高強鋼激光-電弧復合焊接接頭力學性能研究

楊臻， 張平， 蔡志海， 秦航

(裝甲兵工程學院 機械產品再制造國家工程研究中心， 北京 100072)

高強鋼激光-電弧復合焊接接頭力學性能研究

楊臻， 張平， 蔡志海， 秦航

(裝甲兵工程學院 機械產品再制造國家工程研究中心， 北京 100072)

為彌補高強鋼在傳統(tǒng)焊接中低效、變形嚴重、焊縫強度低等問題，采用6 kW光纖激光器和熔化極活性氣體保護電弧焊復合焊接6 mm厚度的30CrNiMo鋼板，在相同焊接工藝下使用ER50-6和ER308兩種焊絲，焊后對兩種焊縫的組織形貌和力學性能進行研究。研究結果表明：ER50-6焊絲焊縫為細小的針狀馬氏體組織，而ER308焊絲焊縫為粗大的柱狀晶奧氏體；兩種焊絲焊縫的硬度面分布也出現(xiàn)較大區(qū)別，ER50-6焊絲焊縫沿熔合線出現(xiàn)低硬度分布，ER308焊絲焊縫則在焊縫中心下部出現(xiàn)低硬度集中，二者對應拉伸斷裂位置分別在熔合線處和焊縫中心；通過能譜分析得知，ER308焊絲中高含量的Cr元素在焊縫上部集中，導致焊縫上部淬硬性增強，硬度大幅上升，韌性急劇下降，并最終導致焊縫力學性能的薄弱。因此，采用復合焊接搭配ER50-6焊絲，可實現(xiàn)對6 mm厚30CrNiMo鋼板以1.0 m/min速度的高效無變形焊接，焊縫強度高達1 197 MPa.

機械制造工藝與設備； 光纖激光； 高強鋼； 激光- 電弧復合焊接； 焊接接頭； 硬度面分布

0 引言

激光- 電弧復合焊接是一種全新高效的先進焊接技術，它將物理性質、能量傳輸機制截然不同的兩種熱源復合在一起，作用于同一加工位置，它既充分發(fā)揮了兩種熱源各自的優(yōu)勢，又相互彌補了各自的不足，從而形成一種全新的高效焊接熱源[1-3]。激光- 電弧焊接以其自身優(yōu)勢引起人們的高度重視，并迅速取替?zhèn)鹘y(tǒng)焊接方法，在工業(yè)中獲得日益廣泛的應用[4-8]。

高強鋼受其熱處理工藝及成分的影響，在傳統(tǒng)弧焊時焊接性能較差，焊接效率低且焊后變形大，焊縫易產生裂紋，這些問題限制了高強鋼的廣泛應用。復合焊接能量分布集中、焊縫熔深大、熱輸入小、焊接效率高的特點為提升高強鋼的焊接性能提供了有利的幫助。

焊縫接頭的顯微硬度是其力學性能的研究基礎，可以間接反映焊縫的力學性能。通常對激光- 電弧復合焊接接頭硬度僅作橫向或縱向單一線分布研究，獲得的結果均為：熱影響區(qū)(HAZ)>焊縫>母材[9-13]。本文以高強鋼30CrNiMo為研究對象進行激光- 電弧復合焊接，并對焊縫接頭進行性能測試，著重就焊縫接頭的顯微硬度分布進行了研究，采取逐行等間距測試方法，獲得并分析了不同焊絲焊縫接頭截面的硬度面分布結果。

1 實驗方法和實驗方案

實驗設備為美國IPG光子公司產高功率YLS-6000光纖激光器與奧地利Fronius公司產TPS-5000焊機結合德國KUKA機器人公司產機器人聯(lián)合構建的復合焊接工作平臺。激光器額定功率6 kW，波長約1 070 nm，光束參數(shù)積(BPP)約4.2 mm·mrad，光纖傳輸芯徑和準直鏡焦長分別為200 μm和200 mm，經焦距300 mm的聚焦鏡聚焦，獲得直徑0.2 mm的光斑。激光垂直于試板板面，焊絲與試板板面夾角60°，采用激光在前的方式進行焊接。

