雙道次激光電弧復合焊熱影響區微觀組織與沖擊韌性

鮑亮亮 劉福建 徐艷紅 張新明 歐陽凱 韓濤

摘要：采用焊接熱模擬技術制備了低合金高強鋼雙道次激光電弧復合焊熱影響區的均勻化組織試樣，研究了二次峰值溫度對熱模擬試樣微觀組織和韌性的影響。結果表明，未轉變粗晶區為粗大的板條馬氏體，晶粒尺寸在84～98 μm之間。超臨界再熱粗晶區為細小的板條馬氏體，晶粒尺寸為15.7～19.2μm。臨界再熱粗晶區為晶界和亞晶界分布有塊狀M-A組元的板條馬氏體。亞臨界再熱粗晶區組織為板條馬氏體，晶粒尺寸在79～88μm之間。示波沖擊試驗結果表明，臨界再熱粗晶區試樣抵抗裂紋形成能力最低，臨界再熱粗晶區和未轉變粗晶區試樣抵抗裂紋擴展能力最差。

關鍵詞：低合金高強鋼；激光電弧復合焊；熱影響區；微觀組織；韌性

中圖分類號： TG 404

Investigation on microstructure and impact toughness of double-pass laser-arc hybrid welding heat affected zone

Bao Liangliang1， Liu Fujian1， Xu Yanhong1， Zhang Xinming1， Ouyang Kai1， Han Tao2

（1. China Construction Industrial & Energy Engineering Group Co.， Ltd.， Nanjing 210000， Jiangsu， China;

2. China University of Petroleum （East China）， Qingdao 266580， Shandong， China）

Abstract： Homogeneous specimens of the double-pass laser-arc hybrid welding heat affected zone （HAZ） of low alloy high strength steels were prepared by welding simulation technology， the influence of second peak temperature on the microstructure and toughness of the simulated specimens was investigated. The results showed that the unaltered coarse grained HAZ（UACGHAZ） compose of coarse lath martensite （LM） with an average grain size between 84～98μm. The supercritically reheated CGHAZ（SCRCGHAZ） is comprised of fine LM with an average grain size between 15.7～19.2μm. The intercritically reheated CGHAZ（ICCGHAZ） compose of LM with blocky martensite-austenite constituents distributed along grain boundaries and subgrain boundaries. The subcritically reheated CGHAZ（SRCGHAZ） is comprised of LM with an average grain size between 79～88μm. The instrumented impact test results showed that the ICCGHAZ specimens own the lowest resistance to crack initiation， and the ICCGHAZ and UACGHAZhad the poorest resistance to crack propagation.

Key words： low alloy high strength steel; laser-arc hybrid welding; heat affected zone; microstructure; toughness

0前言

激光電弧復合焊是一種高效高精度焊接技術，在海洋工程領域低合金高強鋼中厚板的焊接方面具有良好的應用前景＼[1-2＼]。一般情況下，激光電弧復合焊匹配的激光器功率越大，激光束穿透力越強，單道次焊縫的焊接熔深也越大。然而一味地增加激光器功率，會導致設備成本成倍增加。目前，激光電弧復合焊通常配備20 kW 的光纖激光器，可實現20 mm 厚度以下的鋼板單道一次性焊透，對于20 mm 厚度以上的鋼板，可采用激光電弧復合多層多道焊或激光電弧復合焊與其他焊接方法復合的方式焊接＼[3-4＼]。

Bao等人＼[5＼]和Li等人＼[6-7＼]對低合金高強鋼多道次焊接熱影響區（Heat affected zone， HAZ）組織與韌性研究發現，由于焊接熱循環的疊加作用，單道次焊縫熱影響區，尤其是粗晶區（Coarse grained HAZ，CGHAZ），組織與性能會進一步惡化，臨界再熱粗晶區（Intercritically reheated CGHAZ， ICCGHAZ）往往成為其性能薄弱區。然而，對于低合金高強鋼激光電弧復合焊多層多道焊熱影響區組織與性能的研究鮮有報道，現有研究多集中在單道次激光電弧復合焊熱影響區的組織與性能方面。Bao 等人＼[5， 8＼]對EQ70低合金高強鋼激光電弧復合焊接接頭組織與沖擊韌性之間的關系進行了研究，研究發現EQ70鋼激光電弧復合焊接頭熱影響區發生了局部脆化。采用有限元數值模擬技術和熱電偶測溫法對EQ70鋼激光電弧復合焊的焊接熱循環進行了模擬與測量，并分析了復合焊焊接熱循環對熱影響區組織演變的影響，研究發現粗晶區是低合金高強鋼單道次激光電弧復合焊熱影響區的局部脆化區＼[9-10＼]。

