10 mm厚Q355B激光-电弧复合焊接接头组织及性能

1、PAGE PAGE - 6 -10mm厚Q355B激光-电弧复合焊接接头组织及性能摘要：采用光纤激光-MAG复合焊接技术对10mm厚Q355B试板进行单道焊接，利用激光和电弧形成的复合热源实现大熔深及热输入的控制。试验结果表明，焊缝金属组织主要为铁素体和部分珠光体，激光热源作用区较电弧热源作用区的热影响区小、钝边区域的焊缝组织细小。焊接接头屈服强度429MPa，断口位置发生在母材上，拉伸断口形貌为韧窝断裂。母材与焊缝冲击断口形貌均主要为准解理断裂。激光热源主要作用的焊缝硬度约为269HV，电弧热源主要作用焊缝硬度约为255HV。关键词：激光-电弧复合焊接;显微组织;力学性能中图分类号：TG45

2、6.7Microstructureandmechanicalpropertiesof10mmthickQ355Blaser-archybridweldedjointZhangShusheng，ZhongLiming（SIASUNRobotmicrostructure;mechanicalproperties0前言焊脚高度10mm以上目前主要采用半自动、自动熔化极气保护多层多道焊接，焊接工艺非常成熟，目前仍存在生产效率低、热输入大、焊接飞溅多等缺点。激光具有方向性强、能量集中的热源优势可以实现钥匙孔深熔焊，激光-电弧复合焊接技术是把激光热源与电弧热源耦合在一个区域进行焊接，充分利用两种热源的各自

3、优点1-3。激光-电弧复合焊接相比于单激光焊接可获得更大的熔深，由以下几方面原因构成：由于电弧对工件的加热，增加了工件对激光的吸收率;激光等离子体和电弧等离子体的相互作用，电弧等离子体一般会对激光等离子体有稀释作用，因此减小了等离子体对激光的折射;激光-电弧复合焊接时通过采用Y形坡口，激光所需穿透的深度相對减小，使复合焊接工件的厚度增加4-6。同时激光可稳定电弧，减小电弧焊接飞溅，达到改善焊缝金属成形的目的7-9。文中试验采用激光与MAG电弧焊接方法对10mm厚Q355进行单道全熔透焊接。其研究结果对激光-电弧复合焊接技术在中厚板结构件全熔透焊接应用领域可行性提供一定的试验依据。1试验过程1.

4、1试验材料试验材料为10mm厚的Q355低合金钢，母材显微组织如图1所示。母材晶粒尺寸均匀一致，由铁素体和部分珠光体组成，组织在轧制状态下呈现出平行于轧制方向。试板对接采用Y形坡口形式：钝边高度6mm、坡口角度40。电弧采用1.2mm的ER50-6实心焊丝，保护气体为82%Ar+18%CO2。1.2试验系统试验系统由激光器、焊机、激光-电弧复合焊接头等组成。其中激光器为6kW的IPG光纤激光器，光纤直径为150m;电弧焊机采用全数字化逆变焊接电源福尼斯TPS500i;激光-电弧复合焊接头为：PrecitecYW52+TBi焊枪+复合连接机构。激光-电弧复合焊接系统照片如图2所示。2.1焊接工艺

5、激光-电弧复合焊接除了激光与电弧各自的工艺参数之外，两个热源的相对位置、排列顺序等因素都会对焊缝金属成形有较大的影响。该试验在10mm厚板进行激光-电弧复合焊接时激光引导在前，激光垂直于焊接方向可以得到更大的熔深，电弧焊枪为推枪焊接有利于焊缝成形。激光工艺参数：激光功率为5kW，离焦量为0mm。电弧工艺参数：焊接模式采用脉冲一元化，焊接电流为240A，保护气体流量为25L/min。激光与电弧相对关系：激光与电弧间距（指的是工件表面激光与电弧瞄准点之间的距离）为2mm，激光与电弧夹角为30。焊接速度为0.8m/min，试板组对间隙0.5mm。焊缝成形图片如图3所示。2.2显微组织该试验激光-电弧

