張書生　鐘立明

摘要： 采用光纖激光-MAG復(fù)合焊接技術(shù)對(duì)10 mm厚Q355B試板進(jìn)行單道焊接，利用激光和電弧形成的復(fù)合熱源實(shí)現(xiàn)大熔深及熱輸入的控制。試驗(yàn)結(jié)果表明，焊縫金屬組織主要為鐵素體和部分珠光體，激光熱源作用區(qū)較電弧熱源作用區(qū)的熱影響區(qū)小、鈍邊區(qū)域的焊縫組織細(xì)小。焊接接頭屈服強(qiáng)度429 MPa，斷口位置發(fā)生在母材上，拉伸斷口形貌為韌窩斷裂。母材與焊縫沖擊斷口形貌均主要為準(zhǔn)解理斷裂。激光熱源主要作用的焊縫硬度約為269 HV，電弧熱源主要作用焊縫硬度約為255 HV。

關(guān)鍵詞： 激光-電弧復(fù)合焊接; 顯微組織; 力學(xué)性能

中圖分類號(hào)： TG 456.7

Microstructure and mechanical properties of 10 mm thick Q355B

laser-arc hybrid welded joint

Zhang Shusheng， Zhong Liming

（SIASUN Robot & Automation Co.， Ltd.， Shenyang 110167， Liaoning， China）

Abstract： Fiber laser-MAG hybrid welding technology was used to perform single-pass welding on 10 mm thick Q355B test plate. The hybrid heat source formed by laser and arc was used to achieve large penetration and control of heat input. The test results showed that microstructure of weld metal was mainly composed of ferrite and a small amount of pearlite. The laser heat source zone was smaller than the arc heat source zone and microstructure of weld in blunt edge region was smaller. Yield strength of welded joint was 429 MPa， fracture position occurred on the base metal， tensile fracture morphology was dimple fracture. Fracture morphology of the base metal and weld was mainly quasi-cleavage fracture. Hardness of the weld mainly used by the laser heat source was about 269 HV， and that by the arc heat source was about 255 HV.

Key words：? ?laser-arc hybrid welding; microstructure; mechanical properties

0前言

焊腳高度10 mm以上目前主要采用半自動(dòng)、自動(dòng)熔化極氣保護(hù)多層多道焊接，焊接工藝非常成熟，目前仍存在生產(chǎn)效率低、熱輸入大、焊接飛濺多等缺點(diǎn)。激光具有方向性強(qiáng)、能量集中的熱源優(yōu)勢(shì)可以實(shí)現(xiàn)鑰匙孔深熔焊，激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)是把激光熱源與電弧熱源耦合在一個(gè)區(qū)域進(jìn)行焊接，充分利用兩種熱源的各自優(yōu)點(diǎn)[1-3]。激光-電弧復(fù)合焊接相比于單激光焊接可獲得更大的熔深，由以下幾方面原因構(gòu)成：由于電弧對(duì)工件的加熱，增加了工件對(duì)激光的吸收率;激光等離子體和電弧等離子體的相互作用，電弧等離子體一般會(huì)對(duì)激光等離子體有稀釋作用，因此減小了等離子體對(duì)激光的折射;激光-電弧復(fù)合焊接時(shí)通過采用Y形坡口，激光所需穿透的深度相對(duì)減小，使復(fù)合焊接工件的厚度增加[4-6]。同時(shí)激光可穩(wěn)定電弧，減小電弧焊接飛濺，達(dá)到改善焊縫金屬成形的目的[7-9]。

文中試驗(yàn)采用激光與MAG電弧焊接方法對(duì)10 mm厚Q355進(jìn)行單道全熔透焊接。其研究結(jié)果對(duì)激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)在中厚板結(jié)構(gòu)件全熔透焊接應(yīng)用領(lǐng)域可行性提供一定的試驗(yàn)依據(jù)。

1試驗(yàn)過程

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為10 mm厚的Q355低合金鋼，母材顯微組織如圖1所示。母材晶粒尺寸均勻一致，由鐵素體和部分珠光體組成，組織在軋制狀態(tài)下呈現(xiàn)出平行于軋制方向。試板對(duì)接采用Y形坡口形式：鈍邊高度6 mm、坡口角度40°。電弧采用Φ1.2 mm的ER50-6實(shí)心焊絲，保護(hù)氣體為82%Ar+18%CO₂。

