坡口尺寸對激光-電弧復合焊接頭特性影響

解贊華 楊海鋒 王旭友 徐良 崔輝

摘要：研究了坡口尺寸對厚板HQ785T1低合金高強鋼填充ER69-G焊絲激光-電弧復合焊接頭力學性能及微觀組織的影響。試驗結果表明，鈍邊值相同時，坡口角度越大，焊接接頭的抗拉強度越小，焊接接頭各部位的沖擊吸收能量越大;坡口角度相同時，鈍邊值越大，焊接接頭抗拉強度越小，焊接接頭根部中心的沖擊吸收能量越小;硬度從上表面到根部逐漸增大，整個接頭上部焊縫中心硬度最小，低于母材組織，根部焊縫中心硬度值最高。隨鈍邊值的增大，焊接接頭根部碳化物的析出減少，組織略變粗大，一次枝晶發(fā)達粗大。

關鍵詞：坡口尺寸;復合焊;接頭特征

中圖分類號：TG 456.7

Abstract：The effect of groove size on mechanical properties and microstructure of thick plate HQ785T1 low alloy high strength steel welded joint filled by laser-arc hybrid welding process with ER69-G wire was studied. The test results show that the bigger the groove angle is， the smaller the tensile strength of the welded joint is， the lower the impact value of each part of the welded joint is when the size of root face is the same. When the groove angle is the same， the bigger the size of root face is， the lower the tensile strength of the welded joint is， and the lower the impact value of the root center of the welded joint is. The hardness increases gradually from the upper surface to the root， and the hardness of the center of the welded joint is the lowest. The hardness at the center of the root weld is the highest， which is lower than that of the base metal. With the increase of root face size， the precipitation of carbide in the root of welded joint decreases， the structure becomes slightly larger and the primary dendrite is developed and coarse.

Key words：groove size; composite welding; joint characteristics

0?前言

低合金高強鋼因具有比強度高、韌性好等特點，使其在壓力容器、船舶及軍工等領域應用越來越廣泛 [1]。傳統(tǒng)弧焊工藝在焊接低合金高強鋼方面存在若干問題，如易出現焊接冷裂紋、熱影響區(qū)的軟化及脆化等問題。解決低合金高強鋼傳統(tǒng)弧焊存在問題一般采用焊前預熱，預熱不僅惡化了勞動條件，使得焊接工藝過程更為復雜，且在某些條件下難以實施。因此，在保證焊接接頭力學性能的同時，實現低合金高強鋼不預熱焊接具有迫切的工程需求。

激光焊具有精度高、速度快、穿透比大及焊后變形小等特點[2-3]。但激光焊試件裝配要求較高，并且對于厚板焊接，單獨激光自熔焊無法滿足余高等方面的要求。激光-電弧復合焊充分利用了激光和電弧的優(yōu)勢，降低了裝配要求，提高了焊接過程的穩(wěn)定性和焊接效率，是一種高效優(yōu)質的焊接方法。

近年來，隨著激光-電弧復合焊技術的發(fā)展，該焊接工藝可實現低合金高強鋼無預熱條件下的高效優(yōu)質的焊接[4]，并且復合熱源焊接低合金高強鋼在部分領域已得到工程化應用[5]。然而，低合金高強鋼復合焊的研究與應用主要涉及中薄板，對于厚板復合焊以及坡口對接頭性能的影響方面的研究較少。

基于當前低合金高強鋼激光-電弧復合焊工藝現狀，研究了坡口尺寸對大厚板低合金高強鋼激光-MAG復合焊接頭特征的影響，為大厚度低合金高強鋼激光-電弧復合焊的應用提供一定的試驗依據。

1?試驗材料與方法

試驗采用Y形坡口對接焊，單面焊雙面成形，激光熱源為TruDisk6002型激光器，弧焊熱源為Fronius CMT Advanced 4000R nc型焊機，激光與電弧復合的方式為激光在前，電弧在后，光絲間距D=3 mm。試驗原理，如圖1所示。

采用材料為28 mm厚的HQ785T1高強鋼，焊絲為1.2 mm ER69-G，母材及焊絲成分見表1。對HQ785T1高強鋼，取坡口角度α分別為30°，45°，60°，鈍邊分別為5 mm和7 mm，保護氣體80%Ar+20%CO2，焊接工藝參數見表2。

拉伸試驗、沖擊韌性試驗、硬度測試分別按照GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗方法》、GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗方法》和GB/T 2654—2008《焊接接頭硬度試驗方法》進行。采用OLYMPUS PME型光學金相顯微鏡和Quanta 200型掃描電鏡進行微觀組織分析。

2?試驗結果及分析

2.1?力學性能

2.1.1?拉伸性能

拉伸性能是評價焊縫質量的重要指標，對復合焊接頭按照標準進行取樣并進行拉伸試驗分析，接頭拉伸性能測試結果見表3。拉伸試驗結果表明，不同鈍邊值對接板進行激光-MAG復合熱源焊接所得到的焊接接頭均斷于母材，焊接接頭強度高于母材，斷裂位置位于母材。鈍邊值相同時，坡口角度越大，此時得到的焊接接頭的抗拉強度越小;坡口角度相同時，鈍邊值越大，抗拉強度越小。

