焊接工藝對(duì)高強(qiáng)度貝氏體鋼激光-電弧復(fù)合焊接頭組織和性能的影響

毛鎮(zhèn)東　韓曉輝　謝韶　李仁東　陳輝

摘要：針對(duì)高強(qiáng)度貝氏體鋼，對(duì)比研究了單層單道和兩層兩道激光-電弧復(fù)合焊對(duì)焊接接頭組織和硬度、拉伸、沖擊等力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：兩種工藝下所得到的接頭焊縫區(qū)組織存在明顯差異，而熱影響區(qū)組織未見(jiàn)明顯不同;兩種工藝下的接頭全厚度試樣和分層試樣的抗拉強(qiáng)度接近，而單道焊接頭全厚度試樣塑性較差;兩種工藝下焊縫區(qū)和焊接熱影響區(qū)的沖擊吸收功均低于母材，且單道焊焊縫的不同區(qū)域的韌性存在較為明顯的差異。

關(guān)鍵詞：激光-電弧復(fù)合焊;貝氏體鋼;組織;力學(xué)性能

中圖分類(lèi)號(hào)：TG456.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）02-0079-08

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.02.16

0 前言

高強(qiáng)度低碳貝氏體鋼被21稱(chēng)為世紀(jì)鋼種，通常采用控冷控軋工藝生產(chǎn)，其晶粒細(xì)小、組織均勻、強(qiáng)度和韌性均較高，同時(shí)由于嚴(yán)格控制碳含量，焊接性能優(yōu)良[1-2]。激光-電弧復(fù)合焊通過(guò)協(xié)同激光與電弧兩個(gè)能量源的熱作用，兼具兩種焊接方法的優(yōu)勢(shì)，已被部分應(yīng)用于航空航天、造船、壓力管道等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣闊[3-7]。相較于單電弧焊接，激光的加入可大幅增加焊縫熔深，極大提高焊接效率，在中厚板焊接方面具有明顯優(yōu)勢(shì)[8-11]。對(duì)于一些大型結(jié)構(gòu)件，采用高強(qiáng)貝氏體鋼可有效減輕構(gòu)件質(zhì)量，達(dá)到輕量化和節(jié)能減排的目的，但要求對(duì)高強(qiáng)貝氏體鋼的焊接工藝，尤其是較大厚度板材的激光-電弧復(fù)合焊接工藝進(jìn)行更多的探索。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用母材是采用TMCP控冷控軋工藝生產(chǎn)的某新型高強(qiáng)度低碳貝氏體鋼，主要合金成分如表1所示，基本力學(xué)性能如表2所示，其中，鎳、硼元素能夠提高貝氏體鋼的韌性，鉬元素可以使鐵素體析出線(xiàn)右移，有利于材料在冷卻過(guò)程中發(fā)生中溫貝氏體轉(zhuǎn)變。為達(dá)到等強(qiáng)度匹配，試驗(yàn)采用直徑1.2 mm

CHW-80C1型焊絲，其成分和基本力學(xué)性能分別如表1、表2所示，焊絲的主要合金元素含量以及基本力學(xué)性能均與母材相當(dāng)。

貝氏體鋼母材的金相組織如圖1所示，該貝氏體鋼組織以板條貝氏體（LB）和粒狀貝氏體（GB）為主，由于碳含量較低，貝氏體板條連續(xù)性較差，多為斷續(xù)的板條結(jié)構(gòu)。

采用激光引導(dǎo)電弧的焊接模式對(duì)Y型坡口試板進(jìn)行激光-電弧復(fù)合對(duì)接，如圖2所示，其中坡口試板厚10 mm，鈍邊4 mm，坡口角度10°，激光束傾角10°，焊槍與激光束夾角60°，保護(hù)氣體為φ（Ar）80%+φ（CO2）20%的混合氣體。

焊接完成待試樣冷卻后，取接頭截面制取金相試樣，依次進(jìn)行粗磨、精磨、拋光，并用4%硝酸酒精溶液進(jìn)行蝕刻，然后分別采用Zeiss Stemi 2000型體式顯微鏡和SEM QUANTA FEG250型電子顯微鏡觀(guān)察分析接頭截面形貌及微觀(guān)組織。

