陳 浮,黃治軍,鐘如濤

(寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,湖北 武漢 430080)

1 概述

隨著我國汽車工業(yè)、交通運(yùn)輸及鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)的不斷進(jìn)步,交通運(yùn)輸設(shè)備及一些鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品向大型化、輕量化、高載荷方向發(fā)展,對(duì)鋼材的強(qiáng)韌性、成形性、焊接性等提出更嚴(yán)苛的技術(shù)要求。WYS700是Nb、Ti微合金化高強(qiáng)鋼,抗拉強(qiáng)度達(dá)到750 MPa以上,兼具良好的折彎性、焊接性,在結(jié)構(gòu)減重節(jié)能方面發(fā)揮重要作用。焊接是高強(qiáng)鋼應(yīng)用中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),焊接過程中鋼材經(jīng)歷了不同的熱循環(huán)作用形成焊接熱影響區(qū),綜合性能往往低于母材及焊縫,是制約鋼種推廣應(yīng)用的關(guān)鍵所在[1-2]。

熔化極氣體保護(hù)焊是一種明弧焊接方法,焊接過程焊接質(zhì)量易于控制,焊接效率高,是低合金高強(qiáng)鋼常用的焊接方法。近年來,發(fā)展迅猛的激光復(fù)合焊結(jié)合了激光和氣體保護(hù)焊的主要優(yōu)點(diǎn),激光和電弧相互作用,過程更穩(wěn)定,焊接速度大幅提升。復(fù)合焊接熱輸入較低,可形成更加精細(xì)的晶粒結(jié)構(gòu)并最大限度減小母材稀釋作用及焊接結(jié)構(gòu)變形,以實(shí)現(xiàn)焊接熱影響區(qū)高性能[3-4]。

本文通過采用熔化極氣體保護(hù)焊、激光焊及激光復(fù)合焊等焊接方法,對(duì)2.5 mm規(guī)格的WYS700鋼板進(jìn)行了焊接試驗(yàn)研究,為鋼種的焊接工藝制定提供依據(jù)。

2 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用鋼為2.5 mm規(guī)格的WYS700鋼,其特征金相組織如圖1所示,主要為鐵素體+珠光體,夾雜物級(jí)別為D0.5,晶粒度大小為10.5級(jí)。

圖1 WYS700特征金相組織Fig.1 WYS700 characteristic metallographic structure

其化學(xué)成分、力學(xué)性能見表1、2。

表1 WYS700化學(xué)成分Table 1 Chemical compositions of WYS700 %

表2 WYS700力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of WYS700

結(jié)構(gòu)用低合金高強(qiáng)鋼的焊接材料選擇如沒有特殊成分要求一般遵循等強(qiáng)原則。有研究表明,在強(qiáng)度較高、結(jié)構(gòu)拘束較大、鋼材焊接冷裂紋傾向較大的情況下可選擇低強(qiáng)匹配,但強(qiáng)度差應(yīng)小于25%[5-6]。WYS700雖然強(qiáng)度較高,但塑性較好規(guī)格薄,根據(jù)通常應(yīng)用場景選擇與之名義強(qiáng)度匹配的WER70氣體保護(hù)焊絲,焊絲直徑1.2 mm,焊絲熔敷金屬化學(xué)成分及性能見表3、4。

表3 焊絲熔敷金屬化學(xué)成分 Table 3 Chemical compositions of welding material deposited metal %

表4 焊絲熔敷金屬性能Table 4 Properties of welding material deposited metal

2.1 氣體保護(hù)焊接工藝

焊接試驗(yàn)設(shè)備為LINCOLN POWER WAVE 455,焊接試板規(guī)格為500 mm×150 mm×2.5 mm,采用混合氣體(80%Ar+20%CO2,體積分?jǐn)?shù))保護(hù),氣體流量為18 L/min。焊接極性為直流反接,焊接試板不預(yù)熱,不開坡口,裝配無間隙。正面反面各施焊一道。焊層圖見圖2,焊接工藝參數(shù)按表5執(zhí)行,焊接方向縱向。焊接環(huán)境溫度為20 ℃,濕度為75%。

