坡口尺寸对激光电弧复合焊接头特性影响

　　解赞华杨海锋王旭友徐良崔辉
　　摘要：研究了坡口尺寸对厚板HQ785T1低合金高强钢填充ER69G焊丝激光电弧复合焊接头力学性能及微观组织的影响。试验结果表明，钝边值相同时，坡口角度越大，焊接接头的抗拉强度越小，焊接接头各部位的冲击吸收能量越大；坡口角度相同时，钝边值越大，焊接接头抗拉强度越小，焊接接头根部中心的冲击吸收能量越小；硬度从上表面到根部逐渐增大，整个接头上部焊缝中心硬度最小，低于母材组织，根部焊缝中心硬度值最高。随钝边值的增大，焊接接头根部碳化物的析出减少，组织略变粗大，一次枝晶发达粗大。
　　关键词：坡口尺寸；复合焊；接头特征
　　中图分类号：TG456。7
　　Abstract：TheeffectofgroovesizeonmechanicalpropertiesandmicrostructureofthickplateHQ785T1lowalloyhighstrengthsteelweldedjointfilledbylaserarchybridweldingprocesswithER69Gwirewasstudied。Thetestresultsshowthatthebiggerthegrooveangleis，thesmallerthetensilestrengthoftheweldedjointis，thelowertheimpactvalueofeachpartoftheweldedjointiswhenthesizeofrootfaceisthesame。Whenthegrooveangleisthesame，thebiggerthesizeofrootfaceis，thelowerthetensilestrengthoftheweldedjointis，andthelowertheimpactvalueoftherootcenteroftheweldedjointis。Thehardnessincreasesgraduallyfromtheuppersurfacetotheroot，andthehardnessofthecenteroftheweldedjointisthelowest。Thehardnessatthecenteroftherootweldisthehighest，whichislowerthanthatofthebasemetal。Withtheincreaseofrootfacesize，theprecipitationofcarbideintherootofweldedjointdecreases，thestructurebecomesslightlylargerandtheprimarydendriteisdevelopedandcoarse。
　　Keywords：jointcharacteristics
　　0前言
　　低合金高强钢因具有比强度高、韧性好等特点，使其在压力容器、船舶及军工等领域应用越来越广泛〔1〕。传统弧焊工艺在焊接低合金高强钢方面存在若干问题，如易出现焊接冷裂纹、热影响区的软化及脆化等问题。解决低合金高强钢传统弧焊存在问题一般采用焊前预热，预热不仅恶化了劳动条件，使得焊接工艺过程更为复杂，且在某些条件下难以实施。因此，在保证焊接接头力学性能的同时，实现低合金高强钢不预热焊接具有迫切的工程需求。
　　激光焊具有精度高、速度快、穿透比大及焊后变形小等特点〔23〕。但激光焊试件装配要求较高，并且对于厚板焊接，单独激光自熔焊无法满足余高等方面的要求。激光电弧复合焊充分利用了激光和电弧的优势，降低了装配要求，提高了焊接过程的稳定性和焊接效率，是一种高效优质的焊接方法。
　　近年来，随着激光电弧复合焊技术的发展，该焊接工艺可实现低合金高强钢无预热条件下的高效优质的焊接〔4〕，并且复合热源焊接低合金高强钢在部分领域已得到工程化应用〔5〕。然而，低合金高强钢复合焊的研究与应用主要涉及中薄板，对于厚板复合焊以及坡口对接头性能的影响方面的研究较少。
　　基于当前低合金高强钢激光电弧复合焊工艺现状，研究了坡口尺寸对大厚板低合金高强钢激光MAG复合焊接头特征的影响，为大厚度低合金高强钢激光电弧复合焊的应用提供一定的试验依据。
　　1试验材料与方法
　　试验采用Y形坡口对接焊，单面焊双面成形，激光热源为TruDisk6002型激光器，弧焊热源为FroniusCMTAdvanced4000Rnc型焊机，激光与电弧复合的方式为激光在前，电弧在后，光丝间距D3mm。试验原理，如图1所示。
　　采用材料为28mm厚的HQ785T1高强钢，焊丝为1。2mmER69G，母材及焊丝成分见表1。對HQ785T1高强钢，取坡口角度分别为30，45，60，钝边分别为5mm和7mm，保护气体80Ar20CO2，焊接工艺参数见表2。
　　拉伸试验、冲击韧性试验、硬度测试分别按照GBT26512008《焊接接头拉伸试验方法》、GBT26502008《焊接接头冲击试验方法》和GBT26542008《焊接接头硬度试验方法》进行。采用OLYMPUSPME型光学金相显微镜和Quanta200型扫描电镜进行微观组织分析。
