BS960E高强钢激光-电弧复合高速焊接接头组织及性能研究

李斌　朱勇辉　邓林　马彦龙

摘要：采用激光-电弧复合技术焊接BS960E高强钢板材，以探索高强度合金钢的焊接接头组织及性能。采用扫描电子显微镜表征焊缝组织及断口形貌，结果显示：采用直径1.2 mm的90G型焊丝焊接，对应的接头组织主要为板条贝氏体，少量马氏体和MA组元，热影响区组织以板条马氏体为主。焊缝接头抗拉强度为1 117.13 MPa，延伸率为11.82%;焊缝冲击吸收功为23 J，冲击断口主要呈现韧窝状形貌，热影响区冲击吸收功为14 J，冲击断口主要以准解理断裂为主。

关键词：BS960E;激光-电弧复合焊

中图分类号：TG456.7文献标志码：A文章编号：1001-2303（2020）05-0072-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.05.15

0 前言

高强钢广泛应用于工程机械、轨道交通、船舶、车辆等领域，由于各行业都朝着高参数化和轻型化方向发展，因此更高强度级别的高强钢需求量大大增加。目前各行业用钢主要集中在700 MPa级以下，已不适应当前行业发展需求，1 000 MPa级及其以上强度钢的出现极大地满足了各领域发展需求。然而随着钢材强度等级的增加，其焊接性变差，传统焊接方法的焊接接头易出现冷裂纹、热影响区脆化、软化等问题[1]。激光复合焊接技术具有焊接效率高、热出入低、焊接变形小、装配间隙敏感性小等特点，可有效抑制焊接接头冷裂敏感性等问题[2]。陶传琦[3]在研究耐候钢焊接时发现，与传统焊接相比，激光复合焊缝成形均匀连续，除焊缝两端有少量气孔外，接头组织性能优良且韧性更高。杨臻[4]等研究了6 mm厚高强钢激光复合焊接接头力学性能，发现以1.0 m/min 的速度高效无变形焊接，焊缝强度高达 1 197 MPa。综上可知，激光复合焊接非常适合强度较高的钢的焊接，同时尽管该技术已应用研究于多类型钢材，然而由于成分、工艺条件的不同，研究结果并未形成系统化的指导作用，因此需对不同高强钢进行进一步探索。BS960E是一种1 000 MPa级低碳调质型高强度钢，具有屈强比高、韧性塑性好、综合性能优良的特点，为保障其安全使用性，必须根据其特质研究与之相匹配的新焊接方法及接头组织性能。文中选取BS960E作为试验材料，并结合激光-电弧复合焊接技术，探究了该类高强钢的焊接接头组织及性能。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

BS960E的化学成分及拉伸力学性能参数如表1所示。

1.2 试验方法

以6 mm厚调质态Q960E钢板为试验对象，通过探伤、切样、清洗后，制备出2块尺寸为120 mm×120 mm×6 mm的待焊接试样。坡口形式为Ⅰ型，坡口方向垂直于板材轧制方向，宽度1.2 mm，深度6 mm，焊接前用酒精清洗。焊接过程采90G型焊丝作为填充材料，焊丝直径1.2 mm，相应化学成分如表2所示。采用激光-电弧复合的方式进行焊接，激光发射器为TRUMPF LASER TruDisk 10002 光纤激光器，电弧焊部分采用Fronius TPS4000焊机。顾思远[5]等人研究发现采用高速激光复合焊接时形成浅“Y”型焊缝形貌，并且能够有效抑制熔池流动的剧烈程度，小线能量有助于抑制热输入过大对接头组织性能的伤害。谈睿[6]等研究高速激光复合焊接对接头成形的影响中发现，焊速达到40 mm/s时，焊缝形貌良好，可以有效防止驼峰的产生，组织性能良好。王伟[7]等在解决铝合金焊接接头软化等问题时发现，当焊速为80 mm/s 时焊缝成形良好，效率高，改善接头软化区情况超过50%。毛镇东[8]等研究高强钢激光复合焊发现，单道焊接速度为18 mm/s时可有效避免背部焊瘤缺陷。因此优化焊接参数，选择采用激光功率4 600 W、送丝速度12 mm/s、焊接速度为22 mm/s，保护气体为φ（Ar）80%+φ（CO2）20%，气体流量20 L/min，焊缝成形良好，焊接设备及激光引导焊接示意如图1所示，焊缝形貌如图2所示。