6、复合焊接中激光和电弧的热输入相当，焊缝可分为电弧能量主要作用的坡口区域，基本由填充焊丝与部分熔化的母材共同形成;激光能量主要作用的钝边区域，基本由受激光能量熔化的母材与少部分填充金属形成。坡口区域焊缝金属最先在靠近熔合区的母材上非自发形核，焊接接头显微组织如图4所示。由于坡口区域焊缝在高温停留时间较长，散热方向决定了晶体生长的方向，形成典型的柱状晶体结构。随着温度的降低，块状先共析铁素体首先沿着柱状奥氏体晶界析出，随后侧板条铁素体以板条形式向晶内长大，最后在奥氏体晶内出现针状铁素体。钝边区域焊缝金属由于激光的穿透性钥匙孔效应焊接形成的熔池窄小，冷却速度快能在液相中形成较宽的成分过冷区，有利于非

7、自发形核，焊接接头显微组织如图5所示。与坡口区域焊缝相比没有形成柱状晶体结构，晶粒明显细化，焊缝组织主要由细小均匀的针状铁素体组成，针状铁素体相互交织在一起，对提高焊缝金属的强度起到作用。焊接热影响区是焊接接头的薄弱地带，由于激光的低热输入，钝边区域的热影响区域小于坡口区域，有利于提高焊缝综合力学性能。2.3力学性能拉伸试验断口位置发生在母材上，由此可知焊接接头的强度要高于母材，试件拉伸过程应力-应变曲线如图6所示。复合焊接接头屈服强度为429MPa，断后伸长率为23%。焊接接头在拉伸过程中在母材部位产生颈缩后断裂，扫面电镜图片如图7所示，拉伸试件断口的微观形态为等轴韧窝，凹坑大小细小均匀，这

8、说明焊接接头拉伸断裂形式为韧性断裂。母材与焊接接头冲击试样采用夏比V形缺口，试验温度为0。在冲击过程中首先受到很大的外部冲击力快速失稳扩展，典型形貌如图8所示。母材的断口形貌主要为准解理断裂，撕裂棱明显。焊缝的断口形貌主要为准解理断裂，并伴有少量的撕裂韧窝，这是由于受电弧热源的影响，填充金属材料对断口形貌产生的影响。焊接接头硬度分布曲线如图9所示，钝边区域、坡口区域分别为距离下表面、上表面2mm的硬度分布曲线。钝边区域焊缝金属硬度约为269HV，坡口区域硬度约为255HV。归因于钝边区域焊缝熔池小，冷却速度快，为均匀细小的针状铁素体和珠光体组织。3结论（1）对10mm厚Y形坡口对接接头采用激光

9、-电弧复合单道焊接工艺，焊接工艺参数：激光功率为5kW，电弧焊接电流为240A;激光与电弧间距為2mm、夹角为30;焊接速度为0.8m/min，试板组对间隙0.5mm。获得了良好力学性能的焊接接头。（2）焊缝组织主要为针状铁素体及部分珠光体。钝边区域的热影区较坡口区域的窄小，钝边区域的焊缝组织较坡口区域的细小。（3）焊接接头屈服强度为429MPa，断后伸长率为23%，拉伸断口形貌为等轴韧窝。焊缝的冲击断口形貌主要为准解理断裂。钝边区域焊缝金属硬度约为269HV，坡口区域硬度约为255HV。参考文献1钟立明.耐候钢厚板的激光-电弧复合焊接性能研究D.沈阳：沈阳工业大学硕士学位论文，2022.2蒋

10、宝，雷振，黄瑞生，等.万瓦级光纤激光-MAG复合焊接焊缝成形J.焊接，2022（6）：5-11，32.3聂鑫，李小宇，黄瑞生，等.铝合金万瓦级激光-MIG电弧复合焊缝成形J.焊接，2022（2）：24-27，37.4李志勇，王威，王旭友，等.激光-MAG复合焊等离子体辐射分析J.焊接学报，2022，31（3）：21-28.5严春妍，张浩，朱子江，等.X80管线钢多道激光-MIG复合焊残余应力分析J.焊接学报，2022，42（9）：28-34，41.6黄瑞生，杨义成，蒋宝，等.超高功率激光-电弧复合焊接特性分析J.焊接学报，2022，40（12）：73-77.7刘双宇，张宏，石岩，等.CO2激光-MAG电弧复合焊接工艺参数对熔滴过渡特征和焊缝形貌的影响J.中国激光，2022，37（12）：3172-3179.8苏沚汀，李桓，韦辉亮，等.激光对脉冲MIG焊熔