1.2試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)由激光器、焊機(jī)、激光-電弧復(fù)合焊接頭等組成。其中激光器為6 kW的IPG光纖激光器，光纖直徑為Φ150 μm;電弧焊機(jī)采用全數(shù)字化逆變焊接電源福尼斯TPS 500i;激光-電弧復(fù)合焊接頭為：Precitec YW 52+ TBi焊槍+復(fù)合連接機(jī)構(gòu)。激光-電弧復(fù)合焊接系統(tǒng)照片如圖2所示。

2.1焊接工藝

激光-電弧復(fù)合焊接除了激光與電弧各自的工藝參數(shù)之外，兩個(gè)熱源的相對(duì)位置、排列順序等因素都會(huì)對(duì)焊縫金屬成形有較大的影響。該試驗(yàn)在10 mm厚板進(jìn)行激光-電弧復(fù)合焊接時(shí)激光引導(dǎo)在前，激光垂直于焊接方向可以得到更大的熔深，電弧焊槍為推槍焊接有利于焊縫成形。激光工藝參數(shù)：激光功率為5 kW，離焦量為0 mm。電弧工藝參數(shù)：焊接模式采用脈沖一元化，焊接電流為240 A，保護(hù)氣體流量為25 L/min。激光與電弧相對(duì)關(guān)系：激光與電弧間距（指的是工件表面激光與電弧瞄準(zhǔn)點(diǎn)之間的距離）為2 mm，激光與電弧夾角為30°。焊接速度為0.8 m/min，試板組對(duì)間隙0.5 mm。焊縫成形圖片如圖3所示。

2.2顯微組織

該試驗(yàn)激光-電弧復(fù)合焊接中激光和電弧的熱輸入相當(dāng)，焊縫可分為電弧能量主要作用的坡口區(qū)域，基本由填充焊絲與部分熔化的母材共同形成;激光能量主要作用的鈍邊區(qū)域，基本由受激光能量熔化的母材與少部分填充金屬形成。

坡口區(qū)域焊縫金屬最先在靠近熔合區(qū)的母材上非自發(fā)形核，焊接接頭顯微組織如圖4所示。由于坡口區(qū)域焊縫在高溫停留時(shí)間較長，散熱方向決定了晶體生長的方向，形成典型的柱狀晶體結(jié)構(gòu)。隨著溫度的降低，塊狀先共析鐵素體首先沿著柱狀?yuàn)W氏體晶界析出，隨后側(cè)板條鐵素體以板條形式向晶內(nèi)長大，最后在奧氏體晶內(nèi)出現(xiàn)針狀鐵素體。

鈍邊區(qū)域焊縫金屬由于激光的穿透性鑰匙孔效應(yīng)焊接形成的熔池窄小，冷卻速度快能在液相中形成較寬的成分過冷區(qū)，有利于非自發(fā)形核，焊接接頭顯微組織如圖5所示。與坡口區(qū)域焊縫相比沒有形成柱狀晶體結(jié)構(gòu)，晶粒明顯細(xì)化，焊縫組織主要由細(xì)小均勻的針

狀鐵素體組成，針狀鐵素體相互交織在一起，對(duì)提高焊縫金屬的強(qiáng)度起到作用。焊接熱影響區(qū)是焊接接頭的薄弱地帶，由于激光的低熱輸入，鈍邊區(qū)域的熱影響區(qū)域小于坡口區(qū)域，有利于提高焊縫綜合力學(xué)性能。

2.3力學(xué)性能

拉伸試驗(yàn)斷口位置發(fā)生在母材上，由此可知焊接接頭的強(qiáng)度要高于母材，試件拉伸過程應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6所示。復(fù)合焊接接頭屈服強(qiáng)度為429 MPa，斷后伸長率為23%。

焊接接頭在拉伸過程中在母材部位產(chǎn)生頸縮后斷裂，掃面電鏡圖片如圖7所示，拉伸試件斷口的微觀形態(tài)為等軸韌窩，凹坑大小細(xì)小均勻，這說明焊接接頭拉伸斷裂形式為韌性斷裂。

