Q1400超高强钢激光-MAG复合焊与MAG组织及性能对比.pdf

机械制造文摘焊接分册激光一电弧复合焊专题Q1400超高强钢激光MAG复合焊与MAG 组织及性能对比牟梓豪，滕彬，徐（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150 0 2 8）摘要：针对一种屈服强度140 0 MPa新型超高强钢，对比分析了在使用低强匹配焊材的条件下MAG和激光-MAG复合焊的组织及性能差异。2 种焊接工艺的成形及截面形貌均连续均匀，无气孔、裂纹、夹渣等微观缺陷。MAG采用2 mm钝边的6 0 坡口，热输入大、冷却速度较慢，焊缝组织主要为马氏体+贝氏体组织，焊缝40 冲击吸收能量为45J,为母材的150%；热影响区冲击吸收能量为30 J，与母材水平相当；接头抗拉强度为116 6 MPa，相当于母材的6 9%。激光-MAG复合焊采用6 mm钝边的40 坡口，打底焊焊缝为马氏体组织；填充焊焊缝为马氏体+贝氏体组织；焊缝-40 冲击吸收能量与MAG相当，但热影响区的冲击吸收能量达到42 J，优于MAG和母材；接头抗拉强度接近130 0 MPa,高于MAG125MPa，相当于母材的7 6%。激光-MAG复合焊焊接效率优于MAG,达到MAG的3倍以上。关键词：激光-MAG复合焊；MAG；超高强钢；显微组织；力学性能中图分类号：TG456.7Comparison of microstructure and mechanical properties between laser-archybrid welding and MAG for ultra high strength steelMu 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 of1 400 MPa were compared between MAG and laser-MAG hybrid welding under the condition of low strengthmatching welding material.Formation and cross-section morphology of the two processes were continuous anduniform,and there were no micro defects such as pores,cracks and slag inclusions.60 groove with 2 mmblunt edge was adopted in MAG,which had large heat input and slow cooling speed.Microstructure of weldwas mainly martensite and bainite.Impact absorbed energy of weld at-40 C was 45 J,which was 150%ofbase metal.Heat affected zone was 30 J,which was equivalent to base metal.Tensile strength of weldedjoints was 1 166 MPa,which was equivalent to 69%of base metal.40 groove with 6 mm blunt edge wasadopted in laser-MAG hybrid welding,backing weld was martensite,and filling weld was martensite and bain-ite.Impact absorbed energy of weld at-40 C was equivalent to base metal,while impact absorbed energy ofheat affected zone reached 42 J,which was better than that of MAG and base metal.Tensile strength of wel-ded joints was 1 300 MPa,higher than MAG 125 MPa,which was equivalent to 76%of base metal.Weldingefficiency of laser-MAG hybrid welding was superior to MAG,which reached more than three times that ofMAG.Key words:laser-arc hybrid welding;MAG;ultra high strength steel;micorstructure;mechanical properties2023 年第 3 期2 5激光一电弧复合焊专题0前言当前能源短缺形势日益严重，节能减排的需求不断增加,未来工程机械势必要向轻量化、高效化的方向发展。使用强度质量比更高的超高强钢是轻量化发展的重要举措之一，这类材料在具有较高强度时仍保有良好的塑韧性，国内外已经有大量企业机构开展1000MPa甚至150 0 MPa级别以上超高强钢的研制与应用工作2。但是超高强钢合金成分复杂，焊后残余应力高，在实际焊接应用中存在接头强韧性不足、焊后变形大、容易产生裂纹等问题3。而激光电弧复合焊接作为一种新型焊接方法，热输入小、熔深大、焊接速度快、工况适应性好，已经成为高强钢焊接的研究热点方向4-8 C鲍亮亮等学者9 采用焊接热模拟技术分析了超高强钢激光电弧复合焊的热影响区组织与冲击韧性之间的关系，结果表明：焊接峰值温度较难抑制裂纹生成，但可以有效地控制裂纹的扩展，峰值温度越高裂纹越容易扩展。