圖2 氣體保護(hù)焊層圖Fig.2 Diagram of GMAW layer

表5 氣體保護(hù)焊接試驗(yàn)工藝Table 5 GMAW test procedure

2.2 激光及激光復(fù)合焊接工藝

焊接所采用的激光器為IPG-YLS-5000W光纖激光器,復(fù)合焊所用焊絲為WER70,弧焊機(jī)為FRONIUS TPS400i。保護(hù)氣體為純氬氣,流量為20 L/min。焊接試板不預(yù)熱,不開坡口,裝配無間隙。正面施焊一道。焊層圖見圖3,焊接工藝參數(shù)按表6執(zhí)行,焊接方向縱向。焊接環(huán)境溫度為25 ℃,濕度為75%。

圖3 激光及激光復(fù)合焊層圖Fig.3 Laser and laser hybrid welding layer

表6 激光及激光復(fù)合焊接試驗(yàn)工藝Table 6 Laser and laser hybrid welding test procedure

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

焊接接頭力學(xué)性能試樣按照GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》、GB/T2653—2008《焊接接頭彎曲及壓扁試驗(yàn)方法》制取,采用WAW電液伺服萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測試。金相試樣取焊接接頭全橫截面,經(jīng)5%硝酸酒精溶液腐蝕采用OLYMPUSGX71光學(xué)顯微鏡觀察接頭各區(qū)金相組織,并用QNESS維氏硬度計(jì)對(duì)接頭各區(qū)進(jìn)行HV10硬度檢測。

3.1 氣體保護(hù)焊接試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)氣體保護(hù)焊接試板進(jìn)行了力學(xué)性能檢驗(yàn),拉伸彎曲試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出:混合氣體保護(hù)焊接接頭抗拉強(qiáng)度(Rm)為786～851 MPa,斷裂位置在母材。冷彎試驗(yàn)中,彎心直徑d=a,180°不合格;彎心直徑d=2a,180°不合格,90°合格;彎心直徑d=3a,120°、180°均合格。說明接頭具有良好的強(qiáng)塑性,對(duì)焊接接頭冷彎成形中,彎心直徑在2a以上比較適合,并且反映出焊接工藝參數(shù)合適。

表7 氣體保護(hù)焊接接頭拉伸彎曲試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Tensile bending test results of GMAW joints

對(duì)接頭進(jìn)行了維氏硬度試驗(yàn)。測試接頭HV10硬度值,每0.5 mm測試一點(diǎn),試驗(yàn)部位從基材到焊縫全接頭斷面,如圖4所示。

圖4 硬度試驗(yàn)位置Fig.4 Hardness test location

接頭硬度試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。從圖形可以看出,焊接接頭硬度分布變化明顯,硬度最高值、最低值均出現(xiàn)在熱影響區(qū),但沒有出現(xiàn)冷裂紋,從強(qiáng)度拉伸試驗(yàn)看,也沒有出現(xiàn)明顯軟化現(xiàn)象。其HV10硬度值在200上下浮動(dòng),另一側(cè)硬度最低值HV10為166。焊縫與母材相當(dāng),因?yàn)闇y試部位在上下兩道焊縫的結(jié)合位置,此處母材金屬容易過渡到焊縫中?？傮w接頭硬度有波動(dòng),但這些波動(dòng)沒有影響接頭使用性能。

圖5 氣體保護(hù)焊接接頭硬度Fig.5 Hardness of GMAW joint

WYS700鋼氣體保護(hù)焊接接頭宏觀及各區(qū)特征金相組織如圖6所示。圖6(a)為接頭宏觀形貌,可以看出焊接熔合良好,沒有缺陷存在;圖6(b)為焊縫組織,為針狀鐵素體+先共析鐵素體;圖6(c)為熱影響區(qū)粗晶區(qū)(CGHAZ),峰值溫度通常達(dá)到1 000 ℃以上,經(jīng)焊接熱循環(huán)后為粗大板條貝氏體組織;圖6(d)為熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)(FGHAZ),在焊接熱循環(huán)中峰值溫度也大于Ac3,組織經(jīng)完全奧氏體化后形成細(xì)小貝氏體+珠光體組織;圖6(e)為臨界熱影響區(qū)(ICHAZ),在焊接熱循環(huán)過程中母材組織部分相變,形成貝氏體+少量珠光體組織。