母材與焊接接頭沖擊試樣采用夏比V形缺口，試驗(yàn)溫度為0 ℃。在沖擊過程中首先受到很大的外部沖擊力快速失穩(wěn)擴(kuò)展，典型形貌如圖8所示。母材的斷口形貌主要為準(zhǔn)解理斷裂，撕裂棱明顯。焊縫的斷口形貌主要為準(zhǔn)解理斷裂，并伴有少量的撕裂韌窩，這是由于受電弧熱源的影響，填充金屬材料對(duì)斷口形貌產(chǎn)生的影響。

焊接接頭硬度分布曲線如圖9所示，鈍邊區(qū)域、坡口區(qū)域分別為距離下表面、上表面2 mm的硬度分布曲線。鈍邊區(qū)域焊縫金屬硬度約為269 HV，坡口區(qū)域硬度約為255 HV。歸因于鈍邊區(qū)域焊縫熔池小，冷卻速度快，為均勻細(xì)小的針狀鐵素體和珠光體組織。

3結(jié)論

（1）對(duì)10 mm厚Y形坡口對(duì)接接頭采用激光-電弧復(fù)合單道焊接工藝，焊接工藝參數(shù)：激光功率為5 kW，電弧焊接電流為240 A;激光與電弧間距為2 mm、夾角為30°;焊接速度為0.8 m/min，試板組對(duì)間隙0.5 mm。獲得了良好力學(xué)性能的焊接接頭。

（2）焊縫組織主要為針狀鐵素體及部分珠光體。鈍邊區(qū)域的熱影區(qū)較坡口區(qū)域的窄小，鈍邊區(qū)域的焊縫組織較坡口區(qū)域的細(xì)小。

（3）焊接接頭屈服強(qiáng)度為429 MPa，斷后伸長率為23%，拉伸斷口形貌為等軸韌窩。焊縫的沖擊斷口形貌主要為準(zhǔn)解理斷裂。鈍邊區(qū)域焊縫金屬硬度約為269 HV，坡口區(qū)域硬度約為255 HV。

參考文獻(xiàn)

[1]鐘立明. 耐候鋼厚板的激光-電弧復(fù)合焊接性能研究[D].沈陽： 沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文， 2015.

[2]蔣寶， 雷振， 黃瑞生， 等. 萬瓦級(jí)光纖激光-MAG復(fù)合焊接焊縫成形[J]. 焊接， 2020（6）： 5-11， 32.

[3]聶鑫， 李小宇， 黃瑞生， 等. 鋁合金萬瓦級(jí)激光-MIG電弧復(fù)合焊縫成形[J]. 焊接， 2020（2）： 24-27， 37.

[4]李志勇， 王威， 王旭友， 等. 激光-MAG復(fù)合焊等離子體輻射分析[J]. 焊接學(xué)報(bào)， 2010， 31（3）： 21-28.

[5]嚴(yán)春妍， 張浩， 朱子江， 等. X80管線鋼多道激光-MIG復(fù)合焊殘余應(yīng)力分析[J]. 焊接學(xué)報(bào)， 2021， 42（9）： 28-34， 41.

[6]黃瑞生， 楊義成， 蔣寶， 等. 超高功率激光-電弧復(fù)合焊接特性分析[J]. 焊接學(xué)報(bào)， 2019， 40（12）： 73-77.

[7]劉雙宇， 張宏， 石巖， 等. CO2激光-MAG電弧復(fù)合焊接工藝參數(shù)對(duì)熔滴過渡特征和焊縫形貌的影響[J]. 中國激光， 2010， 37（12）： 3172-3179.

[8]蘇沚汀， 李桓， 韋輝亮， 等. 激光對(duì)脈沖MIG焊熔滴過渡的改善作用[J]. 焊接學(xué)報(bào)， 2016， 37（9）： 91-95.

[9]Han Yongquan， Han Jiao， Chen Yan， et al. Stability of fiber laser-MIG hybrid welding of high strength aluminum alloy [J]. China Welding， 2021， 30（3）： 7-11.