studied. The result shows that the ER50-6 weld seam is an acicular martensite, and the ER308 weld seam is a coarse columnar austenite. The welded joints of diverse welding wires have significantly different hardness distributions. The low hardness distribution along the fusion line appears in the ER50-6 weld seam, and the low hardness of ER308 weld seam is concentrated in the lower part of the weld seam center. The corresponding tensile fracture positions are found in the fusion line and the weld seam center, respectively. The energy spectrum shows that the high content of Cr in ER308 weld seam is concentrated in the upper part of the weld seam center, which leads to the increase of hardenability and hardness, and sharp decline in toughness on this part, and finally leads to the weakness of the mechanical properties of the weld seam. The hybrid welding method and ER50-6 wire can be used to weld 6 mm-thick 30CrNiMo steel plate without distortion, and the weld strength is up to 1 197 MPa.

manufaturing technology and equipment; fiber laser; high-strength steel; laser-arc hybrid welding; welded joint; hardness distribution

2016-05-19

楊臻(1986—), 男, 博士研究生。E-mail: 6521456@qq.com

張平(1958—)，男，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail:vichile@foxmail.com

TG457.11

A

1000-1093(2017)03-0549-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.03.018