文章信息
- 谷晓鹏, 段珍珍, 邓钢, 谷晓燕. 2015.
- GU Xiao-peng, DUAN Zhen-zhen, DENG Gang, GU Xiao-yan. 2015.
- S355J2W+N钢激光-MAG复合焊与MAG焊对比
- Comparison Between Laser-MAG Hybrid Welding and MAG Welding of S355J2W+N Steel
- 材料工程, 43(2): 20-25
- Journal of Materials Engineering, 43(2): 20-25.
- http://dx.doi.org/10.11868/j.issn.1001-4381.2015.02.004
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文章历史
- 收稿日期:2013-06-27
- 修订日期:2014-04-23
2. 长春轨道客车股份有限公司, 长春 130062
2. Changchun Railway Vehicles Co., Ltd., Changchun 130062, China
S355J2W+N低碳钢由于添加了铬、铜等合金元素,通过气候条件的影响在基体表面形成了一层具有自我保护功能的氧化膜,从而在大气环境下具有较强的耐腐蚀性,被广泛地应用于轨道车辆、石油管道和造船行业中[1, 2, 3]。
气体保护焊是在气体保护气氛中,以电弧为能源对金属进行熔化焊接的方法,特别适合于薄板焊接[4, 5, 6, 7]。厚板低碳钢的焊接主要采用传统的自动和半自动气体保护焊多层焊接,如MAG焊、TIG焊,焊接和打磨工作量非常大,焊接和打磨产生的烟尘、电弧产生的热量使工作环境条件非常差。针对存在的问题,急需找到一种高效、污染小的焊接方法。激光-电弧复合焊通过激光与电弧相互作用,充分发挥了各自的优势,形成了一种新的高效焊接热源,可有效地提高焊接速率和熔敷率,减小热影响区,减少MAG焊接气孔和裂纹的缺陷[8, 9, 10, 11, 12, 13]。 目前,激光-电弧复合焊在铝合金和不锈钢上已有较多的研究,而在厚板低碳钢上的研究较少[14]。本工作研究了16mm板厚S355J2W+N低碳钢机械手MAG焊和激光-MAG复合焊的接头组织,并对比分析了焊缝接头的力学性能,为复合焊技术在厚板低碳钢上的应用提供实验基础和理论依据。
1 实验材料和方法 1.1 实验材料实验采用的母材为S355J2W+N板材,为正火轧制状态,主要由近等轴状的铁素体晶粒构成,并具有因枝晶偏析和夹杂物在轧制过程中被拉长所造成的“带状组织”特点(见图1)。尺寸规格为300mm×100mm×16mm,成分如表1所示。采用G 424M(C)G0(EN440—1995[15])焊丝,直径为1.2mm。焊接前对焊缝周围20mm表面进行打磨,并用丙酮去除表面油脂。
实验使用6kW光纤激光器、6轴CNC机械手系统和500A直流弧焊电源组成的激光-MAG复合焊接设备。复合焊采用单面三层焊接,MAG焊接采用单面五层焊接,要求单面焊双面成型。焊接保护气体成分为80%Ar+20%CO2,工艺参数如表2和表3所示。实验根据标准ISO 15614—1—2004进行取样和检测。采用PMG3型金相图像分析系统、D/max 2500pc型X射线衍射仪研究焊接接头的微观组织;采用MH-3型显微硬度计测试接头的硬度分布;采用HY-1000型万能实验机进行拉伸性能测试。
Layer | Laser power/ W |
Welding current/ A |
Welding voltage/ V |
Welding speed/ (m·min-1) |
Defocusing amount/ mm |
Gas flow/ (L·min-1) |
1st | 6.0 | 240 | 21 | 1.2 | ||
2nd | 2.0 | 270 | 24 | 0.4 | -2 | 18-20 |
3rd | 2.0 | 270 | 24 | 0.4 |
