S355J2W+N激光-電弧復合焊接頭微觀組織及疲勞性能研究

（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062）

0 前言

S355J2W+N是軌道客車車輛轉向架構架常用的一種耐候鋼板材料，目前多采用自動和半自動熔化極活性氣體保護焊進行焊接，焊接工藝成熟，但焊接填充量大、焊接效率低[1]。本研究采用一種新型的熱源復合技術——激光-電弧復合焊對S355J2W+N進行焊接，激光-電弧復合焊是將激光和電弧兩種能量表現形式不同的熱源結合起來，既能體現激光焊接的優勢，又具有傳統電弧焊的特點，形成了一種發揮各自長處同時又彌補自身不足的新熱源[2-3]。這種焊接方法具有能量利用率高、熱輸入量小、焊縫熔深大、焊接速度快及間隙適應能力良好等優點。同時，激光熱源可引導熔融狀態下的焊縫填充金屬向焊縫深處過渡，對改善焊縫成形和焊縫質量、降低焊縫應力集中系數有積極作用。與單獨采用激光作為熱源進行焊接相比，焊縫熔深可增加20%，且降低對工裝精度的要求。電弧的加入使金屬表面對激光的反射率降低，有效地提高了激光的利用率[4-5]。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

采用S355J2W+N鋼板作為母材，其化學成分如表1所示。采用B?HLER NiCu 1-IG焊絲（φ1.2 mm）作為填充材料，其化學成分如表2所示。

表1 S355J2W+N母材的化學成分Table 1 Chemical compositions of S355J2W+N %

表2 B?HLER NiCu 1-IG焊絲的化學成分Table 2 Chemical compositions of B?HLER NiCu 1-IG welding wires %

1.2 試驗方法

激光-電弧復合焊裝置由YLS-6000型光纖激光器、OTC-DP 500型直流弧焊機及機械手等組成。16mm厚S355J2+N對接，坡口尺寸如圖1所示，鈍邊6 mm，鈍邊間隙0.3 mm，基本焊接參數如表3所示。激光-電弧復合多層焊焊接參數如表4所示。

圖1 對接接頭的坡口尺寸Fig.1 Groove size of butt joints

1.3 性能試驗

試件焊接完成后進行無損檢測（外觀檢測，表面磁粉檢測、射線檢測），合格后截取試樣進行金相顯微組織分析及疲勞試驗試樣制備。

表3 基本焊接參數Table 3 Basic welding parameters

表4 激光-電弧復合多層焊焊接參數Table 4 Laser-arc hybrid multi-layer welding parameters

2 試驗結果及分析

2.1 金相組織

激光-MAG復合焊接接頭呈現上寬下窄的“漏斗型”特點，如圖2所示。焊接接頭下部區域填充量小，形成了以激光為主導熱源的激光區，而上部焊接接頭區域為采用小功率、大電流、以電弧為主導熱源的電弧區。

圖2 激光-電弧復合焊接頭的低倍照片Fig.2 Low magnification photo of the laser-arc hybrid welding joint

2.1.1 焊縫區微觀組織

焊縫區微觀組織具有明顯的聯生結晶特點，這一特點在激光區更加明顯。在焊接過程中，隨著熱源的前移，在后部熔池的冷卻過程中焊縫金屬呈柱狀晶形式由半熔化的母材晶粒向熔池生長，晶粒生長方向在最大溫度梯度方向所受驅動力最大，在接頭底部區域，熔池窄、冷卻速度快，兩側柱狀晶同時向焊縫中心生長，形成了以焊縫中心為中心線的等軸晶。在這種情況下，熔池中的溶質或雜質均集中在焊縫中心位置，成為焊縫中最為薄弱的區域，形成區域偏析，見圖3a。而在上層電弧區這一現象并不明顯，由于相對冷卻時間慢，焊縫中塊狀先共析鐵素體沿奧氏體晶界析出，大量的針狀、條狀鐵素體由奧氏體晶界向晶內生長，還可見少量珠光體組織，見圖3b。電弧區與激光區的過渡區域，前層晶粒受后層的影響生長方向發生了改變，焊縫組織中出現貝氏體、魏氏體以及大量的塊狀先共析鐵素體，見圖3c。

2.1.2 熱影響區微觀組織

熱影響區由粗晶區、重結晶區、不完全重結晶區構成。粗晶區為緊鄰焊縫區的區域，在高熱作用下晶粒嚴重長大，距熔合線愈近晶粒長大愈明顯，主要為過熱魏氏組織，也含有少量的珠光體和貝氏體，見圖4a，過熱區由于加熱溫度高，一些難溶質點（例如碳化物和氧化物等）溶入奧氏體，增加奧氏體的含碳量使動力學轉變曲線右移，在快冷條件下形成少量的貝氏體；重結晶區的組織主要為均勻、細小的鐵素體和少量的珠光體，見圖4b，由于重結晶區的晶粒明顯細化，因此該區具有更高的綜合力學性能；不完全重結晶區的特點是只有部分金屬經歷了重結晶相變，剩余部分為未經重結晶的原始鐵素體晶粒，因此它是一個粗晶粒和細晶粒的混合區，由未經重結晶的較粗大鐵素體、經過重結晶的細小鐵素體和少量的珠光體組成，見圖4c。

