激光-MAG和MAG焊接Weldox960鋼接頭的組織與性能對比

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(徐工集團江蘇徐州工程機械研究院，高端工程機械智能制造國家重點實驗室，徐州 221004)

0 引 言

隨著我國經濟的快速發展，機械制造業對結構零部件性能的要求越來越高。Weldox960鋼作為瑞典鋼鐵公司(SSAB)開發的新一代高強結構鋼，因具有晶粒細小、強度和疲勞極限高等優點而在機械制造業中得到了廣泛應用[1-2]。目前，Weldox960鋼的焊接多采用活性氣體保護電弧焊(MAG焊)[3-4]。然而，隨著高強鋼強度級別的提高，其焊接接頭的性能逐漸下降，并且可選擇的焊接工藝越來越少。激光-MAG焊(Laser-MAG)將激光焊和MAG焊兩種焊接技術有機結合起來，具有高焊速、低熱輸入、低變形等優點[5]，適用于焊接高強度級別鋼。近幾年的研究表明，激光和MIG/MAG復合焊接技術在中厚板焊接中具有明顯的優勢[6]。為了給Laser-MAG焊接工藝的應用推廣提供依據，作者對Weldox960鋼分別進行了Laser-MAG和常規MAG對接焊，對比研究了兩種工藝焊接接頭的顯微組織與性能。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗材料為瑞典鋼鐵公司生產的Weldox960鋼板，厚度為9 mm，供貨態為調質態；其顯微組織見圖1，為回火索氏體；其屈服強度為960～1 050 MPa，抗拉強度為980～1 150 MPa，伸長率A50 mm為15%。利用火花直讀光譜儀測定試驗鋼的化學成分，結果見表1。根據低強度匹配度原則[7]，采用瑞士奧林康生產的直徑為1.2 mm的Carbopil FK-1000實心焊絲，分別應用Laser-MAG和MAG焊接工藝對Weldox960鋼板試樣進行對接焊，試樣尺寸為500 mm×280 mm×9 mm，保護氣體Ar和CO2的體積比為8∶2，焊接參數見表2。

圖1 調質態Weldox960鋼的顯微組織Fig.1 Microstructure of quenched and tempered Weldox960 steel

表1 Weldox960鋼的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical composition of Weldox960 steel (mass) %

表2 試驗鋼的兩種焊接工藝參數Tab.2 Parameters for two welding processes of tested steel

1.2 試驗方法

圖2 拉伸和疲勞試樣尺寸Fig.2 Size of tensile and fatigue specimens

在焊接接頭上橫向線切割出金相試樣，經研磨、拋光，體積分數4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，在Olympus PME3型光學顯微鏡(OM)下觀察顯微組織。根據GB/T 2654-2008，用HXD-1000型顯微維氏硬度計測硬度，載荷為98 N，保載時間為10 s。根據GB 2649-1989，以焊縫為中心在焊接接頭上截取尺寸為55 mm×10 mm×7.5 mm的V型缺口沖擊試樣，缺口深度2 mm，在JB-30B型沖擊試驗機上進行沖擊試驗，試驗溫度20 ℃。在INSTRON8802型疲勞試驗機上分別進行拉伸和疲勞試驗，拉伸和疲勞試樣尺寸相同，如圖2所示，厚度為9 mm。拉伸應變速率為0.002 5 s-1[8]；疲勞試驗采用軸向拉-拉方式，正弦波加載，應力比R為0.1，頻率為10 Hz。使用CS 3400型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察沖擊斷口形貌。

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織

由圖3和圖4可以看出：Laser-MAG和MAG這兩種工藝焊接后接頭焊縫的顯微組織相同，均為細小的粒狀貝氏體；熱影響區(HAZ)粗晶區存在原始奧氏體晶界，MAG焊接接頭HAZ粗晶區的平均晶粒尺寸為95 μm，Laser-MAG焊接接頭的較小，為48 μm，這是因為Laser-MAG焊接的冷卻時間t8/5比MAG焊接的短，即MAG焊接接頭在高溫區停留的時間較長，而該區域的溫度一般在加熱時先共析鐵素體全部轉變為奧氏體的終了溫度Ac3以上200～300 ℃，導致晶粒長大[9-10]；HAZ細晶區均為由細小板條馬氏體和粒狀貝氏體組成的混合組織；在HAZ部分相變區只有部分組織奧氏體化，奧氏體化組織在隨后的冷卻中形成粒狀貝氏體，未完全轉變的奧氏體形成了M-A組元，由于碳原子的擴散，M-A組元溶解形成較粗的鐵素體，因此HAZ部分相變區的顯微組織為鐵素體+粒狀貝氏體[11-12]。

