Q890D鋼激光-電弧復(fù)合焊冷裂紋敏感性

曹瑜琦， 倪川皓， 易偉， 李建宇

(1.國(guó)家混凝土機(jī)械工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410013；2.中聯(lián)重科股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410013)

0 前言

為滿足節(jié)能減排、綠色環(huán)保的需求，輕量化是工程機(jī)械的必經(jīng)之路。輕量化的主要途徑之一就是進(jìn)一步采用更高級(jí)別的高強(qiáng)鋼，以減少工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件的重量。屈服強(qiáng)度900 MPa級(jí)別的高強(qiáng)鋼，強(qiáng)度高，塑韌性較低，通常認(rèn)為其焊接性主要有以下特點(diǎn)：熱影響區(qū)組織與性能的變化對(duì)焊接熱輸入較為敏感，熱影響區(qū)淬硬傾向增大，對(duì)氫致裂紋敏感性較大。為了防止冷裂紋的產(chǎn)生，通常還要采用焊前預(yù)熱工藝[1-4]。

目前，有不少研究者對(duì)弧焊工藝條件下Q890D高強(qiáng)鋼的焊接性進(jìn)行研究：通過(guò)理論計(jì)算，Q890D鋼碳當(dāng)量0.56%，冷裂紋敏感性0.35，最低預(yù)熱溫度 112 ℃[5]。斜Y形坡口試驗(yàn)表明，對(duì)于Q890D鋼20 mm板厚在室溫下不預(yù)熱MAG焊會(huì)產(chǎn)生裂紋，預(yù)熱100 ℃后不會(huì)產(chǎn)生裂紋；而15 mm和10 mm板厚在室溫下焊接不會(huì)產(chǎn)生裂紋[6]。嚴(yán)格控制層間溫度，Q890D鋼焊縫主要以鐵素體和馬氏體為主，熱影響區(qū)粗晶區(qū)以板條馬氏體為主，細(xì)晶區(qū)以鐵素體和下貝氏體為主[7]。對(duì)30 mm厚Q890D鋼焊接應(yīng)避免過(guò)大的熱輸入，而較佳的熱輸入為12 kJ/cm[8]。

激光-電弧復(fù)合焊通常是指將激光束和電弧兩種物理性質(zhì)、能量傳輸機(jī)制截然不同的熱源復(fù)合在一起，同時(shí)作用在工件表面，對(duì)工件進(jìn)行加熱完成焊接的過(guò)程。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高強(qiáng)鋼的激光復(fù)合焊開(kāi)展了許多研究工作，但主要集中在激光-電弧復(fù)合焊機(jī)理、接頭性能和組織形貌等方面[9-15]，對(duì)冷裂紋敏感性的試驗(yàn)研究較少。

文中通過(guò)對(duì)不同板厚的Q890D鋼采用斜Y形坡口試驗(yàn)，研究其激光-電弧復(fù)合焊冷裂紋敏感性，為Q890D鋼激光-電弧復(fù)合焊工藝的擬定提供參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣材料

試驗(yàn)材料為Q890D高強(qiáng)鋼，化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見(jiàn)表1、表2。焊材為等強(qiáng)匹配的氣體保護(hù)焊實(shí)芯焊絲，牌號(hào)為ER120S-G，直徑為1.2 mm，化學(xué)成分和熔覆金屬的力學(xué)性能分別見(jiàn)表1、表3。激光-電弧復(fù)合焊過(guò)程采用富氬氣保護(hù)，保護(hù)氣體為80%Ar+20%CO2。

表1 Q890D鋼和ER76-G焊絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 Q890D鋼的力學(xué)性能

表3 ER120S-G焊絲熔覆金屬的力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

焊接設(shè)備包括YLS-6000激光器，雙通道，光纖直徑150 μm，以及TPS4000弧焊電源。激光焊接頭為YW52直焊接頭，焦距279 mm，光斑直徑0.205 mm。試板焊接完成后，采用BX53MRF型金相顯微鏡觀察焊接接頭的宏觀形貌和顯微組織，采用HV-1000型顯微硬度計(jì)進(jìn)行焊接接頭截面的顯微硬度試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)方法

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 32260.2—2015《金屬材料焊縫的破壞性試驗(yàn) 焊件的冷裂紋試驗(yàn) 弧焊方法 第2部分：自拘束試驗(yàn)》實(shí)施斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)。共設(shè)計(jì)了不預(yù)熱和預(yù)熱到150 ℃兩組對(duì)比試驗(yàn)，用于評(píng)價(jià)中厚板激光復(fù)合焊根部裂紋敏感性。

