390 MPa 級船用高強(qiáng)鋼激光-MAG 復(fù)合焊接接頭組織與力學(xué)性能

王樹森，鄒德敏，肖紅軍，曹洋，朱彥潔，趙琳，彭云

（1.海裝沈陽局駐鞍山地區(qū)軍事代表室，遼寧 鞍山 114001；2.鋼鐵研究總院有限公司，北京 100081）

0 前言

激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)實現(xiàn)了激光和電弧兩種物理性質(zhì)、能量傳輸機(jī)制截然不同熱源的優(yōu)勢互補(bǔ)和增強(qiáng)。自Steen 在上世紀(jì)80 年代提出以來[1]，激光-電弧復(fù)合焊接在激光束質(zhì)量、熱源復(fù)合技術(shù)和工藝參數(shù)匹配等方面均取得了長足的進(jìn)步[2-5]。

激光-電弧復(fù)合焊接具有焊接效率高、焊接變形小、熔深大以及坡口間隙適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢，是船舶制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展不可缺少的一種焊接技術(shù)[6-8]。特別是，現(xiàn)代造船業(yè)應(yīng)用了新的模塊化造船技術(shù)[9]，使激光-電弧復(fù)合焊技術(shù)優(yōu)勢更加突出。目前，國際上有代表性的造船企業(yè)正在積極推進(jìn)激光-電弧復(fù)合焊接在大型船舶和高級游輪建造中的應(yīng)用。國內(nèi)在該方面起步較晚，主要以試驗室研究為主。近年來，隨著科技進(jìn)步和市場競爭的日益激烈，對船舶生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量提出了更高的要求，船用高強(qiáng)鋼的激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)逐漸引起了廣大學(xué)者的關(guān)注。王明林等人[10]研究了590 MPa 級船用高強(qiáng)鋼激光-MAG復(fù)合焊接接頭組織和力學(xué)性能，并與常規(guī)MAG 焊接接頭進(jìn)行了對比，其研究驗證了590 MPa 級船用高強(qiáng)鋼激光-MAG 復(fù)合焊接的可行性。但是，與常規(guī)MAG焊相比，激光-MAG 復(fù)合焊接接頭顯微硬度大幅增加，焊縫區(qū)沖擊韌性明顯下降，即存在一定的“脆硬”行為。針對激光-電弧復(fù)合焊接接頭脆硬問題，杜義等人[11]利用光學(xué)顯微鏡、透射電鏡和沖擊試驗機(jī)等設(shè)備，分析了焊接接頭各區(qū)域組織、合金元素分布、顯微硬度和力學(xué)性能，提出通過優(yōu)化焊接材料成分和對工件進(jìn)行低溫預(yù)熱的方式改善焊接接頭的力學(xué)性能。Zhang 等人[12-13]以590 MPa 級船用高強(qiáng)鋼為研究對象，通過對焊接過程中的高速圖像和實時電信號進(jìn)行采集，研究了激光-MAG 復(fù)合焊接熱源布置與保護(hù)氣體成分對焊接特征以及焊接過程穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)焊接缺陷是由于焊接過程不穩(wěn)定所產(chǎn)生的，當(dāng)光絲距離DLA為2～4 mm，保護(hù)氣體成分為20%CO2+Ar 時，可以獲得穩(wěn)定的焊接過程，焊接缺陷產(chǎn)生傾向最小。李旭晨等[14]對440 MPa 級高強(qiáng)度船用鋼光纖激光-MAG 復(fù)合焊接焊縫金屬組織和力學(xué)性能進(jìn)行了研究，指出焊接工藝參數(shù)對焊縫成形和沖擊韌性具有較大影響。Yin 等人[15]和鄒德敏等[16]通過開展試驗研究了焊接速度對焊縫金屬組織和力學(xué)性能的影響，深入分析了焊接速度對440 MPa 級高強(qiáng)度船用鋼激光-MAG 復(fù)合焊接焊縫沖擊韌性的影響機(jī)理。研究表明，焊接速度對焊縫沖擊韌性的影響因素主要是顯微組織；較高焊接速度下，焊縫形成了大量針狀鐵素體和板條貝氏體，致使焊縫區(qū)具有良好的低溫沖擊韌性。