　　2试验结果及分析
　　2。1力学性能
　　2。1。1拉伸性能
　　拉伸性能是评价焊缝质量的重要指标，对复合焊接头按照标准进行取样并进行拉伸试验分析，接头拉伸性能测试结果见表3。拉伸试验结果表明，不同钝边值对接板进行激光MAG复合热源焊接所得到的焊接接头均断于母材，焊接接头强度高于母材，断裂位置位于母材。钝边值相同时，坡口角度越大，此时得到的焊接接头的抗拉强度越小；坡口角度相同时，钝边值越大，抗拉强度越小。
　　2。1。2冲击性能
　　冲击吸收能量是焊接接头重要的力学性能指标，对不同坡口尺寸的接头上部中心、上部熔合线、焊缝根部中心及焊缝根部熔合线位置进行冲击韧性试验，试验结果见表4。
　　冲击试验结果表明，焊缝根部中心的低温冲击吸收能量最低；钝边值相同时，坡口角度越小，焊缝各部位的冲击吸收能量也越小；坡口角度相同时，钝边值越大，焊缝根部中心的冲击吸收能量也越小。从冲击试验结果可知，对于大厚板、大钝边接头的激光复合焊而言，焊缝根部是其冲击吸收能量最差的部位。
　　2。1。3硬度测试分析
　　硬度试验所用典型接头为钝边值5mm、坡口角度45的复合焊焊接接头。硬度测试分为3个方向测试，分别为焊缝上部横向硬度测试、焊缝根部横向硬度测试及焊缝中心纵向硬度测试。硬度试验取样测试部位及结果，如图2所示。
　　由图2可知，大厚板复合焊接头焊缝中心硬度从上表面到根部逐渐增大。整个接头上部焊缝中心硬度最小，低于母材组织，根部焊缝中心硬度值最高。接头根部焊缝中心硬度值高于母材，热影响区出现局部硬化和软化现象。接头上部焊缝硬度值低于母材，热影响区也出现了局部硬化和软化现象。复合焊接头硬化、软化区较窄，约为0。25～0。5mm，硬化和软化现象不明显。接头上部焊缝组织硬度较低的原因在于，使用焊后熔敷金属抗拉强度大于700MPa级的焊丝，其抗拉强度低于母材组织，淬硬倾向也较低，故硬度值较母材低。焊缝根部焊缝成形主要靠激光深熔焊，冷却速度快，淬硬倾向大，故硬度值最高。
　　2。2断口形貌分析
　　图3为不同钝边值根部焊缝冲击断口SEM照片。从图3可以看出，在坡口尺寸为H5mm，45和H7mm，30条件下，其焊缝根部位置断口均由韧窝与准解理面组成的混合形貌，这说明断裂方式均介于塑性断裂方式与准解理断裂方式之间；不同之处在于图3b中的准解理面区域所占比例大于图3a中的准解理面区域。从冲击试验可知，图3b对应的焊接接头冲击吸收能量较小，随着焊接接头坡口钝边值的增大，焊缝根部碳化物的析出减少，焊缝根部的组织略变粗大，其组织淬硬倾向变大，从而使其冲击吸收能量有所下降，即钝边值的大小影响着最终接头的冲击吸收能量，钝边值增大时会使其焊缝根部位置的冲击吸收能量减小。
　　2。3微观组织分析
　　不同的力学性能反映了不同的组织结构。图4为不同钝边焊缝根部的微观形貌。从图4可以看出，在激光MAG复合焊焊缝坡口尺寸为H5mm，45和H7mm，30条件下，焊缝根部组织均为粒状贝氏体，不同点在于图3b中碳化物的析出量有所减少，微观组织较图4a粗大。图4a焊缝根部组织粗大，主要因为随着钝边值增大，焊缝根部与上部MAG电弧熔池距离较远，根部接收到的热量较小，并且根部位置冷却速度较快，焊缝根部在高温停留时间较短；而碳化物的析出需要一定的时间及过程，时间短则碳化物析出量就较少，焊缝散热快则温度梯度大，使得一次结晶组织长大速度快，最终枝晶组织发达粗大，粗大的枝晶使得组织脆化。这就佐证了H7mm根部冲击吸收能量较H5mm较低的结论。
　　3结论
　　（1）钝边值相同时，坡口角度越大，接头的抗拉强度越小，而焊缝各部位的冲击吸收能量越大；坡口角度相同时，钝边值越大，焊缝根部中心的冲击吸收能量越小；焊缝接头中心硬度从上表面到根部逐渐增大。
　　（2）焊缝根部位置断口由韧窝与准解理面组成的混合形貌，其断裂方式均介于塑性断裂方式与准解理断裂方式之间；随着焊接接头钝边值的增大，准解理面区域所占比例增加。
　　（3）对不同钝边值，焊缝根部组织均为粒状贝氏体，并且随着接头钝边值的增大，碳化物的析出量有所减少，组织出现粗大、脆化现象。
　　参考文献
　　〔1〕邹增大。低合金调制高强度钢焊接及工程应用〔M〕。北京：化学工业出版社，2000。
　　〔2〕李俐群。铝合金双光束焊接特性研究〔J〕。中国激光，2008，35（11）：17831788。
　　〔3〕滕彬，杨海锋，王小朋，等。激光小孔型气孔产生原因及抑制方法〔J〕。焊接，2015（9）：3437。
　　〔4〕林尚扬，关桥。中国工程院咨询项目总结报告：我国制造业焊接生产現状与发展战略研究〔R〕。北京：中国工程院咨询项目总结报告，2003。
　　〔5〕BrattC，NoelJ。Laserhybridweldingofadvancedhighstrengthsteelsforpotentialantomotiveapplications〔C〕。ICALEO2004。Orlando：LaserInstituteofAmerica，2004：201210。