圖6 氣體保護(hù)焊接接頭特征金相組織Fig.6 Characteristic metallographic structure of GMAW joint

3.2 激光及激光復(fù)合焊接試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)激光及激光復(fù)合焊接試板進(jìn)行不同工藝焊接接頭宏觀形貌比較和力學(xué)性能檢驗(yàn)。拉伸彎曲試驗(yàn)結(jié)果見表8,焊接接頭抗拉強(qiáng)度(Rm)為770～859 MPa,斷裂位置在母材。冷彎試驗(yàn)中,激光+MAG復(fù)合焊接接頭彎心直徑d=3a,180°合格,激光及激光填絲焊接接頭冷彎性能不合格,結(jié)合焊接工藝分析,激光及激光填絲焊接熱輸入下降,導(dǎo)致接頭焊接熱循環(huán)過程中冷速加快,降低接頭的塑性。各不同焊接工藝及接頭宏觀形貌如表9及圖7所示。

表8 焊接接頭拉伸彎曲試驗(yàn)結(jié)果Table 8 Tensile bending test results of GMAW joints

表9 不同激光及激光復(fù)合焊接工藝成形性Table 9 Different laser and laser+MAG hybrid welding procedure forming

圖7 不同激光及激光復(fù)合工藝焊接接頭形貌Fig.7 Welding joint morphology of different laser+MAG and laser hybrid welding procedure

從圖7可以看出,1#、3#、4#、7#工藝成形性良好,1#工藝為激光焊接,3#工藝為激光+填絲焊接;4#、7#工藝為激光+MAG復(fù)合焊接,焊縫一次性全熔透,焊道飽滿,沒有咬邊及塌陷缺陷。2#、6#、8#工藝成形尚可,2#工藝是激光+焊絲填充,焊縫背面填充稍顯不足,在焊接激光功率一定的條件下,可通過降低送絲和焊接速度來調(diào)整;6#、8#工藝為激光+MAG焊接,從宏觀可見激光主要作用焊縫熔深,MAG作用焊縫填充,由于兩個(gè)熱源配合欠缺,焊縫填充和熔深的配合欠缺。5#、9#工藝為激光+MAG焊接,由于焊接對(duì)中及兩個(gè)熱源的參數(shù)不匹配,會(huì)造成焊縫出現(xiàn)未熔合、未焊透等缺陷。從試驗(yàn)結(jié)果可以推理,對(duì)于3 mm及以下WYS700高強(qiáng)鋼,采用激光焊接工藝是可行的,在對(duì)焊縫金屬有成分要求時(shí)可加入焊絲進(jìn)行調(diào)整。激光+MAG復(fù)合焊接更適合厚板一次焊接成形,能更好地發(fā)揮激光熔深和MAG填充調(diào)整的作用,但此時(shí)激光功率與MAG電弧大小分配及焊接速度的協(xié)同,對(duì)焊縫成形極為重要[7]。

4 結(jié)論

(1) 2.5 mm規(guī)格WYS700鋼匹配WER70焊絲進(jìn)行混合氣(80%Ar+20%CO2)保護(hù)焊接,焊接線能量控制在4.7 kJ/cm左右,接頭沒有出現(xiàn)明顯軟化現(xiàn)象。焊接工藝及焊接接頭性能均滿足鋼種使用要求。

(2) 對(duì)WYS700進(jìn)行了激光焊接、激光+焊絲及激光+MAG復(fù)合焊接試驗(yàn),焊接材料選用WER70。從焊縫成形效果來看,采用0.54 kJ/cm激光焊接,0.77 kJ/cm激光匹配填絲焊接,2.5 kJ/cm、3.2 kJ/cm激光匹配脈沖MAG焊接這三種焊接工藝可行。但激光功率與MAG電弧大小分配及焊接速度的協(xié)同,對(duì)焊縫成形及性能極為重要。從實(shí)際焊接工藝考慮,此類薄板(厚度小于3 mm)可以直接采用激光熱源焊接或常規(guī)弧焊熱源焊接,但需要根據(jù)接頭性能技術(shù)要求選擇。激光匹配弧焊熱源在厚規(guī)格鋼板的焊接中應(yīng)用可極大發(fā)揮激光深熔透的作用,對(duì)一次焊接成形、減小熱影響區(qū)有積極作用。