利用HVS-30型維氏硬度計(jì)，參考國(guó)標(biāo)GB/T 2654-2008《焊接接頭硬度試驗(yàn)方法》檢測(cè)焊接接頭硬度，加載力3 000 g，保荷時(shí)間10 s。

復(fù)合焊接接頭拉伸性能試驗(yàn)用試樣取樣、加工等參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2651-2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行，取樣位置與尺寸如圖3所示。為了避開(kāi)起弧和收弧處的焊接缺陷，在拉伸試樣平行段距離試板邊緣30 mm處開(kāi)始取樣。

拉伸試驗(yàn)在DNS-300型電子萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸速率5 mm/min，拉伸試樣均不帶余高。同時(shí)，為研究復(fù)合焊接接頭電弧作用區(qū)和激光作用區(qū)拉伸性能的差異，分別在接頭上表面和下表面取4 mm厚度拉伸試樣進(jìn)行分層拉伸試驗(yàn)，如圖3所示。

參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2650-2008《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》，室溫下在JBN-300型擺錘沖擊試驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行焊接接頭沖擊試驗(yàn)，采用V型缺口試樣。分別對(duì)焊縫、熱影響區(qū)、母材三個(gè)不同區(qū)域取樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，其中熱影響區(qū)試樣缺口距熔合線(xiàn)1 mm，每組試驗(yàn)進(jìn)行3次，結(jié)果取其平均值。

分別采用經(jīng)過(guò)工藝優(yōu)化的單道和兩層兩道激光-MAG復(fù)合焊進(jìn)行焊接，焊接工藝參數(shù)如表3所示。通過(guò)對(duì)比各微區(qū)組織演變與焊接接頭硬度、拉伸以及沖擊性能，分析兩組焊接工藝對(duì)高強(qiáng)度貝氏體鋼激光-電弧復(fù)合焊接接頭組織與力學(xué)性能的影響規(guī)律。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 接頭形貌及硬度分布

（1）接頭形貌。

單道焊和兩層兩道焊兩組焊接工藝下接頭截面形貌如圖4所示，接頭均呈現(xiàn)出上寬下窄的典型高腳杯形貌，且接頭上焊縫區(qū)域（WZ）、熱影響區(qū)（HAZ）、母材（BM）三部分界線(xiàn)明顯，兩道焊焊縫區(qū)截面面積大于單道焊的。

焊縫上部分更多受到電弧作用，熔寬較大，基于熱源特點(diǎn)和焊接接頭截面形貌特征，將其定義為電弧作用區(qū)（Arc Affected Zone，AAZ），焊縫下部分更多受到激光作用，熔寬較小，定義為激光作用區(qū)（Laser Affected Zone，LAZ）。

（2）硬度分布。

分別測(cè)試了單道焊和兩層兩道焊焊接工藝下的焊接接頭L1、L2、L3三條路徑（見(jiàn)圖4a）上的硬度。L1距離試樣上表面2 mm，L2距離試樣下表面2 mm，L3為焊縫中心線(xiàn)，其中L1和L2測(cè)試步長(zhǎng)為0.2 mm，L3測(cè)試步長(zhǎng)為0.4 mm，硬度分布結(jié)果如圖5所示。

由圖5a可知，在L1路徑上，即對(duì)于焊接接頭電弧作用區(qū)，兩道焊和單道焊接頭的硬度分布規(guī)律一致，硬度值也較為接近，但兩道焊接接頭焊縫寬度明顯大于單道焊接接頭，而單道焊接接頭熱影響區(qū)更寬。單道焊和兩道焊的焊縫區(qū)平均硬度值分別約為320 HV和310 HV;在熱影響區(qū)域，單道焊和兩道焊硬度最大值分別約為360 HV和350 HV。

由圖5b可知，在L2路徑上，單道焊接接頭的焊縫區(qū)寬度約為1 mm，其焊縫區(qū)和熱影響區(qū)寬度均小于兩層兩道焊。兩道焊接接頭焊縫的硬度值明顯低于單道焊（接近320 HV），僅在280 HV左右波動(dòng)?？梢?jiàn)兩層兩道焊接在施焊第二道焊縫時(shí)，焊接熱輸入對(duì)第一道焊縫產(chǎn)生了較為明顯的影響。

