焊接工艺对高强度贝氏体钢激光-电弧复合焊接头组织和性能的影响

毛镇东　韩晓辉　谢韶　李仁东　陈辉

摘要：针对高强度贝氏体钢，对比研究了单层单道和两层两道激光-电弧复合焊对焊接接头组织和硬度、拉伸、冲击等力学性能的影响。结果表明：两种工艺下所得到的接头焊缝区组织存在明显差异，而热影响区组织未见明显不同;两种工艺下的接头全厚度试样和分层试样的抗拉强度接近，而单道焊接头全厚度试样塑性较差;两种工艺下焊缝区和焊接热影响区的冲击吸收功均低于母材，且单道焊焊缝的不同区域的韧性存在较为明显的差异。

关键词：激光-电弧复合焊;贝氏体钢;组织;力学性能

中图分类号：TG456.7 文献标志码：A 文章编号：1001-2303（2020）02-0079-08

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.02.16

0 前言

高强度低碳贝氏体钢被21称为世纪钢种，通常采用控冷控轧工艺生产，其晶粒细小、组织均匀、强度和韧性均较高，同时由于严格控制碳含量，焊接性能优良[1-2]。激光-电弧复合焊通过协同激光与电弧两个能量源的热作用，兼具两种焊接方法的优势，已被部分应用于航空航天、造船、压力管道等工业生产领域，应用前景广阔[3-7]。相较于单电弧焊接，激光的加入可大幅增加焊缝熔深，极大提高焊接效率，在中厚板焊接方面具有明显优势[8-11]。对于一些大型结构件，采用高强贝氏体钢可有效减轻构件质量，达到轻量化和节能减排的目的，但要求对高强贝氏体钢的焊接工艺，尤其是较大厚度板材的激光-电弧复合焊接工艺进行更多的探索。

1 试验材料及方法

试验用母材是采用TMCP控冷控轧工艺生产的某新型高强度低碳贝氏体钢，主要合金成分如表1所示，基本力学性能如表2所示，其中，镍、硼元素能够提高贝氏体钢的韧性，钼元素可以使铁素体析出线右移，有利于材料在冷却过程中发生中温贝氏体转变。为达到等强度匹配，试验采用直径1.2 mm

CHW-80C1型焊丝，其成分和基本力学性能分别如表1、表2所示，焊丝的主要合金元素含量以及基本力学性能均与母材相当。

贝氏体钢母材的金相組织如图1所示，该贝氏体钢组织以板条贝氏体（LB）和粒状贝氏体（GB）为主，由于碳含量较低，贝氏体板条连续性较差，多为断续的板条结构。

采用激光引导电弧的焊接模式对Y型坡口试板进行激光-电弧复合对接，如图2所示，其中坡口试板厚10 mm，钝边4 mm，坡口角度10°，激光束倾角10°，焊枪与激光束夹角60°，保护气体为φ（Ar）80%+φ（CO2）20%的混合气体。

焊接完成待试样冷却后，取接头截面制取金相试样，依次进行粗磨、精磨、抛光，并用4%硝酸酒精溶液进行蚀刻，然后分别采用Zeiss Stemi 2000型体式显微镜和SEM QUANTA FEG250型电子显微镜观察分析接头截面形貌及微观组织。

利用HVS-30型维氏硬度计，参考国标GB/T 2654-2008《焊接接头硬度试验方法》检测焊接接头硬度，加载力3 000 g，保荷时间10 s。

复合焊接接头拉伸性能试验用试样取样、加工等参考标准GB/T 2651-2008《焊接接头拉伸试验方法》进行，取样位置与尺寸如图3所示。为了避开起弧和收弧处的焊接缺陷，在拉伸试样平行段距离试板边缘30 mm处开始取样。

拉伸试验在DNS-300型电子万能拉伸试验机上进行，拉伸速率5 mm/min，拉伸试样均不带余高。同时，为研究复合焊接接头电弧作用区和激光作用区拉伸性能的差异，分别在接头上表面和下表面取4 mm厚度拉伸试样进行分层拉伸试验，如图3所示。

参考标准GB/T 2650-2008《焊接接头冲击试验方法》，室温下在JBN-300型摆锤冲击试验设备上进行焊接接头冲击试验，采用V型缺口试样。分别对焊缝、热影响区、母材三个不同区域取样进行冲击试验，其中热影响区试样缺口距熔合线1 mm，每组试验进行3次，结果取其平均值。

分别采用经过工艺优化的单道和两层两道激光-MAG复合焊进行焊接，焊接工艺参数如表3所示。通过对比各微区组织演变与焊接接头硬度、拉伸以及冲击性能，分析两组焊接工艺对高强度贝氏体钢激光-电弧复合焊接接头组织与力学性能的影响规律。

2 试验结果及讨论

2.1 接头形貌及硬度分布

（1）接头形貌。

单道焊和两层两道焊两组焊接工艺下接头截面形貌如图4所示，接头均呈现出上宽下窄的典型高脚杯形貌，且接头上焊缝区域（WZ）、热影响区（HAZ）、母材（BM）三部分界线明显，两道焊焊缝区截面面积大于单道焊的。