接头拉伸试验按《GB T2651-2008 焊接接头拉伸试验方法》标准在CMT4304电子万能拉伸压缩机上进行，拉伸试样为矩形截面。冲击试验按《GB/T 2650-2008焊接接頭冲击试验方法》标准在JBN-300摆锤式冲击试验机上进行，试样采用V型缺口，尺寸55 mm×10 mm×5 mm，缺口面垂直于焊缝平面，缺口所开位置分别位于焊缝熔敷金属中心区和偏焊缝根部3 mm热影响区，如图3所示，各取3个，冲击温度-40 ℃，冷却介质为液氮。

采用QUANTA FEG 250型扫描电镜分别观察抛光、清洗后的焊缝接头金相试样、熔敷金属冲击试样断口和热影响区冲击试样断口。

2 结果分析与讨论

2.1 接头焊缝及热影响区力学性能

激光复合焊接接头的拉伸性能与抗冲击性能如表3所示。接头抗拉强度达到1 117.13 MPa，断裂于母材，达到母材强度级别。焊缝中心冲击平均吸收功为23 J，热影响区平均冲击吸收功略低，为14 J，这与热影响以及焊缝处出现的马氏体以及较粗大的柱状晶有关，导致接头韧性较低。由于测试试样为标准试样尺寸的1/2，经换算成标准试样后均大于27 J，均符合-40 ℃时冲击性能大于27 J的要求，还需通过工艺优化等措施进一步提高。

2.2 金相组织及冲击断口显微形貌

焊缝熔敷金属、热影响区金相组织如图4所示。焊缝组织织为板条贝氏体、少量马氏体和MA组元，晶粒呈柱状晶形态，一般出现在垂直于熔合线的方向[9]，主要出现在熔敷金属最后凝固位置，如图4a所示。图4b为热影响区粗晶组织，表现为粗大的等轴状晶粒，组织为板条马氏体，该处硬度和强度较高，但是韧性较差。此区域主要由相变过程奥氏体急剧长大后所致[10]。热影响区中的的细晶区域如图4c所示。由于焊接过程中，此区域在高温区停留时间短，奥氏体晶粒长大不明显，连续冷却过程后，导致形成马氏体和少量板条贝氏体。由上述分析可知，马氏体的增加有利于接头强度增加，但不利于接头低温冲击韧性，减少马氏体比例、增加下贝氏体及针状铁素体含量有利于提高接头综合力学性能。

冲击试样断口宏观和微观典型形貌如图5所示。一般断口包括纤维区和放射区，纤维区多表现为塑性变形的韧窝状，颜色较暗，放射区一般为脆性断裂形貌，颜色较明亮。图5a和5b分别为焊缝和热影响区宏观断口形貌。图5c为焊缝冲击断口纤维区电镜图，断口主要表现为韧窝状，且尺寸相对均匀，但韧窝较浅，说明焊缝韧性较高。图5d为放射区，以准解理断裂为主，可见明显的河流状台阶和撕裂棱，多以穿晶断裂为主[11]。图5e为热影响区的冲击断口纤维区形貌，可见韧窝状的撕裂孔，局部夹杂着一定面积的准解理断裂面，反应了热影响区组织的复杂性和不均匀性。相比较而言，焊缝冲击试样断口中纤维区面积大于热影响区，这也体现在焊缝冲击吸收功大于热影响区，一般而言，板条贝氏体、少量马氏体和MA组元这种焊缝复合组织，往往具有较高的抗冲击性能[12]。图5f为热影响区的冲击断口放射区形貌，也是以穿晶解理断裂为主。

4 结论

（1）采用激光-电弧复合焊和90G焊丝填丝的单道焊焊接工艺，实现BS960E板材的高强度冶金结合。焊接接头抗拉强度达到1 117.13 MPa，焊缝中心冲击吸收功达到23 J，但由于母材本身特性及坡口等因素的影响，焊接接头低温冲击韧性较低，有待進一步提升。

（2）上述焊接接头组织以板条贝氏体，少量马氏体和MA组元为主，焊接热影响区晶粒尺寸差异大，主要为板条马氏体。焊缝冲击断口主要为韧窝形貌，热影响区冲击断口主要为准解理穿晶断裂，焊接接头热影响区仍然是接头薄弱环节。

（3）在高速激光复合焊接下，单道焊宏观接头形貌良好，焊接效率高，热影响区小，无气孔等缺陷。

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