Layer | Welding current/A |
Welding voltage/V |
Welding speed/ (m·min-1) |
Gas flow/ (L·min-1) |
1st | 150-170 | 18-19 | 0.20 | |
2nd 3rd |
240-250 240-250 |
27-28 27-28 |
0.40 |
18-22 |
4th | 260-270 | 30-31 | 0.30 |
图2为MAG焊和激光-MAG复合焊接头的宏观形貌。从图2可以看出,与常规MAG相比,复合焊接头上宽下窄,焊丝填充量大幅度降低,焊接热影响区明显减小,具有近似“高脚杯”状的突出特点。焊缝金属呈柱状晶形式,由半熔化的母材晶粒向熔池生长,柱状晶生长方向近似垂直于焊接熔池边界,具有联生结晶特点。由于复合焊焊缝底部较窄,焊缝两侧联生的柱状晶相对生长在中心线附近形成等轴晶。两种焊接方法焊缝接头均由焊缝区、过热区、重结晶区和不完全重结晶区构成。
2.1.1 焊缝区经XRD分析,复合焊和MAG焊焊缝区相结构主要为α-Fe。图3为复合焊和MAG焊焊缝顶层 (第三层)的微观组织,为未经重熔和热处理作用的焊态组织。从图3可以看出,复合焊焊缝中块状先共析铁素体沿奥氏体晶界析出,大量的针状、条状铁素体由奥氏体晶界向晶内生长,也可见少量的珠光体组织。该区的组织形貌与MAG焊的类似,这主要是由于复合焊在顶层焊接过程中,电弧起主要作用,激光功率较小,主要对电弧起引导和稳定作用。
图4为焊缝底层(第一层)微观组织。底层焊缝受到前层焊缝的热处理作用,微观组织发生变化,与顶层焊缝相比,晶粒均有细化的趋势。复合焊在焊缝底层激光起主要作用,且由于激光功率高、焊接熔池小,在较快的冷却速率下,还产生了类似于魏氏体和贝氏体的组织(图4(b));MAG焊冷却速率较缓慢,在冷却过程中主要发生γ→α转变,最终形成具有等轴晶粒的正火组织。
2.1.2 过热区图5为接头过热区的微观组织。复合焊过热区的组织主要为过热魏氏组织,也含有少量的珠光体和贝氏体(图5(a))。在焊接热循环作用下,过热区奥氏体晶粒急剧长大,粗大的奥氏体在较快的冷却速率下形成了魏氏组织。魏氏组织中的铁素体是以切变机制沿着奥氏体的{111}晶面长大,铁素体易由晶界向奥氏体晶粒内部生长,在一个粗大的奥氏体晶粒内形成许多平行的铁素体片,在铁素体片之间的剩余奥氏体最后转变为珠光体。同时一些难溶质点(如碳化物和氧化物等)溶入奥氏体,增加奥氏体的含碳量,使动力学转变曲线右移,在快冷条件下形成少量的贝氏体。MAG焊过热区主要为沿原奥氏体晶界分布的块状先共析铁素体、珠光体组织、魏氏组织和较多的粒状贝氏体(图5(b))。复合焊与MAG焊相比,由于其冷却速率快,过热区魏氏组织增多。S355J2W+N钢属于不易淬火钢,过热区的魏氏组织是焊接接头脆化的主要原因之一,降低焊接热输入有利于控制奥氏体晶粒粗大,从而改善接头韧性。
2.1.3 重结晶区图6为重结晶区的微观组织。从图6可以看出,复合焊和MAG焊重结晶区的组织基本相同,均为均匀细小的块状铁素体和少量的珠光体。由于在加热和冷却过程中经受了两次重结晶相变的作用,该区晶粒明显的细化,因此具有更高的综合力学性能。
2.1.4 不完全重结晶区复合焊和MAG焊不完全重结晶区的微观组织也基本相似(见图7),在未经重结晶的原始铁素体之间分布着经过重结晶后的细小铁素体和少量的珠光体。该区只有部分金属经受了重结晶相变,因此是一个粗晶粒和细晶粒的混合区,并保留了母材的轧制特征。该区因存在部分未经重结晶的较粗大的铁素体,因此它的力学性能低于重结晶区。
2.2 焊缝接头力学性能分析 2.2.1 接头硬度分布图8为距离接头上表面2mm(FL)、下表面2mm(RL)的硬度分布曲线。由于复合焊焊缝区主要为柱状、针状、条状、块状铁素体和少量的贝氏体和珠光体,因此硬度相对较高。在整个焊接接头中过热区的硬度最高,这主要归因于大量的魏氏组织。重结晶区主要由细化的等轴铁素体晶粒构成,其硬度低于过热区,但稍高于不完全重结晶区。在焊接过程中母材区未发生固态相变,因此其硬度低于焊缝区和热影响区。与接头上部的过热区相比,复合焊接头下部的过热区硬度明显提高,这主要归因于冷却速率增大导致过热区组织细化。复合焊接头硬度最高值(280HV)出现在焊缝下部的过热区,满足EN15614标准[16]中不超过380HV的要求。