實驗材料為30CrNiMo高強鋼(質量分數(shù)為0.28%C，0.35%Si，0.30%Mn，0.015%P，0.008%S，1.8%Cr，1.8%Ni，0.30%Mo，余量Fe)，其組織如圖1所示，為回火馬氏體組織，試件尺寸為200 mm×100 mm×6 mm，不開坡口。分別采用直徑1.2 mm的ER50-6鐵素體焊絲(質量分數(shù)為0.10%C，1.05%Si，1.50%Mn，0.015%P，0.020%S，余量Fe)和ER308不銹鋼焊絲(質量分數(shù)為0.01%C，0.60%Si，2.50%Mn，0.020%P，0.015%S，20.5%Cr，10.0%Ni，余量Fe)進行平板對接焊。

圖1 母材顯微組織(放大1 000倍)Fig.1 Microscopic structure of base metal(1 000×)

焊接工藝參數(shù)：激光功率3 150 W，焊接電壓24 V，焊接電流300 A，焊接速度1.0 m/min，裝配間隙1.0 mm，離焦量1.0 mm，光絲間距2.0 mm，保護氣95%Ar+5%CO2，流量28 L/min.

采用日本Olympus公司GX-51型光學金相顯微鏡觀察焊縫微觀結構。采用德國Bruker公司產D8型X射線衍射(XRD)儀分析焊縫中心的相結構。采用Cu靶的Kα射線，波長λ=0.154 060 nm，衍射范圍20°～100°，步長為0.02°.

顯微硬度測試以焊縫中心線為基準，左右取等間距，步長0.5 mm進硬度行測試，并以0.25 mm的行間距逐行測試，獲得覆蓋整個接頭區(qū)域(不含上下余高)的硬度面分布結果。測試載荷100 g，加載時間15 s. 焊縫接頭元素分布由Genesis型能譜儀(EDS)完成。

拉伸實驗由WAW-600計算機控制電液伺服萬能實驗機在室溫下進行。斷口分析由荷蘭Philips公司產 Quant200型掃描電子顯微鏡(SEM)完成。

2 結果與分析

2.1 焊縫宏觀形貌

6 mm的30CrNiMo高強鋼板可以單道焊透，且表面成型良好，無咬邊，如圖2所示。焊后靜置48h后經著色檢驗及X射線探傷，焊縫外觀及內部成型良好，均無裂紋、氣孔等缺陷。

圖2 焊縫宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of weld seam

圖3為焊縫截面形貌，圖3(a)為ER50-6焊絲焊縫，熔合比達59.35%，圖3(b)為ER308焊絲焊縫，熔合比50.70%. 兩種焊縫均可見明顯熔化區(qū)(FZ)、HAZ和母材區(qū)(BM)。熔合比較低的ER308焊絲焊縫呈明顯的酒杯形狀，母材熔化量少，導致大量焊材在表面堆積，也使得ER308焊絲焊縫具有更大的HAZ.

圖3 焊縫截面Fig.3 Cross section of weld seam

2.2 焊縫顯微組織

圖4為焊縫熔合線處顯微組織，圖4(a)為ER50-6焊絲焊縫熔合線位置，即圖3中A處金相，左側為焊縫區(qū)，由細小交錯的針狀馬氏體組織構成，因其形核于長大的奧氏體晶粒內部及晶界，生長方向無序，相互制約，使得晶粒細小，右側為HAZ，可見板條狀馬氏體粗晶。圖4(b)為ER308焊絲焊縫熔合線，即圖3中B處金相，左側為焊縫區(qū)，可見大量柱狀晶結構，晶粒非常粗大，且?guī)缀醮怪庇谌酆暇€向焊縫中心生長，右側為HAZ粗晶。柱狀晶晶界為裂紋的擴展提供了潛在的通道，焊縫組織粗大是造成性能降低的主要原因。

