Q1400超高强钢激光-MAG复合焊抗裂性研究_牟梓豪.pdf

Electric Welding MachineVol.53 No.4Apr.2023第 53 卷 第 4 期2023 年4 月Q1400超高强钢激光-MAG复合焊抗裂性研究牟梓豪1，徐锴1，刘振伟2，滕彬1，孙祥广3，胡庆睿3，王文涛31.中国机械总院集团 哈尔滨焊接研究所有限公司，黑龙江 哈尔滨 1500282.中信泰富特钢集团股份有限公司 用户应用技术研究分院，江苏 江阴 2144293.抚顺市特种设备监督检验所，辽宁 抚顺 113006摘要：针对超高强钢在焊接过程中容易产生裂纹等问题，采用激光-电弧复合焊对20 mm厚Q1400E超高强钢进行了抗裂性研究。通过斜Y坡口裂纹敏感性试验发现，在焊缝中心偏上位置易产生焊接裂纹。经过金相组织检查、表面形貌检查、EDS能谱分析等检测手段，确定此裂纹为凝固裂纹。裂纹产生原因：（1）液态金属补缩不足导致缩松；（2）C、S、P等有害元素发生微观偏析；（3）母材淬硬性大，坡口尖角处的拘束应力大。利用激光复合焊接方法深熔焊接特点及焊前预热措施进一步降低了焊接拘束应力，结果表明，采用激光功率8 500 W，焊接电流250 A，焊接电压24 V，焊接速度1.2 m/min，预热200 的工艺参数可以有效解决20 mm厚Q1400超高强钢的焊接裂纹问题。关键词：超高强钢；裂纹敏感性；激光-MAG复合焊；斜Y坡口；预热温度；凝固缩松中图分类号：TG457 文献标识码：A 文章编号：1001-2303（2023）04-0090-07Study on Crack Resistance of Q1400 Ultra-high Strength Steel by Hybrid Laser-MAG WeldingMU Zihao1,XU Kai1,LIU Zhenwei2,TENG Bin1,SUN Xiangguang3,HU Qingrui3,WANG Wentao31.Harbin Welidng Institude Limited Company,Harbin 150028，China2.Citic Pacific Special Steel Group Co.,Ltd.,Jiangyin 214429,China3.Fushun Special Equipment Supervision and Inspection Institute,Fushun 113006,ChinaAbstract:The crack resistance of 20 mm thick Q1400E ultra-high strength steel is studied using a laser arc hybrid welding method.Through the crack sensitivity examination of the inclined Y-groove,it is found that welding cracks are easy to occur at the upper position of the weld center.Through metallographic examination,surface morphology examination,and EDS analysis,it is determined that the crack is a solidification crack.Causes of cracks:(1)insufficient shrinkage of liquid metal leading to shrinkage porosity;(2)micro segregation of harmful elements such as C,S and P occurs;(3)the base metal possesses a high hardenability and high binding strain at the pointed corners of the groove.The characteristics of deep penetration welding using laser hybrid welding and pre welding preheating measures are used to further reduce the welding restriction stress.The results reveal that when using welding parameters such as laser power 8 500 W,welding current 250 A,welding voltage 24 V,welding speed 1.2 m/min,and preheating 200,the welding crack problem of 20 mm thick Q1400 ultra high strength steel can be efficiently solved.Keywords:ultra-high strength steels;crack sensetivity;hybrid laser-arc welding;inclined Y-groove;preheating temperature;solidification shrinkage porosity引用格式：牟梓豪，徐锴，刘振伟，等.Q1400超高强钢激光-MAG复合焊抗裂性研究 J.电焊机，2023，53（4）：90-96.Citation:MU Zihao,XU Kai,LIU Zhenwei,et al.Study on Crack Resistance of Q1400 Ultra-high Strength Steel by Hybrid Laser-MAG WeldingJ.Electric Welding Machine,2023,53(4):90-96.