由圖5c可知，在L3路徑上，兩條硬度分布曲線(xiàn)隨著距試樣上表面距離的增加呈現(xiàn)出明顯差異。在距上表面4 mm以?xún)?nèi)時(shí)，單道焊的硬度波動(dòng)較小，約為310 HV，當(dāng)距離上表面大于4 mm時(shí)，硬度值雖然也在310 HV左右波動(dòng)，但波動(dòng)幅度更大，最大硬度值達(dá)到338 HV。而對(duì)于兩層兩道焊接焊縫，當(dāng)距上表面距離在4 mm以?xún)?nèi)時(shí)，其硬度值在320～340 HV之間波動(dòng)，當(dāng)距離大于4 mm時(shí)，硬度值明顯下降，僅在280 HV左右波動(dòng)。這是因?yàn)閱蔚篮钢写执蟮陌鍡l組織硬度高，而兩道焊焊縫激光作用區(qū)中的組織相對(duì)細(xì)密，并伴有鐵素體產(chǎn)生，故而其硬度值相對(duì)較低。

2.2 微觀(guān)組織

通過(guò)對(duì)接頭微觀(guān)組織進(jìn)一步觀(guān)察可知，與大多數(shù)碳鋼一樣，貝氏體鋼焊接接頭熱影響區(qū)也存在著粗晶、細(xì)晶以及部分重結(jié)晶3個(gè)形貌差別較大的區(qū)域，這反映了焊接接頭不同區(qū)域在焊接過(guò)程中所經(jīng)歷的熱循環(huán)差異，在此對(duì)焊縫區(qū)組織和熱影響區(qū)組織進(jìn)行觀(guān)察分析，對(duì)比不同工藝下的組織特點(diǎn)。

（1）焊縫區(qū)組織。

在接頭焊縫區(qū)，熔融的焊絲和部分母材沿著熔合線(xiàn)向內(nèi)結(jié)晶，不同工藝下的焊縫在冷卻結(jié)晶過(guò)程因經(jīng)歷了不同的熱循環(huán)，呈現(xiàn)出不同的微觀(guān)形貌，如圖6所示?？梢钥闯?，單道焊接工藝電弧作用區(qū)和激光作用區(qū)的焊縫里均出現(xiàn)了粗大板條，為馬氏體（M）+貝氏體（B）的混合組織。兩道焊接接頭焊縫組織細(xì)小，以針狀鐵素體為主，并有部分貝氏體組織。單道焊接激光作用區(qū)組織小于電弧作用區(qū)，而兩道焊激光作用區(qū)組織大于電弧作用區(qū)。

為避免背部焊瘤缺陷，單道焊接采用18 mm/s的高速焊接方法，焊縫冷卻速度快，焊縫組織在中溫區(qū)域開(kāi)始轉(zhuǎn)變，并迅速冷卻至低溫轉(zhuǎn)變區(qū)，形成了貝氏體+馬氏體的混合組織。兩層兩道焊的焊速為12 mm/s，焊縫組織的冷卻速度相對(duì)較慢，在高溫下轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧铊F素體，且部分在中溫轉(zhuǎn)變過(guò)程中形成粒狀貝氏體。單道焊過(guò)程中，激光作用區(qū)能量密度大，冷卻速度大于電弧影響區(qū)，晶粒沒(méi)有足夠時(shí)間長(zhǎng)大，故單道焊激光作用區(qū)組織晶粒比電弧作用區(qū)細(xì)。兩道焊由于第二道焊縫的熱作用，激光作用區(qū)組織有足夠時(shí)間生長(zhǎng)，形成比電弧作用區(qū)大的組織。