斜Y形坡口試驗(yàn)件尺寸如圖1所示，焊縫分為拘束焊縫和試驗(yàn)焊縫兩部分，焊前清理焊道坡口及兩側(cè)20 mm范圍內(nèi)油污鐵銹，露出金屬光澤。拘束焊縫采用人工焊接，焊材與試驗(yàn)焊縫相同。拘束焊縫前預(yù)熱至150 ℃，打底焊電流為160～180 A，電弧電壓為18～20 V，焊接速度30～40 cm/min。填充焊和蓋面焊層間溫度150～250 ℃，焊接電流為250～280 A，電弧電壓26～30 V，焊接速度30～40 cm/min。

圖1 斜Y形坡口試驗(yàn)件尺寸及形狀

在拘束焊縫完成冷卻后，采用激光復(fù)合焊焊接試驗(yàn)焊縫，激光在前引導(dǎo)形成小孔，電弧在后熔覆填充，焊接熱輸入為3.94 kJ/cm，試驗(yàn)焊縫的焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表4。試驗(yàn)焊縫焊完后自然冷卻，靜置48 h后，進(jìn)行裂紋檢測(cè)。

表4 激光-電弧復(fù)合焊工藝參數(shù)

裂紋檢測(cè)分為表面裂紋檢測(cè)和根部裂紋檢測(cè)兩類(lèi)，焊縫表面裂紋采用目視檢查，根部裂紋采用斷面宏觀金相觀察。按GB/T 26955—2011《金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn) 焊縫宏觀和微觀檢驗(yàn)》的規(guī)定切取金相試樣，如圖2所示，以引弧處和弧坑中心之間焊道寬度均勻四等分，5個(gè)剖面與坡口平行。金相試樣采用線切割方法切取，經(jīng)過(guò)打磨、拋光后，用5%的硝酸酒精溶液腐蝕，再采用100倍顯微觀察金相剖面上焊縫金屬和熱影響區(qū)的裂紋。

圖2 裂紋檢測(cè)位置

對(duì)上述4組試樣，按GB/T 2654—2008《焊接接頭硬度試驗(yàn)方法》要求各選擇試驗(yàn)焊縫一個(gè)剖面做維氏硬度試驗(yàn)。根據(jù)焊縫形貌和熱影響區(qū)特點(diǎn)，選擇98 N載荷進(jìn)行17個(gè)點(diǎn)顯微硬度檢測(cè)，具體檢測(cè)點(diǎn)位置如圖3所示。

圖3 維氏硬度檢測(cè)位置

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 斜Y形坡口裂紋試驗(yàn)

圖4為4組斜Y形坡口試驗(yàn)焊縫表面狀態(tài)，從圖4可發(fā)現(xiàn)，除了2號(hào)試樣外，其他3個(gè)試樣均出現(xiàn)貫穿型表面裂紋。表面裂紋率按式(1)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 斜Y形坡口試驗(yàn)裂紋率

圖4 焊縫正面外觀

(1)

式中：Cf為表面裂紋率，%；L為試驗(yàn)焊縫長(zhǎng)度， mm；∑lf為表面裂紋總長(zhǎng)度，mm。

圖5為4組試樣的焊縫斷面宏觀形貌，從圖中可發(fā)現(xiàn)，表面裂紋從試驗(yàn)焊縫的上表面萌生，一直貫穿到焊縫底部。根部裂紋從底部萌生，擴(kuò)展延伸區(qū)域較表面裂紋更小。剖面(根部)裂紋率按照式(2)測(cè)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

圖5 焊縫斷面宏觀形貌

(2)

式中；Cs為剖面裂紋率，%；H為試驗(yàn)焊縫最小厚度， mm；Hc為根部裂紋的高度，mm；高度小于0.5 mm的缺陷(Hc≤0.5 mm)不視為氫致裂紋。

由表5可以看出，15 mm厚Q890D鋼在室溫下焊接，表面裂紋率100%，根部裂紋率11%；在150 ℃預(yù)熱條件下焊接，表面裂紋率和根部裂紋率均為0。20 mm厚Q890D鋼在室溫下焊接，表面裂紋率100%，根部裂紋率11%；在150 ℃預(yù)熱條件下焊接，表面裂紋率為100%，根部裂紋率均為12%。分析其原因，在焊接熱輸入相同的條件下，板厚越厚，焊縫熔池的冷卻速度越快，焊縫區(qū)形成淬硬組織越多，出現(xiàn)冷裂紋的傾向越大。對(duì)板厚為15 mm的Q890D高強(qiáng)鋼，在文中焊接工藝參數(shù)條件下，可以通過(guò)焊前預(yù)熱，消除焊后冷裂紋的出現(xiàn)。但是，對(duì)于板厚20 mm的Q890D高強(qiáng)鋼，采用焊前預(yù)熱已無(wú)法消除或者減少焊后冷裂紋的出現(xiàn)，需調(diào)整焊接規(guī)范，如降低焊接速度，提高焊接熱輸入，以降低焊縫熔池的冷卻速度，進(jìn)而減小焊接接頭的冷裂紋傾向。