图8(b)为MAG焊接头的硬度分布曲线。接头硬度分布曲线的变化趋势与复合焊相似,但硬度均值低于复合焊,这与MAG焊焊缝填充量大,冷却缓慢有关。因焊缝上部和下部宽度变化均匀,因此上表面与下表面硬度值差异较小,最高值(242HV)出现在焊缝上部的过热区。
2.2.2 接头抗拉强度图9为复合焊接头断裂位置和断口形貌。从图9可以看出,焊接接头拉伸过程中产生明显的颈缩,且颈缩均发生在母材区,表明焊接接头的强度和塑性是不均匀的,焊缝和热影响区的强度高于母材,而母材的塑性高于焊缝和热影响区。接头断裂均发生在母材区,断口表面具有明显的塑性变形特征。MAG焊接头断裂位置、断口形貌和复合焊基本相同。从表4接头拉伸实验结果也可以看出,复合焊和MAG焊在抗拉强度、屈服强度和伸长率三方面无显著差异,接头的平均抗拉强度、屈服强度及伸长率均满足生产要求。
Welding method |
Tensile strength/ MPa |
Yield strength/ MPa |
Elongation/ % |
|||
Single | Average | Single | Average | Single | Average | |
Laser-MAG | 500.5 | 380.4 | 30.0 | |||
hybrid | 498.1 | 502.6 | 379.0 | 380.9 | 28.8 | 28.8 |
welding | 509.1 | 383.2 | 27.5 | |||
MAG welding |
499.2 505.6 504.8 |
503.2 | 375.5 379.0 380.3 |
376.9 | 28.2 29.5 27.7 |
28.5 |
根据标准EN910—1996[17]对接头进行了180°横向侧弯实验。实验结果如表5所示。由表5可见,复合焊和MAG焊接头试样均可以弯曲180°,两组(每组三个)试样中均有一个试样出现裂纹,其余两个试样均无裂纹。复合焊裂纹位于焊缝宽窄变化的过渡区(见图10(a)),裂纹长度约2.4mm,这可能与该区存在应力集中有关;MAG焊裂纹出现在焊缝层间熔合线附近(见图10(b)),裂纹长度约0.6mm,原因可能与焊缝中存在缺陷(气孔、夹杂等)有相关。复合焊和MAG裂纹的长度均满足标准要求(小于3mm)。
Welding method |
Diameter ofroller/mm |
Distance ofroller/mm |
Bending angle/(°) |
Crack length/mm |
Laser-MAG | 180 | Free of crack | ||
hybrid | 30 | 70 | 180 | 2.4 |
welding | 180 | Free of crack | ||
MAG welding |
30 | 70 | 180 180 180 |
Free of crack 0.6 Free of crack |
(1)S355J2W厚板低碳钢激光-MAG复合焊和MAG焊焊缝均由焊缝区、过热区、重结晶区和不完全重结晶区构成;复合焊接头呈“高脚杯”状特点,焊缝填充量和热影响区宽度较MAG焊明显减小。
(2)复合焊与MAG焊接头在不同的区域组织结构基本类似,但由于复合焊较MAG焊焊缝冷却速率快,过热区魏氏组织略有增多。
(3)复合焊与MAG焊接头硬度的变化趋势类似,硬度最高值均出现在过热区;复合焊的硬度值略高于MAG焊,但满足标准的要求,这也与复合焊冷却速率快有关。
(4)复合焊和MAG焊接头的抗拉强度和弯曲性能无明显的差异,拉伸后均断裂于母材,且均能做180°侧弯,抗拉强度和弯曲性能满足生产标准的要求。
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