（2）粗晶區(qū)組織。

在焊接過(guò)程中，粗晶區(qū)溫度被加熱到Ac3以上100～200 ℃至固相線(xiàn)溫度區(qū)間內(nèi)。粗晶區(qū)晶粒在加熱過(guò)程中完全奧氏體化并急劇長(zhǎng)大，該區(qū)域初始冷卻速度快，組織轉(zhuǎn)變以中溫轉(zhuǎn)變?yōu)橹鳎鋮s后形成粗大的過(guò)熱組織。不同焊接工藝下粗晶區(qū)的微觀(guān)組織如圖7所示，未見(jiàn)明顯差異，均以板條貝氏體為主，并伴有大量粒狀貝氏體組織，板條貝氏體中的碳化物片層較厚。

（3）細(xì)晶區(qū)組織。

在焊接過(guò)程中，細(xì)晶區(qū)通常被加熱到Ac3至Ac3以上100～200 ℃的溫度區(qū)間，該區(qū)域晶粒在加熱過(guò)程中同樣完全奧氏體化，隨后的空冷過(guò)程使得組織均勻而細(xì)小，相當(dāng)于對(duì)其母材進(jìn)行了一次正火處理。不同工藝下的細(xì)晶區(qū)微觀(guān)組織如圖8所示，未見(jiàn)明顯差異，均以貝氏體為主，并伴有部分塊狀鐵素體。

綜上，不同工藝下所得接頭焊縫區(qū)組織存在明顯差異，而熱影響區(qū)組織則無(wú)明顯不同。分析認(rèn)為：在焊接過(guò)程中，焊縫區(qū)域材料的熱循環(huán)受到焊接速度的強(qiáng)烈影響，焊接速度越快，焊縫冷卻速度越快，而本試驗(yàn)中兩種不同焊接工藝的焊接速度相差較大，故而焊縫組織存在明顯差異。而接頭熱影響區(qū)的降溫過(guò)程主要以熱傳導(dǎo)形式將熱量傳遞給臨近母材，降溫速度更多地取決于材料自身的熱導(dǎo)率等熱物理性能，因而兩組工藝下的熱影響區(qū)組織無(wú)明顯的不同。

2.3 拉伸性能

不同焊接工藝下的接頭拉伸曲線(xiàn)和拉伸性能數(shù)據(jù)如圖9、表4所示，其中圖9a為全厚度試樣結(jié)果，圖9b為分區(qū)試樣結(jié)果，每組試驗(yàn)條件下均取兩個(gè)試樣，表4中的性能數(shù)據(jù)為兩個(gè)試樣的平均值。

可以看出，單道焊和兩道焊電弧作用區(qū)和激光作用區(qū)分區(qū)試樣的抗拉強(qiáng)度和延伸率均比較接近，其抗拉強(qiáng)度與母材相差不大，但延伸率均明顯低于母材，如圖9b和表4所示，且所有分區(qū)試樣最終均斷裂于母材，斷裂位置出現(xiàn)明顯的頸縮現(xiàn)象。對(duì)于全厚度試樣，單道焊接頭的塑性較差，延伸率僅為3.6%，雖然兩道焊接頭的延伸率（18.8%）與母材接近，但其在拉伸過(guò)程中均勻變形階段較短，應(yīng)力在拉伸過(guò)程中有明顯的下降趨勢(shì)，表明試樣各部分性能不均勻。

焊接接頭全厚度拉伸試樣的斷裂位置及斷口形貌如圖10所示。兩層兩道焊接接頭試樣斷裂于母材位置，焊縫處產(chǎn)生了一定程度的塑性變形，其在拉伸過(guò)程中出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，為典型的中厚板高強(qiáng)鋼拉伸斷口特征。單道焊接接頭試樣均斷裂在焊縫處，斷口未見(jiàn)明顯頸縮，且焊縫深處斷口平滑光亮，出現(xiàn)少量肉眼可見(jiàn)的氣孔。

綜上認(rèn)為，對(duì)于中厚板的激光-電弧復(fù)合焊接，采用單道焊時(shí)熔池深處的氣孔逸出困難，其激光作用區(qū)很難避免出現(xiàn)氣孔缺陷，導(dǎo)致激光作用區(qū)和電弧作用區(qū)性能出現(xiàn)較大差異，在拉伸過(guò)程中，焊縫激光作用區(qū)產(chǎn)生應(yīng)力集中，試樣在該處開(kāi)裂并釋放應(yīng)力，在隨后的變形過(guò)程中，由于開(kāi)裂處承受拉應(yīng)力的面積減小，接頭最終在此處斷裂。而兩道焊接頭由于由于改善了氣孔情況，同時(shí)減小了焊縫不同區(qū)域性能的差異，拉伸時(shí)應(yīng)力集中降低，致使最終試樣斷裂于母材。