為進一步研究雙道次激光電弧復合焊后續焊接熱循環對單道次CGHAZ微觀組織和性能的影響，采用焊接熱模擬技術制備了低合金高強鋼雙道次激光電弧復合焊HAZ的均勻化組織試樣，并采用示波沖擊試驗和微觀組織表征技術，分析了二次峰值溫度對雙道次熱模擬試樣微觀組織和韌性的影響規律。

1焊接熱影響區的劃分

HAZ是一個不均勻的梯度化組織區域。根據焊接熱循環峰值溫度的不同＼[11＼]，單道次HAZ可分為：①完全淬火區，最高溫度在Ac3至1350℃之間，組織完全奧氏體化，冷卻后得到馬氏體組織或馬氏體與貝氏體的混合組織。又可細分為CGHAZ（1100～1350℃）和細晶區（Fine grained HAZ， Ac3～1100℃， FGHAZ）；②不完全淬火區，峰值溫度在Ac1～Ac3之間，組織部分奧氏體化，又稱為兩相區或臨界區（Intercritically HAZ， ICHAZ），冷卻后得到馬氏體與鐵素體共存的組織，組織均勻性較差；③回火軟化區，峰值溫度介于Ac1至回火溫度之間，軟化程度取決于焊前調質回火溫度，峰值溫度低于回火溫度，組織性能不發生變化，峰值溫度高于回火溫度，組織發生軟化，成為局部軟化區，又稱為亞臨界區（Subcritically HAZ， SCHAZ）。

對于多道焊，由于熱循環的疊加作用，HAZ分布更復雜。多數情況下，CGHAZ是HAZ的性能薄弱區，所以一般研究熱循環對前道次CGHAZ的影響。圖1為單道次和雙道次焊縫的HAZ分布圖按照二次熱循環峰值溫度的不同，CGHAZ可以分為4個區域＼[12-14＼]。區域1為未轉變粗晶區（Unaltered CGHAZ， UACGHAZ），二次熱循環峰值溫度介于1100～1350℃，組織完全奧氏體化，峰值溫度較高，晶粒尺寸進一步長大，性能較差；區域2為超臨界再熱粗晶區（Supercritically reheated CGHAZ，SCRCGHAZ），二次熱循環峰值溫度介于Ac3至1100℃之間，組織經歷第二次完全奧氏體化過程，但由于二次熱循環峰值溫度較低，晶粒細小，性能良好，與FGHAZ組織類似，所以又簡稱為FGHAZ；區域3為ICCGHAZ，二次熱循環峰值溫度介于Ac1～Ac3之間，組織不完全奧氏體化，韌性較差；區域4為亞臨界再熱粗晶區（Subcritically reheated CGHAZ， SRCGHAZ）， 二次熱循環峰值溫度在Ac1以下，由于回火作用，組織硬度有所下降，韌性升高。

2試驗方法

選用調質態EQ70低合金高強鋼，其化學成分如表1所示。結合激光電弧復合焊熱循環測量結果和溫度場數值模擬結果＼[9＼]，根據復合焊熱循環特點，雙道次激光電弧復合焊熱模擬試驗的加熱速度ωH 統一采用CGHAZ平均加熱速度400℃/s，高溫停留時間tH 統一設定為1 s。單道次峰值溫度TM1和800℃冷卻至500℃時間t8/5（1）統一設定為1300℃和5 s，用來得到均勻化的單道次CGHAZ熱模擬試樣。二次峰值溫度TM2設定為690，760，800，840，900，1300℃，用來模擬雙道次HAZ不同微區組織。二次800℃冷卻至500℃時間t8/5（2）設定為5 s，TM2為690，760，800，840，900，1300℃的試樣，分別代表SRCGHAZ， ICCGHAZ（760，800，840℃），SCRCGHAZ和UACGHAZ試樣。表2為焊接熱模擬試樣參數。