目前，390 MPa 級船用高強(qiáng)鋼是大型船舶應(yīng)用量最大的鋼鐵材料之一，而其激光-MAG 復(fù)合焊接研究較少。因此，文中研究了390 MPa 級船用高強(qiáng)鋼光纖激光-MAG 復(fù)合焊接試驗，分析了焊接接頭組織和性能。

1 試驗條件與方法

試驗所用母材為390 MPa 級船用高強(qiáng)鋼，尺寸為200 mm×100 mm×8 mm。焊接材料為自研的390 MPa級船用高強(qiáng)鋼配套焊絲，直徑為1.2 mm；保護(hù)氣體采用98%Ar+2%O2混合氣體，氣體流量為20 L/min。

試驗采用IPG YLS-6000 光纖激光器，波長1.07 μm，聚焦光斑直徑為0.4 mm，離焦量為0，電弧焊接系統(tǒng)為CLOOS Champ 450 型MIG/MAG 焊機(jī)。焊接過程中，采用激光在前的焊接方向，激光束垂直工件表面入射，與電弧焊槍呈40°夾角，光絲距離為5 mm，焊接工藝參數(shù)見表1。

表1 焊接工藝參數(shù)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 焊接接頭的橫截面形貌

圖1 為不同焊接速度對焊接接頭橫截面形貌的影響。激光-MAG 復(fù)合焊接焊縫呈“酒杯”狀，焊縫的上部和下部較寬，中間略窄。焊縫上部較寬的原因是該區(qū)域受電弧和激光的共同作用，下部較寬的原因是該區(qū)域形成了Marangoni 對流。通過對比發(fā)現(xiàn)，不同焊接速度條件下的焊縫形狀具有明顯差異。隨著焊接速度增大，焊接熱輸入降低，焊縫上表面熔寬逐漸減小。與此同時，熱輸入降低還會引起底部熔池表面Marangoni 對流作用減弱，使得焊縫下表面熔寬減小。焊接接頭熱影響區(qū)寬度較小，其范圍為0.85 mm～3.12 mm；焊接速度越高，熱影響區(qū)寬度越小。

圖1 焊接接頭橫截面形貌

2.2 焊接接頭組織轉(zhuǎn)變規(guī)律

圖2 為390 MPa 級的船用高強(qiáng)鋼激光-MAG 復(fù)合焊接接頭顯微組織。焊縫區(qū)由先共析鐵素體、側(cè)板條鐵素體、針狀鐵素體和板條貝氏體組織組成；粗晶區(qū)主要由貝氏體板條和少量鐵素體組成；細(xì)晶區(qū)組織主要為鐵素體、少量珠光體和板條組織；不完全重結(jié)晶區(qū)由鐵素體和珠光體組成；母材由鐵素體和珠光體組成。

圖2 焊接接頭顯微組織

圖3 為不同焊接速度對390 MPa 級的船用高強(qiáng)鋼激光-MAG 復(fù)合焊接焊縫區(qū)組織的影響。由圖可知，隨著焊接速度增大，先共析鐵素體、側(cè)板條鐵素體含量降低，針狀鐵素體和板條貝氏體含量上升，組織逐漸細(xì)小。焊接速度為0.8 m/min 時，焊縫區(qū)組織主要由先共析鐵素體、側(cè)板條鐵素體、針狀鐵素體和板條貝氏體組成；焊接速度達(dá)到1.2 m/min 以上時，焊縫區(qū)組織主要為針狀鐵素體和板條貝氏體，先共析鐵素體和側(cè)板條鐵素體含量顯著減少。

