20鋼-Q345C管接頭超窄間隙激光填絲焊研究

欒偉麗，朱忠尹

（1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都 610031）

0 前言

激光焊是以激光作為熱源進(jìn)行加熱的一種高能束焊接方法，由于激光能量密度高度集中、焊接速度快、生產(chǎn)效率高、焊后工件變形極小，近年來受到了廣泛關(guān)注。但是激光自熔焊對(duì)接頭裝配間隙要求嚴(yán)格，所允許的間隙量最大不超過板厚的10%。此外，激光自熔焊單道可焊厚度受激光功率制約，且無法根據(jù)性能要求調(diào)節(jié)焊縫成分，極大限制了其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用[1-2]。

采用超窄間隙激光填絲焊技術(shù)焊接中厚鋼板，可以通過填充金屬來改變焊縫區(qū)的成分與組織，使焊縫成分的調(diào)整更加方便，從而提高接頭的綜合性能，改善激光自熔焊對(duì)坡口間隙的適應(yīng)性和容錯(cuò)性，克服了激光自熔焊對(duì)坡口間隙敏感的缺點(diǎn)，并且焊縫熱影響區(qū)和焊接應(yīng)力變形較小。與激光+MIG復(fù)合焊相比，由于坡口尺寸極小，不受MIG焊槍尺寸的限制，只要使用適應(yīng)于超窄間隙坡口尺寸的送絲機(jī)構(gòu)，即可利用中小功率的激光器實(shí)現(xiàn)中厚板的多道焊接，焊后工件變形非常小，接頭應(yīng)力大幅度降低，具有較大的工程應(yīng)用價(jià)值[3-5]。

1 試驗(yàn)材料及焊接工藝

被焊材料為20鋼與Q345C，坡口形式如圖1所示，焊絲牌號(hào)為CHW-55CNH，直徑1.2 mm，其化學(xué)成分如表1所示，焊接工藝參數(shù)如表2所示。

圖1 20鋼-Q345C管坡口形式

表1 CHW-55CNH焊絲化學(xué)成分%

表2 20鋼-Q345C管窄間隙激光填絲焊工藝參數(shù)

根據(jù)歐標(biāo)EN ISO 4136 Ed 2011標(biāo)準(zhǔn)對(duì)20鋼-Q345C管窄間隙激光填絲焊焊接接頭取2個(gè)拉伸試樣。根據(jù)歐標(biāo)EN ISO 5173 Ed2010標(biāo)準(zhǔn)對(duì)20鋼-Q345C管窄間隙激光填絲焊焊接接頭取4個(gè)彎曲試樣，當(dāng)厚度大于等于12 mm時(shí)可由4個(gè)側(cè)彎試驗(yàn)代替2個(gè)正彎和2個(gè)背彎試驗(yàn)，試驗(yàn)機(jī)型號(hào)為YNS 1000電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)。利用FM-700型顯微硬度儀測(cè)量焊接接頭表面（包括母材和熱影響區(qū)）的維氏硬度分布。根據(jù)歐標(biāo)EN ISO 9016 Ed 2011標(biāo)準(zhǔn)對(duì)20鋼-Q345C管窄間隙激光填絲焊焊接接頭取3個(gè)沖擊試樣進(jìn)行整體焊縫沖擊（標(biāo)準(zhǔn)樣），沖擊試驗(yàn)采用金屬材料儀器化沖擊試驗(yàn)機(jī)在-40℃條件下進(jìn)行。采用Neophot-32數(shù)碼金相顯微鏡觀察焊接接頭的母材、焊核區(qū)、熱機(jī)影響區(qū)及熱影響區(qū)的顯微組織。金相腐蝕液為混合酸溶液。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 拉伸及彎曲試驗(yàn)結(jié)果