焊接熱模擬試樣尺寸為70 mm×10.5 mm×10.5 mm，經表面處理后，在Gleeble-3800型熱模擬試驗機上進行試驗。熱模擬后將試樣加工成55 mm×10 mm×10 mm 的標準沖擊試樣。采用RKP-450型試驗機對試樣進行示波沖擊試驗＼[15-16＼]，按照標準GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗方法》通過JSM-7200F 型掃描電子顯微鏡觀察試樣沖擊后的斷口形貌。熱模擬試樣的微觀組織采用DM2500MLeica 型光學顯微鏡和JSM-7200F 型掃描電子顯微鏡進行表征。

3試驗結果與分析

3.1雙道次熱模擬熱影響區試樣的微觀組織

3.1.1 UACGHAZ

圖2 為 UACGHAZ試樣（試樣1）的微觀組織。一次熱模擬 CGHAZ試樣經過高達1 300℃的二次峰值溫度后，組織完全奧氏體化，由于復合焊具有快速的冷卻速度，冷卻后組織仍為晶粒粗大的板CGHAZ組織均質化和碳化物溶解不充分，經二次熱循環1300℃高溫后，晶粒進一步長大，且組織均質化和碳化物溶解更加不充分，馬氏體板條間有碳化物顆粒存在，如圖2c所示。

3.1.2 SCRCGHAZ

圖3為SCRCGHAZ試樣（試樣2）的微觀組織。CGHAZ試樣經過900℃的二次峰值溫度后，組織完全奧氏體化，由于二次峰值溫度不高，新轉變的奧氏體晶粒來不及長大，晶粒尺寸較小。在隨后快速冷卻速度下，組織主要為板條馬氏體。

由于激光電弧復合焊快速加熱、短時高溫停留的特點，晶粒內部板條間也有粒狀碳化物存在，如圖3c。由于組織類型和晶粒尺寸與一次熱循環FGHAZ 試樣組織相近，所以也稱為FGHAZ。多視域觀察發現試樣2晶粒尺寸為15.7～19.2μm。

3.1.3 ICCGHAZ

EQ70鋼相變點 Ac1，Ac3分別為720，850℃。考慮復合焊焊接熱循環對相變點的影響，分別選取臨界溫度為760，800，840℃的熱模擬試樣對ICCGHAZ顯微組織進行表征。

圖4為采用4%硝酸酒精和LePera試劑腐蝕的ICCGHAZ試樣的光學顯微組織。ICCGHAZ組織為晶界和亞晶界分布有M-A組元的板條馬氏體，M-A組元的分布、形態和數量隨二次峰值溫度的不同有所差異。當二次峰值溫度較低時（760℃），M-A組元主要分布在原奧氏體晶界，呈塊狀。這些塊狀M-A組元在晶界聚集成鏈狀，形成所謂的鏈狀M-A組元，如圖4d 所示。當二次峰值溫度為800℃時，晶界上鏈狀M-A組元開始變得相對分散，晶粒內部亞晶界開始有薄片狀逆轉組織形成，如圖4e所示。當二次峰值溫度進一步升高至840℃時，由于溫度接近Ac3，原馬氏體組織大部分都逆轉為奧氏體，在后續快速冷卻過程中轉變為細小的板條馬氏體，原奧氏體晶界消失，細小的M-A組元彌散分布于馬氏體內部，如圖4f所示。

3.1.4 SRCGHAZ

圖5為SRCGHAZ試樣（試樣6）的顯微組織圖片。由于二次峰值溫度低于奧氏體轉變溫度，相當于對CGHAZ組織進行了一次回火處理，試樣6基本保持了CGHAZ試樣的組織形態，組織主要為板條馬氏體，晶粒尺寸與CGHAZ試樣相近，多視域觀察統計可知其晶粒尺寸在79～ 88μm 之間。