Turichin等学者10 研究了7 mm厚150 0 MPa级超高强钢及10 mm厚110 0 MPa级超高强钢的接头性能，110 0 MPa级超高强钢接头强度与母材相当；而150 0 MPa级别超高强钢接头的强度仅为母材的8 6%。可见即使使用板厚较小、强度较高的材料，在经历焊接热循环后仍会出现强度降低的问题。Ustuindag等学者研究了热输人及焊接速度对20mm厚X120钢激光电弧复合焊接头性能的影响,结果表明：较快的冷却速度可以获得较好的冲击韧性及拉伸性能，冷却速度降低则会导致组织发生变化,强韧性下降。目前,国内外对于10 0 0 MPa级别的超高强钢的激光电弧复合焊研究较为完备，但对于140 0 MPa级别以上的厚板超高强钢激光电弧复合焊仍处于研发初级阶段。该研究针对一款新开发的2 0 mm厚Q1400超高强钢开展激光-MAG复合焊工艺研究，可以为未来厚板超高强钢焊接的工程实际应用提供一套行之有效的试验依据。1试验材料及方法试验母材为国内某特种钢厂最新开发的Q1400超高强度钢，板厚2 0 mm。焊丝选用径为1.2 mm的9 0公斤级ESABWeldCF89低合金钢焊丝，母材与焊丝的化学成分见表1，力学性能见表2。262023年第3期机械制造文摘表1母材及焊丝化学成分（质量分数，%）类别C母材0.280.240.870.010.01焊丝0.08 0.751.750.0080.005表2 母材及焊丝力学性能抗拉强度屈服强度断后伸长率(-40)冲击类别Rm/MPaRei/MPa母材1 688焊丝1 000MAG坡口如图1所示，坡口角度6 0,钝边2 mm，间隙2 mm。激光-MAG复合焊坡口形式如图2 所示，采用V形40 坡口,6 mm钝边，不保留间隙，以适应激光-MAG复合焊能量集中的特点。焊前采用机械打磨的方式去除坡口附近氧化皮,并使用无水乙醇试剂清洗除去打磨后的油污及其他杂质。清理完毕后，将试板两侧点焊固定，置于红外加热烘干炉中进行烘干及预热工序。试板随炉加热至2 0 0，并在炉中保温2h,使整个试板温度均匀。焊接过程中控制道间温度在100左右,每道次之间均清理焊缝表面氧化皮,以防止氧化皮成分对焊缝性能产生影响。焊后使用石棉包裹试板缓冷，静置48 h后经X射线探伤未发现缺陷后进行组织及力学性能检查。图1MAG焊坡口示意图40图2 激光-MAG复合焊坡口示意图在MAG焊接工艺参数中，焊丝伸出长度15mm，左向焊，焊枪倾角6 0,采用多层多道焊工艺方法，分打底焊和填充焊2 种焊接工艺参数，见表3。激光-MAG焊接分册SiMn1 414920SA(%)1216602P吸收能量Akv/J3253Cr+Ni+Mo2.603.11机械制造文摘复合焊试验平台由IPG万瓦级光纤激光器、ForniusTPS4000焊机和KUKA机器人组成，电弧与激光采用旁轴复合形式，激光枪头与竖直方向夹角5，焊枪与竖直方向夹角40。光丝间距4mm，焊丝伸出长度15mm。焊层焊接电流I/A电弧电压U/V送丝速度v/(mmin-)打底焊164填充焊267焊接电流焊层I/A打底焊254填充焊340盖面焊3192试验结果及讨论2.1焊缝成形图3及图4分别为MAG及激光-MAG复合焊焊缝成形。可以看到2 种焊接方法正背面成形连续均匀，各道次之间熔合情况良好，熔合线过渡平滑，焊缝中不存在气孔、夹渣、裂纹、未熔合等缺陷。MAG焊缝的熔宽明显大于激光-MAG复合焊，宽约2 5mm，而相比之下激光-MAG复合焊的熔宽仅为17 mm,较大的坡口和熔宽会使焊缝中强度较低的焊材熔合比例增多，强度较高的母材熔合比例较少，从而使整个焊接接头的强度降低。（正面）【背面）（正面）【背面】2.2接头显微组织图5为MAG焊显微组织图，图5a图5c依次为焊缝组织、粗晶热影响区组织及细晶热影响区组织。焊接分册17.427.2电弧电压U/V19.731.531.722cm图3MAG焊焊缝成形3cm图4激光-MAG复合焊焊缝成形激光一电弧复合焊专题保护气体为8 0%Ar+20%C02，气体流量为18 2 0L/min。激光-MAG复合焊接试验采用多层单道焊方法，共焊接5道，分打底焊、填充焊、盖面焊3种焊接工艺参数,见表4。表3MAG焊接工艺参数焊接速度w/(mmin-l)4.60.48.50.4表4激光-MAG复合焊工艺参数送丝速度激光功率Ur/(m min-l)P/kW88.5121.5111.5焊缝中心组织为马氏体+贝氏体组织（图5a），多层多道焊的后热作用使马氏体中的渗碳体均匀析出，晶粒细化。粗晶热影响区同样为马氏体+贝氏体组织（图5b），但其受过热影响，原奥氏体晶粒长大，晶粒粗化，明显较焊缝中心粗大，并且贝氏体含量较焊缝区少。细晶热影响区组织（图5c）与焊缝相似,都是均匀的马氏体+贝氏体组织。激光-MAG复合焊由于其坡口的特殊性，钝边较大，打底焊区域以高功率激光为主要热源，热输人集中,冷却速度快，热影响区小，因此以激光为主要热源的打底焊区域和以电弧为主要热源的填充焊区域组织会有明显的不同。由于激光集中的能量和较快的冷却速度，焊缝为马氏体组织，粗晶热影响区组织晶粒明显长大，但仍为马氏体组织；而细晶热影响区由于焊接的热作用，温度刚达到A。3，使母材的马氏体组织发生了5mm再结晶现象，晶粒明显细化，裂纹敏感性降低，在不影响强度的前提下大大提高塑韧性，如图6 所示。填充焊区域是以小激光功率引导电弧高速焊接的工艺方法，主要热源为电弧热，冷却速度慢,同时后道焊对前道焊还有热处理作用。填充焊焊缝是马氏体+贝氏体6mm组织,强度相较于打底焊区域会有一定程度的降低，但塑韧性提升；粗晶热影响区主要由粗大的马氏体组织构成，但可以看到有少量粒状贝氏体分散在马氏体组织中;而细晶热影响区中的贝氏体含量明显增加,并且马氏体组织细化，强韧性进