牟梓豪 滕彬 徐鍇

摘要：針對(duì)一種屈服強(qiáng)度1400 MPa新型超高強(qiáng)鋼，對(duì)比分析了在使用低強(qiáng)匹配焊材的條件下MAG和激光-MAG復(fù)合焊的組織及性能差異。2種焊接工藝的成形及截面形貌均連續(xù)均勻，無(wú)氣孔、裂紋、夾渣等微觀缺陷。MAG采用2 mm鈍邊的60°坡口，熱輸入大、冷卻速度較慢，焊縫組織主要為馬氏體+貝氏體組織，焊縫-40℃沖擊吸收能量為45 J，為母材的150%；熱影響區(qū)沖擊吸收能量為30 J，與母材水平相當(dāng)；接頭抗拉強(qiáng)度為1166 MPa，相當(dāng)于母材的69%。激光-MAG復(fù)合焊采用6 mm鈍邊的40°坡口，打底焊焊縫為馬氏體組織；填充焊焊縫為馬氏體+貝氏體組織；焊縫-40℃沖擊吸收能量與MAG相當(dāng)，但熱影響區(qū)的沖擊吸收能量達(dá)到42 J，優(yōu)于MAG和母材；接頭抗拉強(qiáng)度接近1300 MPa，高于MAG 125 MPa，相當(dāng)于母材的76%。激光-MAG復(fù)合焊焊接效率優(yōu)于MAG，達(dá)到MAG的3倍以上。

關(guān)鍵詞：激光-MAG復(fù)合焊； MAG；超高強(qiáng)鋼；顯微組織；力學(xué)性能

中圖分類(lèi)號(hào)： TG 456.7

Comparison of microstructure and mechanical properties between laser-arc hybrid welding and MAG for ultra high strength steel

Mu Zihao， Teng Bin， Xu Kai

（Harbin Welding Institute Limited Company， Harbin 150028， Heilongjiang， China）

Abstract： Microstructure and mechanical properties of a new ultra high strength steel with yield strength of 1400 MPa were compared between MAG and laser-MAG hybrid welding under the condition of low strength matching welding material. Formation and cross-section morphology of the two processes were continuous and uniform， and there were no micro defects such as pores， cracks and slag inclusions.60° groove with 2 mm blunt edge was adopted in MAG， which had large heat input and slow cooling speed. Microstructure of weld was mainly martensite and bainite. Impact absorbed energy of weld at -40℃ was 45 J， which was 150% of base metal. Heat affected zone was 30 J， which was equivalent to base metal. Tensile strength of welded joints was 1166 MPa， which was equivalent to 69% of base metal.40° groove with 6 mm blunt edge was adopted in laser-MAG hybrid welding， backing weld was martensite， and filling weld was martensite and bainite. Impact absorbed energy of weld at -40℃ was equivalent to base metal， while impact absorbed energy of heat affected zone reached 42 J， which was better than that of MAG and base metal. Tensile strength of welded joints was 1300 MPa， higher than MAG 125 MPa， which was equivalent to 76% of base metal. Welding efficiency of laser-MAG hybrid welding was superior to MAG， which reached more than three times that of MAG.

Key words： laser-arc hybrid welding; MAG; ultra high strength steel; micorstructure; mechanical properties

0前言

當(dāng)前能源短缺形勢(shì)日益嚴(yán)重，節(jié)能減排的需求不斷增加，未來(lái)工程機(jī)械勢(shì)必要向輕量化、高效化的方向發(fā)展［1］。使用強(qiáng)度質(zhì)量比更高的超高強(qiáng)鋼是輕量化發(fā)展的重要舉措之一，這類(lèi)材料在具有較高強(qiáng)度時(shí)仍保有良好的塑韌性，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有大量企業(yè)機(jī)構(gòu)開(kāi)展1000 MPa甚至1500 MPa級(jí)別以上超高強(qiáng)鋼的研制與應(yīng)用工作［2］。但是超高強(qiáng)鋼合金成分復(fù)雜，焊后殘余應(yīng)力高，在實(shí)際焊接應(yīng)用中存在接頭強(qiáng)韌性不足、焊后變形大、容易產(chǎn)生裂紋等問(wèn)題［3］。而激光-電弧復(fù)合焊接作為一種新型焊接方法，熱輸入小、熔深大、焊接速度快、工況適應(yīng)性好，已經(jīng)成為高強(qiáng)鋼焊接的研究熱點(diǎn)方向［4-8］。