3.2雙道次熱模擬熱影響區試樣的沖擊韌性

3.2.1峰值溫度對熱模擬試樣沖擊韌性的影響

對雙道次熱模擬HAZ試樣進行了示波沖擊試驗，表3為示波沖擊試驗數據。圖6為不同二次峰值溫度試樣的示波沖擊吸收功特征值。從總沖擊吸收功Et看，母材的Et最高，SRCGHAZ，SCRCGHAZ和CGHAZ試樣Et相差不大，ICCGHAZ和UACGHAZ試樣的Et較低，其中ICCGHAZ試樣5的Et最低，僅為20.7 J，低于EQ70鋼標準要求的最低沖擊吸收功27.0 J。文獻＼[5＼]研究發現總沖擊吸收功Et并不能真實反映出試樣間的韌性差異。從裂紋形成功Ei看，母材Ei最高，表明母材抵抗裂紋形成能力最高。ICCGHAZ試樣Ei較低，其中試樣5的Ei最低，僅為14.6 J，說明ICCGHAZ試樣抵抗裂紋形成的能力最差。從裂紋擴展功Ep看， ICCGHAZ和UACGHAZ試樣抵抗裂紋擴展能力較低，其中試樣5和試樣1抵抗裂紋擴展的能力最差。

雙道次UACGHAZ試樣（試樣1）的總沖擊吸收功Et為30.0 J，裂紋形成功Et為24.3 J，裂紋擴展功Ep 為5.7 J，均低于單道次CGHAZ熱模擬試樣。相較于CGHAZ試樣，UACGHAZ試樣抵抗裂紋形成和擴展的能力均有所降低。試樣1沖擊斷口幾乎沒有纖維區，均為白亮色、結晶狀放射區。圖7為試樣1的沖擊斷口形貌，其裂紋形成區微觀斷口表現為韌窩+解理的混合型斷裂特征，裂紋擴展區微觀斷口為脆性解理斷裂特征。

雙道次SCRCGHAZ試樣（試樣2）總沖擊吸收功Et為40.0 J，裂紋形成功Ei 為23.8 J，裂紋擴展功Ep 為16.2 J。圖8為試樣2的微觀斷口形貌。裂紋形成區微觀斷口表現為細小均勻的韌窩特征，裂紋擴展區微觀斷口為細小韌窩和少量解離刻面特征。SCRCGHAZ試樣韌性較單道次CGHAZ試樣有所改善，基本滿足EQ70鋼標準要求。

圖9為不同二次峰值溫度對ICCGHAZ示波沖擊特征值的影響。隨二次峰值溫度的升高，ICCGHAZ的示波沖擊特征值也不斷升高。當二次峰值溫度為760℃時，其裂紋形成功Ei（14.6 J）和裂紋擴展功Ep（6.1 J）均較低；當二次峰值溫度升至800℃時其裂紋形成功Ei（19.6 J）有所增加，裂紋擴展功Ep（9.4 J）變化較小；當二次峰值溫度進一步升至840℃時，其裂紋形成功Ei（20.2 J）和裂紋擴展功Ep（13.8 J）均有所改善。圖10為不同二次峰值溫度ICCGHAZ的裂紋擴展區的微觀斷口形貌。ICCGHAZ試樣裂紋擴展區微觀斷口均呈現準解理斷裂特征，當二次峰值溫度為760和800℃時，主要由解理刻面和撕裂棱組成；當二次峰值溫度為840℃時，局部韌窩帶明顯增多，表明其對裂紋擴展阻礙作用有所提高。上述結果表明，二次峰值溫度對ICCGHAZ沖擊韌性有一定影響，二次峰值溫度處于下臨界溫度（760℃）時，ICCGHAZ沖擊韌性較低，二次峰值溫度在中（800℃）、上（840℃）臨界溫度時，ICCGHAZ沖擊韌性有所改善。ICCGHAZ沖擊韌性均較低，主要為脆性斷口。