圖3 Laser-MAG焊接接頭不同區域的顯微組織Fig.3 Microstructures in different regions of Laser-MAG welded joint: (a) weld metal; (b) coarse-grained HAZ; (c) fine-grained HAZ and (d) incomplete recrystallized HAZ

圖4 MAG焊接接頭不同區域的顯微組織Fig.4 Microstructures in different regions of MAG welded joint: (a) weld metal; (b) coarse-grained HAZ; (c) fine-grained HAZ and (d) incomplete recrystallized HAZ

圖5 兩種工藝焊接接頭橫截面硬度測試位置及硬度分布Fig.5 Hardness testing positions (a) and hardness distributions (b) at cross-sections of welded joints by two processes

2.2 橫截面硬度

由圖5可以看出：Laser-MAG焊接接頭的HAZ寬度約3 mm，明顯小于MAG焊接接頭的5 mm，這是因為HAZ寬度隨著熱輸入的增加而增大；Laser-MAG焊接接頭和MAG焊接接頭HAZ的最高硬度值出現在粗晶區，最低硬度值均出現在部分相變區，Laser-MAG焊接接頭HAZ中大部分區域的硬度高于母材的，其軟化帶很窄，而MAG焊接接頭HAZ區的硬度均低于母材的硬度，存在很寬的軟化帶。

2.3 拉伸和沖擊性能

由表3可以看出，Laser-MAG焊接接頭的拉伸和沖擊性能均優于MAG焊接接頭的，且Laser-MAG焊接接頭的拉伸性能達到了母材Weldox960鋼的標準指標要求。當焊接接頭HAZ存在軟化帶，即硬度降低區時，在拉伸過程中，母材由于強度高而處于彈性階段，HAZ軟化帶則進入塑性變形階段。但是，由于母材對軟化帶的變形有一定的拘束作用，使得軟化帶處于三向應力狀態，即產生接觸強化效應。在接頭焊縫橫截面積一定的情況下，軟化帶越窄，所受的徑向應力就越大，其塑性變形就越困難，強度提升就越高[13]。結合圖5(b)分析可知，Laser-MAG焊接接頭HAZ的軟化帶較窄，因此其拉伸性能較好。

表3 兩種工藝焊接接頭的拉伸和沖擊性能Tab.3 Tensile and impact properties of welded joints by two processes

兩種工藝焊接接頭的沖擊斷口均位于HAZ粗晶區與細晶區位置。由圖6可以看出：Laser-MAG焊接接頭沖擊斷口的擴展區存在較多的撕裂棱和韌窩，表明HAZ具有優良的沖擊韌性，斷裂方式為韌性斷裂[14]；而MAG焊接接頭沖擊斷口擴展區的撕裂棱和韌窩較少，且大部分呈河流狀的準解理斷裂形貌，其HAZ韌性較差[15]，這是因為MAG焊接接頭HAZ粗晶區的晶粒粗大且存在非平衡組織[16]。

圖6 兩種工藝焊接接頭沖擊斷口的SEM形貌Fig.6 SEM micrographs showing impact fracture of welded joints by two processes

2.4 疲勞性能

圖7中S為平均應力，N為疲勞壽命。由圖7可知：隨著平均應力的降低，兩種工藝焊接接頭的疲勞壽命均延長；以循環106周次對應的應力作為疲勞極限，可知Laser-MAG和MAG焊接接頭的條件疲勞極限分別為320，270 MPa。

圖7 兩種工藝焊接接頭的S-N曲線Fig.7 S-N curves of welded joints by two processes

3 結 論

(1) Laser-MAG焊接Weldox960鋼接頭HAZ粗晶區的平均晶粒尺寸為48 μm，而MAG焊接接頭的為95 μm；兩種工藝焊接接頭焊縫區組織均為細小粒狀貝氏體，細晶區組織均為細小板條馬氏體和粒狀貝氏體，部分相變區組織均為鐵素體+粒狀貝氏體。

(2) Laser-MAG焊接接頭的HAZ寬度明顯小于MAG焊接接頭的，其HAZ軟化帶也較窄，最高硬度出現在HAZ粗晶區且高于母材的硬度。

(3) Laser-MAG焊接接頭的拉伸性能和沖擊性能均優于MAG焊接接頭的，其條件疲勞極限為320 MPa，而MAG焊接接頭的僅為270 MPa。

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