2.1.2?沖擊性能

沖擊吸收能量是焊接接頭重要的力學性能指標，對不同坡口尺寸的接頭上部中心、上部熔合線、焊縫根部中心及焊縫根部熔合線位置進行-沖擊韌性試驗，試驗結果見表4。

沖擊試驗結果表明，焊縫根部中心的低溫沖擊吸收能量最低;鈍邊值相同時，坡口角度越小，焊縫各部位的沖擊吸收能量也越小;坡口角度相同時，鈍邊值越大，焊縫根部中心的沖擊吸收能量也越小。從沖擊試驗結果可知，對于大厚板、大鈍邊接頭的激光復合焊而言，焊縫根部是其沖擊吸收能量最差的部位。

2.1.3?硬度測試分析

硬度試驗所用典型接頭為鈍邊值5 mm、坡口角度45°的復合焊焊接接頭。硬度測試分為3個方向測試，分別為焊縫上部橫向硬度測試、焊縫根部橫向硬度測試及焊縫中心縱向硬度測試。硬度試驗取樣測試部位及結果，如圖2所示。

由圖2可知，大厚板復合焊接頭焊縫中心硬度從上表面到根部逐漸增大。整個接頭上部焊縫中心硬度最小，低于母材組織，根部焊縫中心硬度值最高。接頭根部焊縫中心硬度值高于母材，熱影響區(qū)出現局部硬化和軟化現象。接頭上部焊縫硬度值低于母材，熱影響區(qū)也出現了局部硬化和軟化現象。復合焊接頭硬化、軟化區(qū)較窄，約為0.25～0.5 mm，硬化和軟化現象不明顯。接頭上部焊縫組織硬度較低的原因在于，使用焊后熔敷金屬抗拉強度大于700 MPa級的焊絲，其抗拉強度低于母材組織，淬硬傾向也較低，故硬度值較母材低。焊縫根部焊縫成形主要靠激光深熔焊，冷卻速度快，淬硬傾向大，故硬度值最高。

2.2?斷口形貌分析

圖3為不同鈍邊值根部焊縫沖擊斷口SEM照片。從圖3可以看出，在坡口尺寸為H=5 mm，α=45°和H=7 mm，α=30°條件下，其焊縫根部位置斷口均由韌窩與準解理面組成的混合形貌，這說明斷裂方式均介于塑性斷裂方式與準解理斷裂方式之間;不同之處在于圖3b中的準解理面區(qū)域所占比例大于圖3a中的準解理面區(qū)域。從沖擊試驗可知，圖3b對應的焊接接頭沖擊吸收能量較小，隨著焊接接頭坡口鈍邊值的增大，焊縫根部碳化物的析出減少，焊縫根部的組織略變粗大，其組織淬硬傾向變大，從而使其沖擊吸收能量有所下降，即鈍邊值的大小影響著最終接頭的沖擊吸收能量，鈍邊值增大時會使其焊縫根部位置的沖擊吸收能量減小。

2.3?微觀組織分析

不同的力學性能反映了不同的組織結構。圖4為不同鈍邊焊縫根部的微觀形貌。從圖4可以看出，在激光-MAG復合焊焊縫坡口尺寸為H=5 mm，α=45°和H=7 mm，α=30°條件下，焊縫根部組織均為粒狀貝氏體，不同點在于圖3b中碳化物的析出量有所減少，微觀組織較圖4a粗大。圖4a焊縫根部組織粗大，主要因為隨著鈍邊值增大，焊縫根部與上部MAG電弧熔池距離較遠，根部接收到的熱量較小，并且根部位置冷卻速度較快，焊縫根部在高溫停留時間較短;而碳化物的析出需要一定的時間及過程，時間短則碳化物析出量就較少，焊縫散熱快則溫度梯度大，使得一次結晶組織長大速度快，最終枝晶組織發(fā)達粗大，粗大的枝晶使得組織脆化。這就佐證了H=7 mm根部沖擊吸收能量較H=5 mm較低的結論。

3?結論

（1）鈍邊值相同時，坡口角度越大，接頭的抗拉強度越小，而焊縫各部位的沖擊吸收能量越大;坡口角度相同時，鈍邊值越大，焊縫根部中心的沖擊吸收能量越小;焊縫接頭中心硬度從上表面到根部逐漸增大。

（2）焊縫根部位置斷口由韌窩與準解理面組成的混合形貌，其斷裂方式均介于塑性斷裂方式與準解理斷裂方式之間;隨著焊接接頭鈍邊值的增大，準解理面區(qū)域所占比例增加。

（3）對不同鈍邊值，焊縫根部組織均為粒狀貝氏體，并且隨著接頭鈍邊值的增大，碳化物的析出量有所減少，組織出現粗大、脆化現象。

參考文獻

[1]?鄒增大.低合金調制高強度鋼焊接及工程應用[M].北京：化學工業(yè)出版社，2000.

[2] 李俐群.鋁合金雙光束焊接特性研究[J].中國激光，2008，35（11）：1783-1788.

[3] 滕彬，楊海鋒，王小朋，等.激光小孔型氣孔產生原因及抑制方法[J].焊接，2015（9）：34-37.

[4] 林尚揚，關橋.中國工程院咨詢項目總結報告：我國制造業(yè)焊接生產現狀與發(fā)展戰(zhàn)略研究[R].北京：中國工程院咨詢項目總結報告，2003.

[5] Bratt C，Noel J.Laser hybrid welding of advanced high strength steels for potential antomotive applications [C].ICALEO 2004. Orlando：Laser Institute of America， 2004：201-210.