雙道次SRCGHAZ試樣（試樣6）總沖擊吸收功Et為41.0 J，裂紋形成功Ei 為22.9 J，裂紋擴展功Ep 為18.1 J。試樣6沖擊斷口由纖維區、剪切唇組成。微觀斷口為均勻細小的韌窩，如圖11所示。雙道次SRCGHAZ試樣沖擊韌性較單道次CGHAZ試樣有所改善，基本滿足EQ70鋼標準要求。

3.2.2局部脆化區組織與韌性的關系

沖擊試驗研究發現雙道次熱模擬HAZ中UACGHAZ，ICCGHAZ試樣沖擊韌性相對較低，沖擊斷口呈現脆性斷裂特征，是雙道次激光電弧復合焊熱影響區的局部脆化區。UACGHAZ組織類型與CGHAZ基本一致，UACGHAZ沖擊韌性的降低主要是因為其經歷了二次高溫熱循環，晶粒尺寸進一步粗化導致的。Bao 等人＼[17＼]研究發現板條塊亞結構是控制CGHAZ裂紋穩定擴展的微觀組織單元，且板條塊亞結構寬度隨原奧氏體晶粒尺寸（Prioraustenite grain size， PAGS）的增加而變大。所以PAGS的增加，導致UACGHAZ組織中block寬度增加，導致其抵抗裂紋擴展能力降低，裂紋擴展功Ep 僅為5.7 J。

ICCGHAZ組織隨二次峰值溫度變化有所不同。由圖4可知，ICCGHAZ基體組織均為板條馬氏體，差異主要體現在M-A組元的形態、分布、數量、尺寸等方面。為研究二次峰值溫度對M-A組元的影響，利用Image-Pro Plus 軟件對LePera 試劑腐蝕后的金相圖片進行處理，并統計M-A組元的體積分數（采用二維金相圖片的面積分數近似代替體積分數，每個峰值溫度下至少統計5張500倍金相圖片），圖12為利用Image-Pro Plus軟件處理后的ICCGHAZ的金相圖。M-A組元尺寸通過掃描電子顯微鏡圖片統計（至少統計30個M-A組元，取平均值），圖13為不同二次峰值溫度ICCGHAZ試樣掃描電子顯微鏡組織圖。

鮑亮亮等人＼[17＼]的研究已經證明板條塊亞結構是控制板條馬氏體韌性的微觀組織單元，所以利用電子背散射衍射（electron backscattered diffraction，EBSD）歐拉圖統計各試樣板條塊亞結構寬度以及45°以上大角度晶界比例，如圖14所示。歐拉圖中黃色代表45°以上晶界。表4為不同二次峰值溫度下ICCGHAZ試樣的板條塊亞結構寬度、M-A組元的體積分數和尺寸、45°以上大角度晶界比例。

當二次峰值溫度為760，800℃，ICCGHAZ晶粒尺寸基本一致，均保持了試樣3，4和5粗大的晶粒尺寸，所以兩者具有相近的板條塊亞結構寬度，分別為19.3和21.7μm。

圖14a 和圖14d 為760℃試樣的EBSD表征圖。從圖14a 和圖14d 看出，試樣基體組織為板條馬氏體，M-A組元連續分布在原奧氏體晶界，呈塊狀。760℃試樣基本保持了CGHAZ試樣粗大的晶粒尺寸，45°以上大角度晶界主要分布內部板條束晶界和板條塊亞結構晶界，板條塊亞結構寬度為19.3μm。760℃試樣大角度晶界比例僅為12.6%統計得到760℃試樣中M-A組元的平均晶粒尺寸為2.5μm，體積分數為2.9%。

圖14b 和圖14e 為800℃試樣的EBSD 表征圖。當二次峰值為800℃時，晶界鏈狀M-A組元開始分散，仍呈塊狀分布。晶粒尺寸與760℃試樣相近，其板條塊亞結構寬度為21.7μm。45°以上大角度晶界主要分布內部板條束晶界和板條塊亞結構晶界800℃試樣大角度晶界比例僅為13.9%800℃試樣中M-A組元的平均晶粒尺寸為2.1μm，體積分數為3.2%。