焊缝上部分更多受到电弧作用，熔宽较大，基于热源特点和焊接接头截面形貌特征，将其定义为电弧作用区（Arc Affected Zone，AAZ），焊缝下部分更多受到激光作用，熔宽较小，定义为激光作用区（Laser Affected Zone，LAZ）。

（2）硬度分布。

分别测试了单道焊和两层两道焊焊接工艺下的焊接接头L1、L2、L3三条路径（见图4a）上的硬度。L1距离试样上表面2 mm，L2距离试样下表面2 mm，L3为焊缝中心线，其中L1和L2测试步长为0.2 mm，L3测试步长为0.4 mm，硬度分布结果如图5所示。

由图5a可知，在L1路径上，即对于焊接接头电弧作用区，两道焊和单道焊接头的硬度分布规律一致，硬度值也较为接近，但两道焊接接头焊缝宽度明显大于单道焊接接头，而单道焊接接头热影响区更宽。单道焊和两道焊的焊缝区平均硬度值分别约为320 HV和310 HV;在热影响区域，单道焊和两道焊硬度最大值分别约为360 HV和350 HV。

由图5b可知，在L2路径上，单道焊接接头的焊缝区宽度约为1 mm，其焊缝区和热影响区宽度均小于两层两道焊。两道焊接接头焊缝的硬度值明显低于单道焊（接近320 HV），仅在280 HV左右波动。可见两层两道焊接在施焊第二道焊缝时，焊接热输入对第一道焊缝产生了较为明显的影响。

由图5c可知，在L3路径上，两条硬度分布曲线随着距试样上表面距离的增加呈现出明显差异。在距上表面4 mm以内时，单道焊的硬度波动较小，约为310 HV，当距离上表面大于4 mm时，硬度值虽然也在310 HV左右波动，但波动幅度更大，最大硬度值达到338 HV。而对于两层两道焊接焊缝，当距上表面距离在4 mm以内时，其硬度值在320～340 HV之间波动，当距离大于4 mm时，硬度值明显下降，仅在280 HV左右波动。这是因为单道焊中粗大的板条组织硬度高，而两道焊焊缝激光作用区中的组织相对细密，并伴有铁素体产生，故而其硬度值相对较低。

2.2 微观组织

通过对接头微观组织进一步观察可知，与大多数碳钢一样，贝氏体钢焊接接头热影响区也存在着粗晶、细晶以及部分重结晶3个形貌差别较大的区域，这反映了焊接接头不同区域在焊接过程中所经历的热循环差异，在此对焊缝区组织和热影响区组织进行观察分析，对比不同工艺下的组织特点。

（1）焊缝区组织。

在接头焊缝区，熔融的焊丝和部分母材沿着熔合线向内结晶，不同工艺下的焊缝在冷却结晶过程因经历了不同的热循环，呈现出不同的微观形貌，如图6所示。可以看出，单道焊接工艺电弧作用区和激光作用区的焊缝里均出现了粗大板条，为马氏体（M）+贝氏体（B）的混合组织。两道焊接接头焊缝组织细小，以针状铁素体为主，并有部分贝氏体组织。单道焊接激光作用区组织小于电弧作用区，而两道焊激光作用区组织大于电弧作用区。

为避免背部焊瘤缺陷，单道焊接采用18 mm/s的高速焊接方法，焊缝冷却速度快，焊缝组织在中温区域开始转变，并迅速冷却至低温转变区，形成了贝氏体+马氏体的混合组织。两层两道焊的焊速为12 mm/s，焊缝组织的冷却速度相对较慢，在高温下转变为针状铁素体，且部分在中温转变过程中形成粒状贝氏体。单道焊过程中，激光作用区能量密度大，冷却速度大于电弧影响区，晶粒没有足够时间长大，故单道焊激光作用区组织晶粒比电弧作用区细。两道焊由于第二道焊缝的热作用，激光作用区组织有足够时间生长，形成比电弧作用区大的组织。

（2）粗晶区组织。

在焊接过程中，粗晶区温度被加热到Ac3以上100～200 ℃至固相线温度区间内。粗晶区晶粒在加热过程中完全奥氏体化并急剧长大，该区域初始冷却速度快，组织转变以中温转变为主，冷却后形成粗大的过热组织。不同焊接工艺下粗晶区的微观组织如图7所示，未见明显差异，均以板条贝氏体为主，并伴有大量粒状贝氏体组织，板条贝氏体中的碳化物片层较厚。

（3）细晶区组织。

在焊接过程中，细晶区通常被加热到Ac3至Ac3以上100～200 ℃的温度区间，该区域晶粒在加热过程中同样完全奥氏体化，随后的空冷过程使得组织均匀而细小，相当于对其母材进行了一次正火处理。不同工艺下的细晶区微观组织如图8所示，未见明显差异，均以贝氏体为主，并伴有部分块状铁素体。