圖4 焊縫顯微組織Fig.4 Microscopic structure of weld seam

2.3 XRD分析

對兩種焊縫中心部位進行XRD測試，得到圖5譜圖。從圖5中可以看出，采用ER50-6焊絲的焊縫其主要成分是體心四方的馬氏體組織，并無殘留奧氏體存在，其擇優(yōu)取向為(110)(200)(211)晶面，而采用ER308不銹鋼焊絲的焊縫主要成分是面心立方的奧氏體組織，其擇優(yōu)取向為(111)(200)(220)晶面。

圖5 不同焊絲焊縫的XRD譜線Fig.5 XRD of weld seams with different welding wires

2.4 顯微硬度分布

通過對逐行掃描得到焊縫接頭顯微硬度面分布，如圖6所示，其中圖6(a)為ER50-6焊絲焊縫，圖6(b)為ER308焊絲焊縫，二者差異較大。

圖6 焊縫接頭顯微硬度面分布Fig.6 Microhardness distribution of weld seams

在圖6(a)中，焊縫高硬度區(qū)域主要集中于HAZ，低硬度沿熔合線位置出現(xiàn)，并匯集于焊縫下部，焊縫上部中心也存在硬度較大區(qū)域，但與低硬度區(qū)域過渡不明顯，硬度差較小。在圖6(b)中，高硬度區(qū)域分布于HAZ以及焊縫上部，低硬度出現(xiàn)在焊縫中部及下部，并且焊縫上下部分硬度差值較大，在中部出現(xiàn)明顯的硬度斷崖，同時相較于ER50-6焊絲焊縫，ER308焊絲焊縫的最低硬度值進一步下降。

焊縫作為母材和焊材的混合物，母材的性能對其有重要影響。母材30CrNiMo為強度1 000 MPa級的高強鋼，強度較高的母材會對焊縫金屬產生拘束作用，使焊縫強度得到提高。復合焊的焊縫呈酒杯型，即焊縫上部寬下部窄，焊縫上部有更多的母材熔入焊縫，也使焊縫上部拘束更強，這也是引起焊縫上部硬度大于中下部的原因。同時，高強鋼的淬硬性較大，這也使得HAZ及焊縫上部的硬度陡增。

對焊縫中心從上到下進行元素分布線掃描，獲得能譜如圖7和圖8所示，縱坐標僅表示元素間的相對含量，并非各元素的定量分析。

圖7 ER50-6焊縫中心元素線掃描能譜Fig.7 Element line scanning energy spectrum of ER50-6 weld center

圖8 ER308焊縫中心元素線掃描能譜Fig.8 Element line scanning energy spectrum of ER308 weld center

從圖7可知，ER50-6焊絲焊縫寬度窄，成分相對均勻，合金元素含量非常低。從圖8中可以看出，ER308焊絲焊縫上下部分出現(xiàn)明顯的成分變化，焊縫上部出現(xiàn)富Cr區(qū)域，同時此區(qū)域Fe元素含量相對較少。

在焊縫熔池中，合金元素相當于溶質元素。ER308焊絲中Cr、Ni等合金元素含量較高，相對于ER50-6焊絲，其成分過冷的影響更甚，導致ER308焊絲焊縫凝固過程中晶粒長大的驅動力增大，造成晶粒生長粗大。同時高含量的Cr元素，將使焊縫韌性下降，引起接頭脆化。Cr元素還容易和Fe元素形成置換固熔體，因其原子半徑大于Fe原子，發(fā)生置換的晶格會產生嚴重的畸變，成為金屬內部的高應力集中區(qū)，這也造成焊縫上部硬度的增加。

2.5 拉伸實驗

通過拉伸實驗進一步檢測焊縫力學性能，兩種焊絲焊縫均斷裂在焊縫處，均未發(fā)生頸縮現(xiàn)象，如圖9所示。ER50-6焊絲焊縫斷裂是沿著一側熔合線區(qū)域，ER308焊絲焊縫沿焊縫中心斷裂。結合硬度面分布可以看出，ER50-6焊絲焊縫在熔合線區(qū)域兩側硬度差較大，導致熔合線及其附近區(qū)域成為焊縫的薄弱環(huán)節(jié)，ER308焊絲焊縫中心上下部分硬度的巨大差異導致焊縫中心成為接頭的危險區(qū)域。二者的抗拉強度、條件屈服強度和伸長率見表1.