圖3 焊縫區微觀組織Fig.3 Microstructures of weld

圖4 熱影響區微觀組織Fig.4 Microstructures of HAZ

2.2 焊接接頭的疲勞性能

焊接接頭疲勞性能試驗依據GB/T 13816-92標準進行。焊接接頭疲勞試樣尺寸如圖5所示。疲勞試驗在高頻疲勞試驗機上進行，采用軸向拉-拉加載方式，循環應力比R=0.1，加載頻率f=130 Hz，循環應力最高加載次數為1×107周次。約定在1×107周次循環時仍未起裂的應力級別為條件疲勞極限。

焊接接頭疲勞斷裂均發生在焊縫下部激光作用區中心位置，這意味著焊縫激光作用區是焊接接頭疲勞性能的薄弱區域。應力級別為310 MPa時，焊接接頭循環應力1×107周次未發生斷裂；隨著應力范圍的提高，在應力級別330 MPa時，裂紋出現在焊縫處；在應力級別為340MPa、360MPa、370MPa時，裂紋出現在試樣過渡圓弧處及母材，如表5所示。圖6為焊接接頭疲勞試驗結果。圖7為疲勞裂紋示意。圖8為焊接接頭疲勞試驗S-N（應力-壽命）曲線。

圖5 接頭疲勞試樣尺寸Fig.5 Joint fatigue specimen size

表5 對接接頭疲勞試驗數據Table 5 Fatigue test data of B-joint

圖6 疲勞試樣試驗后形貌Fig.6 Morphology of the fatigue specimens

圖7 疲勞裂紋示意Fig.7 Schematic diagram of fatigue crack

圖8 接頭疲勞S-N曲線Fig.8 Fatigue S-N curve of welded joint

掃描電鏡沖擊斷口分析結果表明，激光-電弧復合焊接頭的疲勞斷裂是損傷積累的結果，是與時間有關的斷裂形式，其斷裂過程大致分為三個階段：裂紋形成→裂紋緩慢擴展到臨界尺寸→在剩余截面上裂紋作較快速不穩定擴展直至最終斷裂。焊縫的疲勞斷口較平坦、光滑，在斷口中可清楚地看到對應于斷裂疲勞過程三階段的區域，即疲勞核心區（或稱疲勞源）、疲勞裂紋擴展區和瞬時破斷區（或稱終斷區）。

（1）疲勞核心區是斷裂的起始點。焊縫高周疲勞斷裂的起始點位于焊縫下部柱狀晶對生生長中心位置（見圖7），這是因為焊縫所承受應力正好作用在焊縫的結晶面上，而這個面晶粒聯系較差，晶粒生長將雜質推到這里，成分不均勻，成為焊接接頭薄弱環節。從位于柱狀晶對生面的局部應力集中處（見圖9a、9b）可以看出，如果在柱狀晶對生面上出現氣孔，裂紋更易在氣孔處形成（見圖9c、9d）。

（2）疲勞裂紋擴展區是疲勞斷口上最重要的特征區域。擴展階段占了疲勞總壽命的絕大部分，裂紋在該區擴展較為緩慢。焊縫斷口表面由于受到反復擠壓、摩擦，具有平滑、光亮的宏觀特征。在掃描電鏡（SEM）下可看到貝紋狀（或稱海灘狀、年輪狀）特征花樣。貝紋線從疲勞源開始，呈同心弧線向四周推進，大體上垂直于裂紋的擴展方向，其外觀像被波濤沖刷過的海灘，如圖9g所示。這些條紋表示裂紋前沿在間歇擴張過程中的逐次位置。它的出現往往是高周疲勞情況下由于間歇性的停車及開車，或載荷大小發生變化時，裂紋擴展過程不連續變化所留下的宏觀印記。

（3）瞬時斷裂區（終斷區）是疲勞裂紋擴展到臨界尺寸后發生剩余截面的快速失穩斷裂形成的。在焊縫的終斷區可看到剪切唇的存在，圖9h上半部分為擴展區，下半部分為終斷區，剪切唇為韌窩形貌。

圖9 焊接接頭疲勞斷口形貌Fig.9 Welded joints fatigue fracture morphology

3 結論

（1）焊縫區由柱狀、針狀和塊狀鐵素體構成，也含有少量的貝氏體和珠光體，層與層交界處發生多次熱循環，發生回復和再結晶，微觀組織為針狀、塊狀鐵素體和少量魏氏組織。底層焊縫相比頂層焊縫晶粒細化，為細小的針狀鐵素體、少量的貝氏體和珠光體。焊接熱影響區為魏氏組織+少量貝氏體和珠光體，魏氏組織的出現使得熱影響區成為接頭的薄弱環節。

（2）焊縫底部較窄，冷卻速度快，柱狀晶繼續長大和推移，將溶質或雜質推向焊縫中心，最終在中心線附近形成等軸晶，溶質或雜質聚集在焊縫中心，在凝固后出現區域偏析，增加了焊縫的縱向裂紋傾向。

（3）通過對焊接接頭在不同應力等級下的高周疲勞性能試驗，焊縫所承受應力正好作用在焊縫的結晶面上，而這個面晶粒聯系較差，裂紋源出現于焊縫激光作用區柱狀晶對生生長的中心位置。