收稿日期：2023-03-10基金项目：国家重点研发计划项目（2022YFB4600903）作者简介：牟梓豪（1998），男，硕士研究生，主要从事激光-电弧复合焊接的研究。通信作者：滕彬（1982），男，硕士，正高级工程师，主要从事激光及激光-电弧复合焊接技术及装备开发。E-mail：T。DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2023.04.100 前言高强钢自20世纪初诞生以来，已经经历了一个多世纪的发展。由于其具有比强度高、塑韧性好、便于机械加工等优点，现已广泛应用于航空航天、汽车制造、工程机械、船舶以及军工等领域1-4。但对于高强钢而言，其碳含量较高，合金成分复杂，在焊接过程中非常容易产生裂纹等问题，严重影响焊接质量5。在高强钢焊接过程中，扩散氢、机械应力/应变、热影响区或焊缝金属中的临界微观组织都是可能造成裂纹的因素，会造成弯曲性能、耐腐蚀性能、伸长率等一系列力学化学性能严重下降6-8。除了上述材料自身变化因素对裂纹的影响之外，板材厚度及拘束应力等外加因素对裂纹的敏感性也有很大影响。有研究验证20 mm Q890D钢相较于15 mm板材的热影响区硬度提高了10%，并且更多的组织发生了马氏体转变9。周之金10定量研究外加拘束应力对马氏体转变的影响，试验结果表明随着外加拘束应力的增大，马氏体转变温度不断提高，为焊缝金属的马氏体相变提供额外驱动力。除了冷裂纹之外，热裂纹也是高强钢焊接尤其是激光焊接中经常出现的缺陷。Abu-Aesh11等人发现脉冲TIG焊方法相比于连续TIG焊更能避免奥氏体不锈钢热裂纹的产生，而且与脉冲参数呈现相关性。Chen12等人基于应力强度因子计算凝固裂纹产生的敏感性，发现无论温度如何，高速焊接都会增加裂纹产生的敏感性。陈根余13等人对比研究激光焊、激光引导的激光-MAG复合焊和电弧引导的激光-MAG复合焊，结果表明激光引导的激光-MAG复合焊的焊后应变率最小，热裂纹敏感性最低。曹浩14在研究10Ni5CrMoV窄间隙激光焊时，发现存在凝固裂纹现象，采用焊前预热及调整热输入等方式来延缓焊缝的凝固速率并且降低焊接应力，以避免凝固裂纹的产生。这也是工程实际生产应用中从工艺角度避免产生凝固裂纹的最广泛且最有效的方法。近年来超高强钢在汽车、船舶、军工、工程机械等领域的应用越来越广泛，但国内对于1 000 MPa级以上的厚板研究比较少。因此，本研究针对新型1 400 MPa级别超高强钢进行激光-MAG复合焊裂纹敏感性试验，探究复合焊影响裂纹产生的机理及防止措施，为实际生产制造应用提供理论支撑。1 试验材料及设备试验材料为20 mm厚Q1400E超高强度钢，焊丝选用抗拉强度1 000 MPa的ESAB CF 89（ER120S-G）实心焊丝，直径1.2 mm。母材与焊丝的化学成分及力学性能分别如表1、表2所示。由于激光-电弧复合焊无可参考的焊接裂纹试验标准，焊接试验参照GB/T 32260.22015 金属材料焊缝的破坏性试验 焊件的冷裂纹试验 弧焊方法 第2部分：自拘束试验 弧焊标准进行。试板尺寸200 mm150 mm20 mm，与标准略有不同的是，试验坡口角度为40，这是由于激光-电弧复合焊可以适应更窄的坡口形式，并且与工程实际应用相符。具体结构如图1所示。焊前以手工MAG焊方法焊接拘束焊缝，拘束焊缝焊接完毕后静置48 h，再进行斜Y坡口抗裂性试验，焊接设备为IPG YLS-30000光纤激光器，Fronius TPS4000弧焊电源，HIGH YAG高功率激光头，最大输出功率30 kW。将激光头、焊枪整装在KUKA六轴机器人上，由机器人自动焊接表 1母材及焊丝化学成分（质量分数，%）Table 1Chemical composition of base metal and welding wire（wt.%）表 2母材及焊丝力学性能Table 2Mechanical properties of base metal and welding wire图1斜Y坡口示意Fig.1Schematic diagram of inclined Y groove第 4 期牟梓豪，等：Q1400 超高强钢激光-MAG 复合焊抗裂性研究0 前言高强钢自20世纪初诞生以来，已经经历了一个多世纪的发展。由于其具有比强度高、塑韧性好、便于机械加工等优点，现已广泛应用于航空航天、汽车制造、工程机械、船舶以及军工等领域1-4。但对于高强钢而言，其碳含量较高，合金成分复杂，在焊接过程中非常容易产生裂纹等问题，严重影响焊接质量5。在高强钢焊接过程中，扩散氢、机械应力/应变、热影响区或焊缝金属中的临界微观组织都是可能造成裂纹的因素，会造成弯曲性能、耐腐蚀性能、伸长率等一系列力学化学性能严重下降6-8。除了上述材料自身变化因素对裂纹的影响之外，板材厚度及拘束应力等外加因素对裂纹的敏感性也有很大影响。有研究验证20 mm Q890D钢相较于15 mm板材的热影响区硬度提高了10%，并且更多的组织发生了马氏体转变9。周之金10定量研究外加拘束应力对马氏体转变的影响，试验结果表明随着外加拘束应力的增大，马氏体转变温度不断提高，为焊缝金属的马氏体相变提供额外驱动力。除了冷裂纹之外，热裂纹也是高强钢焊接尤其是激光焊接中经常出现的缺陷。Abu-Aesh11等人发现脉冲TIG焊方法相比于连续TIG焊更能避免奥氏体不锈钢热裂纹的产生，而且与脉冲参数呈现相关性。Chen12等人基于应力强度因子计算凝固裂纹产生的敏感性，发现无论温度如何，高速焊接都会增加裂纹产生的敏感性。陈根余13等人对比研究激光焊、激光引导的激光-MAG复合焊和电弧引导的激光-MAG复合焊，结果表明激光引导的激光-MAG复合焊的焊后应变率最小，热裂纹敏感性最低。曹浩14在研究10Ni5CrMoV窄间隙激光焊时，发现存在凝固裂纹现象，采用焊前预热及调整热输入等方式来延缓焊缝