2.2 硬度試驗(yàn)

圖6為4組焊接試樣焊接接頭各測(cè)量點(diǎn)維氏硬度分布，從圖6a可看出，與不預(yù)熱相比，15 mm厚Q890D鋼焊前預(yù)熱150 ℃條件下，焊縫區(qū)平均硬度從450 HV下降至405 HV，熱影響區(qū)平均硬度從428 HV下降至418 HV。從圖6b可看出，與不預(yù)熱相比，20 mm厚Q890D鋼焊前預(yù)熱150 ℃，焊縫區(qū)平均硬度從432 HV下降至425 HV，熱影響區(qū)平均硬度從457 HV下降至444 HV。顯然，通過(guò)采用焊前預(yù)熱，可以在一定程度上降低焊接接頭的硬度，提高其的塑性，進(jìn)而降低Q890D的淬硬傾向。

在相同的焊接參數(shù)和外部環(huán)境下，焊后冷卻速度越快，熱影響區(qū)的淬硬傾向也越大。與15 mm厚Q890D鋼相比，20 mm厚鋼板冷速快，其熱影響區(qū)硬度也更高，最高值達(dá)到了462 HV。

從圖6還可看出，試樣熱影響區(qū)的硬度分布不均勻，且存在軟化現(xiàn)象，在熱影響區(qū)靠近母材一側(cè)硬度比母材低，此處稱(chēng)為軟化區(qū)。與母材硬度相比，15 mm厚和20 mm厚Q890D鋼軟化區(qū)硬度降幅分別為6%和7%，二者化基本相同。

圖6 顯微硬度分布

為明確顯微組織對(duì)硬度和性能的影響，對(duì)試樣焊接接頭顯微組織進(jìn)行了觀察和分析。圖7為2號(hào)和4號(hào)試樣的焊接接頭顯微組織，從圖中可以看出，2組試樣焊縫組織均由馬氏體組成，整體上差異不大；但2組試樣的熱影響區(qū)均發(fā)生了不完全相變，該區(qū)域組織由回火索氏體和部分馬氏體組成。顯然，同樣采用焊前預(yù)熱150 ℃，20 mm厚Q890D的熱影響區(qū)馬氏體數(shù)量比15 mm厚Q890D鋼更多，這是因?yàn)槠浒搴窀瘢鋮s速度更快，更多的固相組織發(fā)生了發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。

圖7 焊接接頭顯微組織

3 結(jié)論

(1)在3.94 kJ/cm熱輸入下，15 mm厚Q890D鋼預(yù)熱150 ℃后焊接，無(wú)冷裂紋出現(xiàn)，不預(yù)熱焊接，則會(huì)產(chǎn)生表面裂紋和根部裂紋；相同的熱輸入下20 mm厚Q890D鋼預(yù)熱150 ℃和不預(yù)熱焊接，均會(huì)產(chǎn)生表面裂紋和根部裂紋。

(2)通過(guò)采用焊前預(yù)熱，可以在一定程度上降低焊接接頭的硬度，進(jìn)而降低Q890D的淬硬傾向。與焊前不預(yù)熱相比，采用焊前預(yù)熱150 ℃，15 mm厚Q890D鋼熱影響區(qū)平均硬度從428 HV下降至418 HV。20 mm厚Q890D鋼熱影響區(qū)平均硬度從457 HV下降至444 HV。

(3)熱影響區(qū)存在軟化現(xiàn)象，在熱影響區(qū)靠近母材一側(cè)硬度比母材低，15 mm厚和20 mm厚Q890D鋼軟化區(qū)硬度降幅分別為6%和7%，二者基本相同。

(4)Q890D鋼焊縫區(qū)組織均由馬氏體組成，熱影響區(qū)組織由回火索氏體和部分馬氏體組成。與15 mm厚Q890D鋼相比，20 mm厚Q890D鋼的熱影響區(qū)中更多的固相組織發(fā)生了發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。