20鋼-Q345C管窄間隙激光填絲焊焊接接頭2個(gè)拉伸試樣拉斷后形貌如圖2所示。測(cè)試數(shù)值如表3所示。

圖2 20鋼-Q345C管窄間隙激光填絲焊焊接接頭拉伸試樣拉斷后形貌

表3 20鋼-Q345C管窄間隙激光填絲焊焊接接頭拉伸試驗(yàn)數(shù)值

由圖2可知，拉伸試樣斷裂位置均在母材；由表3可知，試樣的平均抗拉強(qiáng)度為492.5 MPa，試驗(yàn)拉伸性能合格。

4個(gè)彎曲試樣側(cè)彎后形貌如圖3所示。由圖3可知，20鋼-Q345C管窄間隙激光填絲焊焊接接頭彎曲試樣表面均未出現(xiàn)裂紋，彎曲性能合格。

2.2 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

沖擊試樣斷口形貌如圖4所示，沖擊吸收功如表4所示。由表4可知，沖擊試樣吸收功均大于標(biāo)準(zhǔn)27 J，沖擊性能合格。

圖3 20鋼-Q345C管窄間隙激光填絲焊焊接接頭彎曲試樣側(cè)彎后形貌

表4 20鋼-Q345C管窄間隙激光填絲焊焊接接頭沖擊吸收功

2.3 顯微硬度試驗(yàn)結(jié)果

處理獲得的數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖5所示。可以看出，測(cè)量焊縫下表面硬度時(shí)（即鈍邊10 mm區(qū)間），最高硬度值出現(xiàn)在焊縫，這是由于激光自熔焊熱輸入較大，冷卻速度快，有淬硬傾向，所以焊縫硬度最高。而焊縫上表面硬度分布在熱影響區(qū)和焊縫出現(xiàn)較大變化，下降趨勢(shì)陡峭，聯(lián)系其金相組織可以看出，熱影響區(qū)中組織主要為魏氏組織，而焊縫中心主要成分則是沿晶界析出的先共析鐵素體和晶界內(nèi)的針狀鐵素體和珠光體，從而導(dǎo)致熱影響區(qū)硬度相比于焊縫有較大變動(dòng)，其焊縫硬度平均值為250 HV。從圖5中圓點(diǎn)線分布情況（即激光自熔焊與激光填絲焊焊縫搭接處）可以發(fā)現(xiàn)，硬度最高的區(qū)域?yàn)楹缚p區(qū)。熱影響區(qū)的硬度隨著與焊縫距離的增加，下降較為平緩，這是由于焊縫重熔對(duì)上一道焊縫形成回火處理，細(xì)化了晶粒，導(dǎo)致硬度下降。

圖5 20鋼-Q345C管硬度曲線分布

2.4 微觀組織分析試驗(yàn)結(jié)果

2.4.1 20鋼-Q345C管窄間隙焊接接頭母材微觀組織

20鋼管微觀組織如圖6所示，其母材組織由片狀珠光體和鐵素體構(gòu)成。Q345C管微觀組織如圖7所示，其組織也同樣為珠光體和鐵素體，然而其晶粒與20鋼相比較為粗大。

圖6 20鋼母材微觀組織

圖7 Q345C母材微觀組織

2.4.2 20鋼-Q345C管窄間隙激焊接接頭激光自熔焊焊縫微觀組織

20鋼-Q345C管純激光焊縫處和熱影響區(qū)的微觀組織分別如圖8、圖9所示。由圖8可知，焊縫區(qū)組織呈柱狀晶生長(zhǎng)，這是由于在激光焊接過程中，激光照射范圍極小、溫度極高，溫度梯度大，凝固迅速，純激光焊縫組織主要為先共析鐵素體沿晶界生長(zhǎng)，晶內(nèi)組織主要為珠光體。由圖9可知，先共析鐵素體沿晶界析出，魏氏組織鐵素體由晶界向晶內(nèi)生長(zhǎng)，晶內(nèi)黑區(qū)為珠光體。

圖8 純激光焊縫處焊縫區(qū)微觀組織

圖9 純激光焊縫處熱影響區(qū)微觀組織

2.4.3 20鋼-Q345C管窄間隙焊接接頭激光填絲焊處微觀組織

20鋼-Q345C管激光填絲焊處整體形貌如圖10所示。在激光填絲焊處焊縫主要分為4個(gè)部分：焊縫區(qū)、過熱區(qū)、正火區(qū)和不完全正火區(qū)。

圖10 20號(hào)鋼-Q345C管激光填絲焊處整體形貌

20鋼-Q345C管激光填絲焊處的焊縫區(qū)組織如圖11所示，白色為先共析鐵素體沿柱狀晶分布，無碳貝氏體沿晶界向晶內(nèi)平行生長(zhǎng)，晶內(nèi)有針狀鐵素體、粒狀貝氏體和珠光體。過熱區(qū)微觀組織如圖12所示，其組織發(fā)生粗大變化，網(wǎng)狀晶界明顯，白色先共析鐵素體沿晶界析出，晶內(nèi)黑色區(qū)域?yàn)橹楣怏w和粒狀貝氏體。

圖11 激光填絲焊焊縫處焊縫區(qū)微觀組織

圖12 激光填絲焊焊縫處過熱區(qū)微觀組織

正火區(qū)和不完全正火區(qū)組織分別如圖13、圖14所示。正火區(qū)組織為均勻分布的鐵素體和珠光體，晶粒細(xì)小，組織均勻，力學(xué)性能優(yōu)異，細(xì)小的鐵素體與珠光體混雜分布。不完全正火區(qū)一部分晶粒發(fā)生重結(jié)晶過程，變得細(xì)小而均勻，其組織為鐵素體和珠光體，其余部分則與母材一致，因此性能介于正火區(qū)與母材之間。

圖13 激光填絲焊焊縫處正火區(qū)微觀組織

4 結(jié)論

（1）20鋼-Q345C管窄間隙激光填絲焊的拉伸強(qiáng)度、彎曲性能和沖擊性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖14 激光填絲焊焊縫處不完全正火微觀組織

（2）由于激光自熔焊熱輸入較大，冷卻速度快，有淬硬傾向，所以焊縫硬度最高。熱影響區(qū)中組織主要為魏氏組織，而焊縫中心主要成分則是沿晶界析出的先共析鐵素體以及晶界內(nèi)的針狀鐵素體和珠光體。母材組織為片狀珠光體和鐵素體。

（3）超窄間隙激光填絲焊技術(shù)焊接20鋼-Q345C管具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值。