鮑亮亮等學(xué)者［9］采用焊接熱模擬技術(shù)分析了超高強(qiáng)鋼激光-電弧復(fù)合焊的熱影響區(qū)組織與沖擊韌性之間的關(guān)系，結(jié)果表明：焊接峰值溫度較難抑制裂紋生成，但可以有效地控制裂紋的擴(kuò)展，峰值溫度越高裂紋越容易擴(kuò)展。Turichin等學(xué)者［10］研究了7 mm厚1500 MPa級(jí)超高強(qiáng)鋼及10 mm厚1100 MPa級(jí)超高強(qiáng)鋼的接頭性能，1100 MPa級(jí)超高強(qiáng)鋼接頭強(qiáng)度與母材相當(dāng)；而1500 MPa級(jí)別超高強(qiáng)鋼接頭的強(qiáng)度僅為母材的86%?？梢?jiàn)即使使用板厚較小、強(qiáng)度較高的材料，在經(jīng)歷焊接熱循環(huán)后仍會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度降低的問(wèn)題。stündagˇ等學(xué)者［11］研究了熱輸入及焊接速度對(duì)20 mm厚X120鋼激光-電弧復(fù)合焊接頭性能的影響，結(jié)果表明：較快的冷卻速度可以獲得較好的沖擊韌性及拉伸性能，冷卻速度降低則會(huì)導(dǎo)致組織發(fā)生變化，強(qiáng)韌性下降。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于1000 MPa級(jí)別的超高強(qiáng)鋼的激光-電弧復(fù)合焊研究較為完備，但對(duì)于1400 MPa級(jí)別以上的厚板超高強(qiáng)鋼激光-電弧復(fù)合焊仍處于研發(fā)初級(jí)階段。該研究針對(duì)一款新開(kāi)發(fā)的20 mm厚Q1400超高強(qiáng)鋼開(kāi)展激光-MAG復(fù)合焊工藝研究，可以為未來(lái)厚板超高強(qiáng)鋼焊接的工程實(shí)際應(yīng)用提供一套行之有效的試驗(yàn)依據(jù)。

1試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)?zāi)覆臑閲?guó)內(nèi)某特種鋼廠最新開(kāi)發(fā)的Q1400超高強(qiáng)度鋼，板厚20 mm。焊絲選用徑為1.2 mm的90公斤級(jí)ESAB Weld CF 89低合金鋼焊絲，母材與焊絲的化學(xué)成分見(jiàn)表1，力學(xué)性能見(jiàn)表2。

MAG坡口如圖1所示，坡口角度60°，鈍邊2 mm，間隙2 mm。激光-MAG復(fù)合焊坡口形式如圖2所示，采用V形40°坡口，6 mm鈍邊，不保留間隙，以適應(yīng)激光-MAG復(fù)合焊能量集中的特點(diǎn)。焊前采用機(jī)械打磨的方式去除坡口附近氧化皮，并使用無(wú)水乙醇試劑清洗除去打磨后的油污及其他雜質(zhì)。清理完畢后，將試板兩側(cè)點(diǎn)焊固定，置于紅外加熱烘干爐中進(jìn)行烘干及預(yù)熱工序。試板隨爐加熱至200℃，并在爐中保溫2 h，使整個(gè)試板溫度均勻。焊接過(guò)程中控制道間溫度在100℃左右，每道次之間均清理焊縫表面氧化皮，以防止氧化皮成分對(duì)焊縫性能產(chǎn)生影響。焊后使用石棉包裹試板緩冷，靜置48 h后經(jīng)X射線探傷未發(fā)現(xiàn)缺陷后進(jìn)行組織及力學(xué)性能檢查。

在MAG焊接工藝參數(shù)中，焊絲伸出長(zhǎng)度15 mm，左向焊，焊槍傾角60°，采用多層多道焊工藝方法，分打底焊和填充焊2種焊接工藝參數(shù)，見(jiàn)表3。激光-MAG復(fù)合焊試驗(yàn)平臺(tái)由IPG萬(wàn)瓦級(jí)光纖激光器、Fornius TPS 4000焊機(jī)和KUKA機(jī)器人組成，電弧與激光采用旁軸復(fù)合形式，激光槍頭與豎直方向夾角5°，焊槍與豎直方向夾角40°。光絲間距4 mm，焊絲伸出長(zhǎng)度15 mm。保護(hù)氣體為80%Ar+20%CO2，氣體流量為18～20 L/min。激光-MAG復(fù)合焊接試驗(yàn)采用多層單道焊方法，共焊接5道，分打底焊、填充焊、蓋面焊3種焊接工藝參數(shù)，見(jiàn)表4。

2試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1焊縫成形

圖3及圖4分別為MAG及激光-MAG復(fù)合焊焊縫成形?？梢钥吹?種焊接方法正背面成形連續(xù)均勻，各道次之間熔合情況良好，熔合線過(guò)渡平滑，焊縫中不存在氣孔、夾渣、裂紋、未熔合等缺陷。MAG焊縫的熔寬明顯大于激光-MAG復(fù)合焊，寬約25 mm，而相比之下激光-MAG復(fù)合焊的熔寬僅為17 mm，較大的坡口和熔寬會(huì)使焊縫中強(qiáng)度較低的焊材熔合比例增多，強(qiáng)度較高的母材熔合比例較少，從而使整個(gè)焊接接頭的強(qiáng)度降低。

