390 MPa 级船用高强钢激光-MAG 复合焊接接头组织与力学性能

王树森，邹德敏，肖红军，曹洋，朱彦洁，赵琳，彭云

（1.海装沈阳局驻鞍山地区军事代表室，辽宁 鞍山 114001；2.钢铁研究总院有限公司，北京 100081）

0 前言

激光-电弧复合焊接技术实现了激光和电弧两种物理性质、能量传输机制截然不同热源的优势互补和增强。自Steen 在上世纪80 年代提出以来[1]，激光-电弧复合焊接在激光束质量、热源复合技术和工艺参数匹配等方面均取得了长足的进步[2-5]。

激光-电弧复合焊接具有焊接效率高、焊接变形小、熔深大以及坡口间隙适应性强等优势，是船舶制造产业发展不可缺少的一种焊接技术[6-8]。特别是，现代造船业应用了新的模块化造船技术[9]，使激光-电弧复合焊技术优势更加突出。目前，国际上有代表性的造船企业正在积极推进激光-电弧复合焊接在大型船舶和高级游轮建造中的应用。国内在该方面起步较晚，主要以试验室研究为主。近年来，随着科技进步和市场竞争的日益激烈，对船舶生产效率和产品质量提出了更高的要求，船用高强钢的激光-电弧复合焊接技术逐渐引起了广大学者的关注。王明林等人[10]研究了590 MPa 级船用高强钢激光-MAG复合焊接接头组织和力学性能，并与常规MAG 焊接接头进行了对比，其研究验证了590 MPa 级船用高强钢激光-MAG 复合焊接的可行性。但是，与常规MAG焊相比，激光-MAG 复合焊接接头显微硬度大幅增加，焊缝区冲击韧性明显下降，即存在一定的“脆硬”行为。针对激光-电弧复合焊接接头脆硬问题，杜义等人[11]利用光学显微镜、透射电镜和冲击试验机等设备，分析了焊接接头各区域组织、合金元素分布、显微硬度和力学性能，提出通过优化焊接材料成分和对工件进行低温预热的方式改善焊接接头的力学性能。Zhang 等人[12-13]以590 MPa 级船用高强钢为研究对象，通过对焊接过程中的高速图像和实时电信号进行采集，研究了激光-MAG 复合焊接热源布置与保护气体成分对焊接特征以及焊接过程稳定性的影响，发现焊接缺陷是由于焊接过程不稳定所产生的，当光丝距离DLA为2～4 mm，保护气体成分为20%CO2+Ar 时，可以获得稳定的焊接过程，焊接缺陷产生倾向最小。李旭晨等[14]对440 MPa 级高强度船用钢光纤激光-MAG 复合焊接焊缝金属组织和力学性能进行了研究，指出焊接工艺参数对焊缝成形和冲击韧性具有较大影响。Yin 等人[15]和邹德敏等[16]通过开展试验研究了焊接速度对焊缝金属组织和力学性能的影响，深入分析了焊接速度对440 MPa 级高强度船用钢激光-MAG 复合焊接焊缝冲击韧性的影响机理。研究表明，焊接速度对焊缝冲击韧性的影响因素主要是显微组织；较高焊接速度下，焊缝形成了大量针状铁素体和板条贝氏体，致使焊缝区具有良好的低温冲击韧性。

目前，390 MPa 级船用高强钢是大型船舶应用量最大的钢铁材料之一，而其激光-MAG 复合焊接研究较少。因此，文中研究了390 MPa 级船用高强钢光纤激光-MAG 复合焊接试验，分析了焊接接头组织和性能。

1 试验条件与方法

试验所用母材为390 MPa 级船用高强钢，尺寸为200 mm×100 mm×8 mm。焊接材料为自研的390 MPa级船用高强钢配套焊丝，直径为1.2 mm；保护气体采用98%Ar+2%O2混合气体，气体流量为20 L/min。

试验采用IPG YLS-6000 光纤激光器，波长1.07 μm，聚焦光斑直径为0.4 mm，离焦量为0，电弧焊接系统为CLOOS Champ 450 型MIG/MAG 焊机。焊接过程中，采用激光在前的焊接方向，激光束垂直工件表面入射，与电弧焊枪呈40°夹角，光丝距离为5 mm，焊接工艺参数见表1。

表1 焊接工艺参数

2 试验结果与分析

2.1 焊接接头的横截面形貌

图1 为不同焊接速度对焊接接头横截面形貌的影响。激光-MAG 复合焊接焊缝呈“酒杯”状，焊缝的上部和下部较宽，中间略窄。焊缝上部较宽的原因是该区域受电弧和激光的共同作用，下部较宽的原因是该区域形成了Marangoni 对流。通过对比发现，不同焊接速度条件下的焊缝形状具有明显差异。随着焊接速度增大，焊接热输入降低，焊缝上表面熔宽逐渐减小。与此同时，热输入降低还会引起底部熔池表面Marangoni 对流作用减弱，使得焊缝下表面熔宽减小。焊接接头热影响区宽度较小，其范围为0.85 mm～3.12 mm；焊接速度越高，热影响区宽度越小。