圖3 焊縫區(qū)顯微組織

2.3 顯微硬度

圖4 顯示了焊接接頭的顯微硬度分布。各焊接速度條件下，熱影響區(qū)的硬度均高于母材（190HV），表明焊接接頭中不存在軟區(qū)。焊接接頭的最高硬度出現(xiàn)在熱影響區(qū)，隨著焊接速度增加，最高硬度值不斷增大。焊縫區(qū)顯微硬度同樣明顯高于母材，隨著焊接速度增加，焊縫區(qū)顯微硬度呈逐漸增加趨勢。其原因是：當(dāng)焊接速度較低時，焊縫區(qū)組織由先共析鐵素體、側(cè)板條鐵素體、針狀鐵素體和板條貝氏體組成；隨著焊接速度增大，冷卻速度加快，焊縫區(qū)組織發(fā)生硬化，主要由針狀鐵素體和板條貝氏體組成，使焊縫區(qū)的顯微硬度顯著上升。

圖4 不同焊接速度下焊接接頭的硬度分布

2.4 拉伸性能

表2 為不同焊接速度下焊接接頭的拉伸性能。隨著焊接速度增加，焊接接頭的拉伸性能各項指標(biāo)無明顯變化，基本與母材相當(dāng)。

表2 復(fù)合焊接接頭及母材的拉伸性能

圖5 為激光-MAG 復(fù)合焊接接頭拉伸斷裂位置。所有接頭試樣都在母材處失效，可知焊接速度在0.8～1.5 m/min 范圍內(nèi)時，焊縫金屬和熱影響區(qū)強(qiáng)度高于母材。因此，390 MPa 級的船用高強(qiáng)鋼激光-MAG 復(fù)合焊接接頭具有良好的拉伸性能。

圖5 焊接接頭及母材的拉伸斷裂位置

2.5 沖擊性能

圖6 為焊縫-40 ℃和-60 ℃低溫沖擊吸收能量。隨著焊接速度增大，焊縫-40 ℃和-60 ℃沖擊韌性均呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。焊接速度為0.8 m/min 時，焊縫-40℃和-60℃沖擊吸收能量分別為78 J 和69 J；焊接速度為1.5 m/min 時，焊縫-40℃和-60℃沖擊吸收能量最高，分別為172 J 和126 J。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是不同焊接速度下焊縫金屬顯微組織的差異。如前所述，當(dāng)焊接速度為0.8 m/min 時，焊縫金屬中存在一定量的先共析鐵素體和側(cè)板鐵素體，低溫沖擊吸收能量較低。隨著焊接速度增大，先共析鐵素體和側(cè)板條鐵素體含量下降，針狀鐵素體和板條貝氏體含量上升，焊縫組織發(fā)生細(xì)化，焊縫低溫沖擊吸收能量不斷增加。當(dāng)焊接速度為1.5 m/min 時，焊縫內(nèi)主要為細(xì)小的針狀鐵素體組織，沖擊吸收能量最高。

圖6 不同焊接速度下的焊縫沖擊吸收能量

3 結(jié)論

（1）隨著焊接速度增大，390 MPa 級船用高強(qiáng)鋼激光-MAG 復(fù)合焊接焊縫區(qū)先共析鐵素體和側(cè)板條鐵素體含量降低，針狀鐵素體和板條貝氏體含量增加。

（2）不同焊接速度條件下，復(fù)合焊接接頭硬度均高于母材；所有拉伸試樣均斷在母材，焊接接頭沒有明顯軟化區(qū)。

（3）隨著焊接速度增大，復(fù)合焊接焊縫區(qū)低溫沖擊韌性呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。焊接速度為1.5 m/min時，焊縫-40 ℃和-60 ℃沖擊吸收能量分別為172 J 和126 J。顯微組織構(gòu)成是焊接速度影響焊縫區(qū)低溫沖擊韌性的主要因素。