2.2接頭顯微組織

圖5為MAG焊顯微組織圖，圖5a～圖5c依次為焊縫組織、粗晶熱影響區(qū)組織及細(xì)晶熱影響區(qū)組織。焊縫中心組織為馬氏體+貝氏體組織（圖5a），多層多道焊的后熱作用使馬氏體中的滲碳體均勻析出，晶粒細(xì)化。粗晶熱影響區(qū)同樣為馬氏體+貝氏體組織（圖5b），但其受過(guò)熱影響，原奧氏體晶粒長(zhǎng)大，晶粒粗化，明顯較焊縫中心粗大，并且貝氏體含量較焊縫區(qū)少。細(xì)晶熱影響區(qū)組織（圖5c）與焊縫相似，都是均勻的馬氏體+貝氏體組織。

激光-MAG復(fù)合焊由于其坡口的特殊性，鈍邊較大，打底焊區(qū)域以高功率激光為主要熱源，熱輸入集中，冷卻速度快，熱影響區(qū)小，因此以激光為主要熱源的打底焊區(qū)域和以電弧為主要熱源的填充焊區(qū)域組織會(huì)有明顯的不同。由于激光集中的能量和較快的冷卻速度，焊縫為馬氏體組織，粗晶熱影響區(qū)組織晶粒明顯長(zhǎng)大，但仍為馬氏體組織；而細(xì)晶熱影響區(qū)由于焊接的熱作用，溫度剛達(dá)到Ac3，使母材的馬氏體組織發(fā)生了再結(jié)晶現(xiàn)象，晶粒明顯細(xì)化，裂紋敏感性降低，在不影響強(qiáng)度的前提下大大提高塑韌性，如圖6所示。填充焊區(qū)域是以小激光功率引導(dǎo)電弧高速焊接的工藝方法，主要熱源為電弧熱，冷卻速度慢，同時(shí)后道焊對(duì)前道焊還有熱處理作用。填充焊焊縫是馬氏體+貝氏體組織，強(qiáng)度相較于打底焊區(qū)域會(huì)有一定程度的降低，但塑韌性提升；粗晶熱影響區(qū)主要由粗大的馬氏體組織構(gòu)成，但可以看到有少量粒狀貝氏體分散在馬氏體組織中；而細(xì)晶熱影響區(qū)中的貝氏體含量明顯增加，并且馬氏體組織細(xì)化，強(qiáng)韌性進(jìn)一步提升，如圖7所示。

2.3焊接接頭力學(xué)性能

根據(jù)上述對(duì)MAG和激光-MAG復(fù)合焊組織的分析，依照GB/T 229—2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》分別對(duì)2種焊接方法獲得接頭的焊縫及熱影響區(qū)沖擊韌性進(jìn)行驗(yàn)證，缺口位于焊縫中心和熔合線向外偏移1 mm區(qū)域（熱影響區(qū)）各取3組標(biāo)準(zhǔn)焊縫沖擊試樣進(jìn)行-40℃低溫沖擊試驗(yàn)，沖擊試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。可以看到MAG和激光-MAG復(fù)合焊的焊縫低溫沖擊吸收能量比較接近，都在45 J左右，高于母材的30 J。這是由于多層多道焊的熱循環(huán)作用使焊縫組織得到了充分的細(xì)化，碳化物有充足的驅(qū)動(dòng)力在焊縫組織中析出，韌性都較好。但2種焊接工藝下熱影響區(qū)的低溫沖擊韌性存在區(qū)別。激光-MAG復(fù)合焊的低溫沖擊韌性高于MAG 11 J，這就是由于激光-MAG復(fù)合焊的能量集中，熱影響區(qū)受熱作用明顯小于MAG，晶粒粗化現(xiàn)象較差，有較好的沖擊韌性，同時(shí)也可以更好地抑制熱影響區(qū)冷裂紋的產(chǎn)生。

MAG沖擊試樣斷口如圖8所示，激光-MAG復(fù)合焊沖擊斷口如圖9所示?？梢钥吹?個(gè)區(qū)域的沖擊斷口均可同時(shí)發(fā)現(xiàn)韌窩和解理臺(tái)階的存在，證明均為韌脆混合斷裂模式。但可以發(fā)現(xiàn)激光-MAG復(fù)合焊的沖擊斷口中韌窩數(shù)量較多，并且較多較深，而MAG沖擊斷口中解理臺(tái)階較多，而韌窩較小較淺，分布在撕裂脊附近。從斷口中也可以明顯地判斷出激光-MAG復(fù)合焊無(wú)論是焊縫還是熱影響區(qū)的低溫沖擊韌性均優(yōu)于MAG。