2.4 沖擊性能

母材及不同焊接工藝下不同接頭位置試樣的常溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。由表5可知，該高強(qiáng)度貝氏體鋼的沖擊性能良好，平均沖擊吸收功達(dá)到217 J，遠(yuǎn)高于GB/T 1591-2008《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》中規(guī)定的不低于55 J的標(biāo)準(zhǔn)。單道焊接和兩道焊接接頭焊縫區(qū)的沖擊吸收功較低，分別僅為75 J和89 J;同時(shí)焊接過(guò)程對(duì)熱影響區(qū)的沖擊韌性也造成了一定程度的影響，單道焊接接頭和兩道焊接接頭熱影響區(qū)的平均沖擊吸收功與母材相比均有一定程度的下降。

母材以及采用單道焊和兩道焊工藝下接頭焊縫和熱影響區(qū)沖擊試樣的斷口形貌如圖11所示。由圖11可知，母材和兩種焊接工藝下接頭熱影響區(qū)的沖擊斷口均發(fā)生了明顯的頸縮現(xiàn)象，斷口上均呈現(xiàn)出剪切唇特征，沖擊韌性良好。

單道焊焊縫沖擊斷口平整，未出現(xiàn)明顯的頸縮，且剪切唇特征僅在電弧作用區(qū)一側(cè)出現(xiàn)，且在激光作用區(qū)一側(cè)（即焊縫深處）存在較多氣孔（見(jiàn)圖11b）。相較于單道焊，兩道焊焊縫的沖擊斷口雖未發(fā)生明顯的頸縮，但兩側(cè)均出現(xiàn)了剪切唇特征，且氣孔較少（見(jiàn)圖11d）。這說(shuō)明單道焊焊縫的沖擊韌性最差，同時(shí)其焊縫上下部位（即電弧作用區(qū)和激光作用區(qū)）在韌性方面還存在較為明顯的差異。

3 結(jié)論

基于優(yōu)化的焊接工藝參數(shù)，對(duì)比研究了單層單道和兩層兩道激光-MAG復(fù)合焊接接頭的組織與基本力學(xué)性能，得到主要結(jié)論如下：

（1）單道焊和兩道焊接頭截面均呈高腳杯形貌，其中兩道焊焊縫區(qū)截面面積和焊縫寬度大于單道焊，且兩道焊焊縫在電弧作用區(qū)和激光作用區(qū)的硬度差異更大。

（2）由于焊接速度的差異，單道焊與兩道焊接頭焊縫組織存在較為明顯的差異：前者出現(xiàn)大量的馬氏體組織，后者則以鐵素體組織為主;熱影響區(qū)材料降溫過(guò)程主要受材料自身性能影響，受焊接工藝影響較小，因而不同工藝下所得接頭熱影響區(qū)組織無(wú)明顯差異，但熱影響區(qū)寬度差異較大。

（3）單道焊和兩道焊的分區(qū)拉伸曲線(xiàn)較為一致，但激光作用區(qū)和電弧作用區(qū)性能的差異以及單道焊激光作用區(qū)存在的氣孔使得單道焊接頭全厚度試樣塑性較差，延伸率僅為3.6%;而兩道焊接頭全厚度試樣的延伸率雖然與母材接近，但其在拉伸過(guò)程中均勻變形階段較短，應(yīng)力在拉伸過(guò)程中有明顯的下降趨勢(shì)。

（4）相對(duì)于母材，單道焊和兩道焊接頭焊縫區(qū)的沖擊性能大幅降低，熱影響區(qū)的平均沖擊吸收功也均有一定程度的下降，同時(shí)單道焊焊縫的沖擊韌性最差，且其焊縫電弧作用區(qū)和激光作用區(qū)的韌性存在較為明顯的差異。

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