综上，不同工艺下所得接头焊缝区组织存在明显差异，而热影响区组织则无明显不同。分析认为：在焊接过程中，焊缝区域材料的热循环受到焊接速度的强烈影响，焊接速度越快，焊缝冷却速度越快，而本试验中两种不同焊接工艺的焊接速度相差较大，故而焊缝组织存在明显差异。而接头热影响区的降温过程主要以热传导形式将热量传递给临近母材，降温速度更多地取决于材料自身的热导率等热物理性能，因而两组工艺下的热影响区组织无明显的不同。

2.3 拉伸性能

不同焊接工艺下的接头拉伸曲线和拉伸性能数据如图9、表4所示，其中图9a为全厚度试样结果，图9b为分区试样结果，每组试验条件下均取两个试样，表4中的性能数据为两个试样的平均值。

可以看出，单道焊和两道焊电弧作用区和激光作用区分区试样的抗拉强度和延伸率均比较接近，其抗拉强度与母材相差不大，但延伸率均明显低于母材，如图9b和表4所示，且所有分区试样最终均断裂于母材，断裂位置出现明显的颈缩现象。对于全厚度试样，单道焊接头的塑性较差，延伸率仅为3.6%，虽然两道焊接头的延伸率（18.8%）与母材接近，但其在拉伸过程中均匀变形阶段较短，应力在拉伸过程中有明显的下降趋势，表明試样各部分性能不均匀。

焊接接头全厚度拉伸试样的断裂位置及断口形貌如图10所示。两层两道焊接接头试样断裂于母材位置，焊缝处产生了一定程度的塑性变形，其在拉伸过程中出现明显的分层现象，为典型的中厚板高强钢拉伸断口特征。单道焊接接头试样均断裂在焊缝处，断口未见明显颈缩，且焊缝深处断口平滑光亮，出现少量肉眼可见的气孔。

综上认为，对于中厚板的激光-电弧复合焊接，采用单道焊时熔池深处的气孔逸出困难，其激光作用区很难避免出现气孔缺陷，导致激光作用区和电弧作用区性能出现较大差异，在拉伸过程中，焊缝激光作用区产生应力集中，试样在该处开裂并释放应力，在随后的变形过程中，由于开裂处承受拉应力的面积减小，接头最终在此处断裂。而两道焊接头由于由于改善了气孔情况，同时减小了焊缝不同区域性能的差异，拉伸时应力集中降低，致使最终试样断裂于母材。

2.4 冲击性能

母材及不同焊接工艺下不同接头位置试样的常温冲击试验结果如表5所示。由表5可知，该高强度贝氏体钢的冲击性能良好，平均冲击吸收功达到217 J，远高于GB/T 1591-2008《低合金高强度结构钢》中规定的不低于55 J的标准。单道焊接和两道焊接接头焊缝区的冲击吸收功较低，分别仅为75 J和89 J;同时焊接过程对热影响区的冲击韧性也造成了一定程度的影响，单道焊接接头和两道焊接接头热影响区的平均冲击吸收功与母材相比均有一定程度的下降。

母材以及采用单道焊和两道焊工艺下接头焊缝和热影响区冲击试样的断口形貌如图11所示。由图11可知，母材和两种焊接工艺下接头热影响区的冲击断口均发生了明显的颈缩现象，断口上均呈现出剪切唇特征，冲击韧性良好。

单道焊焊缝冲击断口平整，未出现明显的颈缩，且剪切唇特征仅在电弧作用区一侧出现，且在激光作用区一侧（即焊缝深处）存在较多气孔（见图11b）。相较于单道焊，两道焊焊缝的冲击断口虽未发生明显的颈缩，但两侧均出现了剪切唇特征，且气孔较少（见图11d）。这说明单道焊焊缝的冲击韧性最差，同时其焊缝上下部位（即电弧作用区和激光作用区）在韧性方面还存在较为明显的差异。

3 结论

基于优化的焊接工艺参数，对比研究了单层单道和两层两道激光-MAG复合焊接接头的组织与基本力学性能，得到主要结论如下：

（1）单道焊和两道焊接头截面均呈高脚杯形貌，其中两道焊焊缝区截面面积和焊缝宽度大于单道焊，且两道焊焊缝在电弧作用区和激光作用区的硬度差异更大。

（2）由于焊接速度的差异，单道焊与两道焊接头焊缝组织存在较为明显的差异：前者出现大量的马氏体组织，后者则以铁素体组织为主;热影响区材料降温过程主要受材料自身性能影响，受焊接工艺影响较小，因而不同工艺下所得接头热影响区组织无明显差异，但热影响区宽度差异较大。

（3）单道焊和两道焊的分区拉伸曲线较为一致，但激光作用区和电弧作用区性能的差异以及单道焊激光作用区存在的气孔使得单道焊接头全厚度试样塑性较差，延伸率仅为3.6%;而两道焊接头全厚度试样的延伸率虽然与母材接近，但其在拉伸过程中均匀变形阶段较短，应力在拉伸过程中有明显的下降趋势。

（4）相对于母材，单道焊和两道焊接头焊缝区的冲击性能大幅降低，热影响区的平均冲击吸收功也均有一定程度的下降，同时单道焊焊缝的冲击韧性最差，且其焊缝电弧作用区和激光作用区的韧性存在较为明显的差异。

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