依照GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行MAG和激光-MAG復(fù)合焊焊接接頭的拉伸試驗(yàn)，2種焊接方法均取2個(gè)焊接拉伸試樣，應(yīng)變加載速率為0.00025 s-1，拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6，拉伸試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖10所示。2種焊接方法的拉伸試樣均斷于焊縫，但激光-MAG復(fù)合焊的平均抗拉強(qiáng)度要高于MAG 125 MPa，即高出MAG抗拉強(qiáng)度10%，相當(dāng)于母材抗拉強(qiáng)度的76%。這主要是由于激光-MAG復(fù)合焊能量集中，冷卻速度快，接頭組織主要為強(qiáng)度更高的馬氏體組織；而MAG的組織含有較多的貝氏體組織，馬氏體中過(guò)飽和的碳原子析出，阻礙位錯(cuò)移動(dòng)的錨點(diǎn)變少，強(qiáng)度降低，但塑性有所提高。但激光-MAG復(fù)合焊的塑性略弱于MAG，也是由于硬化組織過(guò)多，馬氏體組織塑性較差，在達(dá)到強(qiáng)度極限后幾乎沒(méi)有屈服發(fā)生即產(chǎn)生斷裂。

綜上可以看出，由于激光-MAG復(fù)合焊坡口小，能量集中，冷卻速度快的優(yōu)勢(shì)，在同樣使用低強(qiáng)匹配焊材的前提下可以獲得比MAG更好的強(qiáng)度和韌性。

2.4焊接效率對(duì)比

常規(guī)弧焊坡口寬，角度大，而激光-MAG復(fù)合焊接坡口窄，鈍邊大，在焊接效率上遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于常規(guī)弧焊。僅需1道打底，4道填充即可焊滿整個(gè)坡口；焊接時(shí)間僅為弧焊的1/3，熱輸入也僅為弧焊的1/2。如果加上焊道清理等工序，整體焊接效率可達(dá)到常規(guī)弧焊的3倍以上。

激光-MAG復(fù)合焊即使在不預(yù)熱的情況下也不會(huì)有裂紋產(chǎn)生，而常規(guī)弧焊則必須在焊前進(jìn)行預(yù)熱，才能避免裂紋的產(chǎn)生。使用激光-MAG復(fù)合焊即可避免這一道焊前準(zhǔn)備工序，節(jié)約了大量的工作時(shí)間。

激光-MAG復(fù)合焊的坡口小，僅為23100 cm3；而常規(guī)弧焊坡口寬而深，達(dá)到了81000 cm3，坡口理論填充量相差3.5倍。實(shí)際焊接過(guò)程中，由于飛濺、打磨及焊縫表面余高，實(shí)際的焊材消耗量上，常規(guī)弧焊也達(dá)到了激光-MAG復(fù)合焊消耗量的2.8倍，成本相差較大。

3結(jié)論

（1）MAG焊接接頭主要為馬氏體+貝氏體組織，焊縫及熱影響區(qū)組織由于多道焊的后熱作用均有不同程度的晶粒細(xì)化；激光-MAG復(fù)合焊打底焊區(qū)域均為馬氏體組織，焊縫及粗晶熱影響區(qū)晶粒較為粗大，填充焊區(qū)域組織為馬氏體+貝氏體，與MAG較相似。

（2）激光-MAG復(fù)合焊和MAG的焊縫低溫沖擊韌性達(dá)到了45 J，為母材的150%；激光-MAG復(fù)合焊熱影響區(qū)沖擊韌性高于MAG及母材，達(dá)到了41 J。在抗拉強(qiáng)度方面，激光-MAG復(fù)合焊也有明顯的優(yōu)勢(shì)，抗拉強(qiáng)度達(dá)到了母材的76%，高于MAG 125 MPa。

（3）從焊接效率的角度考慮，激光-MAG復(fù)合焊的焊接工時(shí)僅為弧焊的1/3，同時(shí)焊材消耗量也遠(yuǎn)低于弧焊，不及弧焊消耗量的35%。

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收稿日期：2023-05-17

牟梓豪簡(jiǎn)介：碩士研究生；主要從事激光-電弧復(fù)合焊的研究；2580759208@qq.com。

徐鍇簡(jiǎn)介：通信作者，正高級(jí)工程師，博士研究生導(dǎo)師；主要從事特種焊接材料、工藝研究及工程應(yīng)用的開(kāi)發(fā)；已發(fā)表論文70余篇；wellxk@sina.com。