图1 焊接接头横截面形貌

2.2 焊接接头组织转变规律

图2 为390 MPa 级的船用高强钢激光-MAG 复合焊接接头显微组织。焊缝区由先共析铁素体、侧板条铁素体、针状铁素体和板条贝氏体组织组成；粗晶区主要由贝氏体板条和少量铁素体组成；细晶区组织主要为铁素体、少量珠光体和板条组织；不完全重结晶区由铁素体和珠光体组成；母材由铁素体和珠光体组成。

图2 焊接接头显微组织

图3 为不同焊接速度对390 MPa 级的船用高强钢激光-MAG 复合焊接焊缝区组织的影响。由图可知，随着焊接速度增大，先共析铁素体、侧板条铁素体含量降低，针状铁素体和板条贝氏体含量上升，组织逐渐细小。焊接速度为0.8 m/min 时，焊缝区组织主要由先共析铁素体、侧板条铁素体、针状铁素体和板条贝氏体组成；焊接速度达到1.2 m/min 以上时，焊缝区组织主要为针状铁素体和板条贝氏体，先共析铁素体和侧板条铁素体含量显著减少。

图3 焊缝区显微组织

2.3 显微硬度

图4 显示了焊接接头的显微硬度分布。各焊接速度条件下，热影响区的硬度均高于母材（190HV），表明焊接接头中不存在软区。焊接接头的最高硬度出现在热影响区，随着焊接速度增加，最高硬度值不断增大。焊缝区显微硬度同样明显高于母材，随着焊接速度增加，焊缝区显微硬度呈逐渐增加趋势。其原因是：当焊接速度较低时，焊缝区组织由先共析铁素体、侧板条铁素体、针状铁素体和板条贝氏体组成；随着焊接速度增大，冷却速度加快，焊缝区组织发生硬化，主要由针状铁素体和板条贝氏体组成，使焊缝区的显微硬度显著上升。

图4 不同焊接速度下焊接接头的硬度分布

2.4 拉伸性能

表2 为不同焊接速度下焊接接头的拉伸性能。随着焊接速度增加，焊接接头的拉伸性能各项指标无明显变化，基本与母材相当。

表2 复合焊接接头及母材的拉伸性能

图5 为激光-MAG 复合焊接接头拉伸断裂位置。所有接头试样都在母材处失效，可知焊接速度在0.8～1.5 m/min 范围内时，焊缝金属和热影响区强度高于母材。因此，390 MPa 级的船用高强钢激光-MAG 复合焊接接头具有良好的拉伸性能。

图5 焊接接头及母材的拉伸断裂位置

2.5 冲击性能

图6 为焊缝-40 ℃和-60 ℃低温冲击吸收能量。随着焊接速度增大，焊缝-40 ℃和-60 ℃冲击韧性均呈现逐渐增加的趋势。焊接速度为0.8 m/min 时，焊缝-40℃和-60℃冲击吸收能量分别为78 J 和69 J；焊接速度为1.5 m/min 时，焊缝-40℃和-60℃冲击吸收能量最高，分别为172 J 和126 J。产生这种现象的原因是不同焊接速度下焊缝金属显微组织的差异。如前所述，当焊接速度为0.8 m/min 时，焊缝金属中存在一定量的先共析铁素体和侧板铁素体，低温冲击吸收能量较低。随着焊接速度增大，先共析铁素体和侧板条铁素体含量下降，针状铁素体和板条贝氏体含量上升，焊缝组织发生细化，焊缝低温冲击吸收能量不断增加。当焊接速度为1.5 m/min 时，焊缝内主要为细小的针状铁素体组织，冲击吸收能量最高。

图6 不同焊接速度下的焊缝冲击吸收能量

3 结论

（1）随着焊接速度增大，390 MPa 级船用高强钢激光-MAG 复合焊接焊缝区先共析铁素体和侧板条铁素体含量降低，针状铁素体和板条贝氏体含量增加。

（2）不同焊接速度条件下，复合焊接接头硬度均高于母材；所有拉伸试样均断在母材，焊接接头没有明显软化区。

（3）随着焊接速度增大，复合焊接焊缝区低温冲击韧性呈现逐渐增加的趋势。焊接速度为1.5 m/min时，焊缝-40 ℃和-60 ℃冲击吸收能量分别为172 J 和126 J。显微组织构成是焊接速度影响焊缝区低温冲击韧性的主要因素。