圖14c 和圖14f 為840℃試樣的EBSD 圖。二次峰值溫度升至840℃時，由于峰值溫度較高臨近Ac3，大部分組織轉化為奧氏體，冷卻后形成板條馬氏體和M-A組元，原奧氏體晶界無法分辨，晶粒變細小，板條塊亞結構寬度僅為12.5μm，45°以上大角度晶界比例較760，800℃試樣增大，為16.3%。M-A組元的平均晶粒尺寸為1.8μm，體積分數為0.9%。

二次峰值溫度對ICCGHAZ試樣裂紋擴展功有顯著影響。隨著二次峰值溫度的升高，裂紋擴展功Ep 不斷升高。隨著二次峰值溫度的升高，ICCGHAZ中板條馬氏體板條塊亞結構寬度不斷降低，導致45°以上大角度晶界比例不斷升高，試樣抵抗裂紋擴展能力不斷增強。

二次峰值溫度對ICCGHAZ試樣裂紋形成功也有較大影響。隨著二次峰值溫度的升高，其裂紋形成功Ei 不斷升高。當二次峰值溫度為760，800℃時，M-A組元體積分數變化不大，分別為2.9%和3.2%。當二次峰值溫度為840℃時，M-A組元驟降至0.9%，說明裂紋形成功的變化與M-A組元體積分數相關性不大。隨二次峰值溫度的升高，ICCGHAZ試樣中M-A組元的分布由晶界向晶內擴展，由聚集向發散轉變，M-A組元的尺寸不斷減小。所以M-A組元的分布和尺寸與裂紋形成功的變化相關性較大。M-A組元的尺寸越大，試樣裂紋形成功越低。M-A組元在晶界呈鏈狀分布時，試樣裂紋形成功較低，在晶界或晶內離散分布時，試樣裂紋形成功相對有所改善。

綜上所述，下臨界溫度ICCGHAZ試樣（760℃試樣）由于既遺傳了CGHAZ粗大的晶粒尺寸（板條塊寬度），且晶界有鏈狀M-A組元的存在，M-A組元的尺寸較大，導致其裂紋形成功和裂紋擴展功均較低，韌性最差。中臨界溫度ICCGHAZ試樣（800℃試樣），由于晶界M-A組元開始離散，與760℃試樣相比，其裂紋形成功有所增加。上臨界溫度ICCGHAZ試樣（840℃試樣）由于晶粒得到細化，且M-A組元尺寸較小，離散分布在晶粒內部，所以裂紋形成功和擴展功均有所增加，韌性相對較好。

4結論

（1）雙道次激光電弧復合焊熱模擬熱影響區微觀組織以板條馬氏體為主，二次峰值溫度主要影響其晶粒尺寸大小。ICCGHAZ試樣的板條馬氏體晶界和亞晶界處分布由塊狀M-A組元，二次峰值溫度為760℃時，塊狀M-A組元主要分布在原奧氏體晶界，且聚集成鏈狀。二次峰值溫度為800℃時，晶界上鏈狀M-A組元開始變得分散，且有部分M-A組元在亞晶界彌散分布。二次峰值溫度為840℃時，原奧氏體晶界消失，轉變為細小的板條馬氏體，M-A組元在晶界分布進一步分散，晶內彌散分布有M-A組元。

（2）示波沖擊試驗結果表明，UACGHAZ試樣和ICCGHAZ試樣是雙道次激光電弧復合焊熱模擬熱影響區的局部脆化區。ICCGHAZ試樣抵抗裂紋形成能力最低，ICCGHAZ和UACGHAZ試樣抵抗裂紋擴展能力最差。

（3）UACGHAZ沖擊韌性的降低主要是因為其經歷了二次高溫熱循環，晶粒尺寸進一步粗化導致。ICCGHAZ試樣的沖擊韌性與晶粒尺寸和M-A組元有關，760℃試樣由于遺傳了CGHAZ粗大晶粒，且晶界有鏈狀M-A組元的存在，導致其韌性最差。800℃試樣由于晶界M-A組元開始離散，與760℃試樣相比，其韌性有所改善840℃試樣由于晶粒得到細化，且M-A組元尺寸較小，離散分布在晶粒內部，其韌性相對較好。

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鮑亮亮簡介：博士；主要從事高效高質量焊接技術研究；baoliangfighting@163.com.