圖9 拉伸件斷口側面照片F(xiàn)ig.9 Side photos of tensile fracture

表1 拉伸件性能Tab.1 Properties of tensile sample

兩種焊絲焊縫雖然都斷裂于焊縫，但抗拉強度和屈服強度都不低，這和母材的高強性能有關，強度高的母材對焊縫產生拘束，焊縫內部產生沿熔合線指向焊縫中心的拉應力，同時部分高強母材熔入焊縫，使得焊縫強度得以提高，但高強鋼的淬硬性也是導致其焊接性能較差的原因之一，焊縫的應變極低，伸長率分別僅2.4%和1.4%，說明焊縫接頭的韌性非常差。ER50-6焊絲焊縫的所有指標均高于ER308焊絲焊縫的，結合圖4可知，細化的組織能有效提高焊縫的力學性能。

兩種焊縫的斷口形貌如圖10所示。ER50-6焊絲焊縫雖然伸長率低，但斷口分布不少較小的韌窩(見圖10(a))，說明斷裂前經受的塑性變形較小，材料趨于脆性斷裂，韌窩周圍還存在部分準解理面，可觀察到“河流狀”花樣，說明焊縫中的部分區(qū)域加速了裂紋的擴展，從而導致焊縫的伸長率較低。圖10(b)中的ER308焊絲焊縫斷口沒有明顯韌窩存在，脆性斷裂的特征明顯，裂紋沿晶界迅速擴展，粗大的柱狀晶粒產生的大面積晶界，為裂紋擴展提供了天然的“通道”，裂紋一旦產生，擴展極為迅速。

圖10 斷口SEMFig.10 SEM of tensile fracture

3 結論

1)激光- 電弧復合焊接可以單道焊接成型6 mm厚的30CrNiMo高強鋼板，且無需加工坡口，無需焊前預熱，無焊后變形，同時焊接速度1.0 m/min，大大提升了焊接效率。

2)在相同工藝參數(shù)下，ER50-6焊絲焊縫成分更均勻，組織更細小，焊縫呈細密交錯的針狀馬氏體結構，焊縫的強度高達1 197 MPa.

3)兩種焊絲焊縫成分分布的差異使得硬度面分布也出現(xiàn)較大差異，應力集中的部位不同，ER50-6焊絲焊縫的薄弱位置在熔合線附近，而ER308焊絲焊縫的中心位置較為脆弱。

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Research on Mechanical Properties of High-strength Steel Laser-arc Hybrid Welded Joints

YANG Zhen， ZHANG Ping， CAI Zhi-hai， QIN Hang

(National Engineering Research Center for Mechanical Product Remanufacturing, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

6 kW fiber laser-MAG hybrid welding is used for 6 mm-thick 30CrNiMo high-strength steel plate. The microstructure and mechanical properties of the steel plate which were welded with ER50-6 and ER308 wires in the same welding process are studied. The result shows that the ER50-6 weld seam is an acicular martensite, and the ER308 weld seam is a coarse columnar austenite. The welded joints of diverse welding wires have significantly different hardness distributions. The low hardness distribution along the fusion line appears in the ER50-6 weld seam, and the low hardness of ER308 weld seam is concentrated in the lower part of the weld seam center. The corresponding tensile fracture positions are found in the fusion line and the weld seam center, respectively. The energy spectrum shows that the high content of Cr in ER308 weld seam is concentrated in the upper part of the weld seam center, which leads to the increase of hardenability and hardness, and sharp decline in toughness on this part, and finally leads to the weakness of the mechanical properties of the weld seam. The hybrid welding method and ER50-6 wire can be used to weld 6 mm-thick 30CrNiMo steel plate without distortion, and the weld strength is up to 1 197 MPa.

manufaturing technology and equipment; fiber laser; high-strength steel; laser-arc hybrid welding; welded joint; hardness distribution

2016-05-19

楊臻(1986—), 男, 博士研究生。E-mail: 6521456@qq.com

張平(1958—)，男，教授，博士生導師。E-mail:vichile@foxmail.com

TG457.11

A

1000-1093(2017)03-0549-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.03.018