Q890D钢激光-电弧复合焊冷裂纹敏感性

Q890D钢激光-电弧复合焊冷裂纹敏感摘要：通过开展斜Y形坡口试验，研究了15mm,20mm两种板厚Q890D高强钢在室温和预热150T条件下激光-电瓠复合焊冷裂倾向。结果说明，在3.94kJ/cm热输入下，15nlm厚Q890D钢预热150℃后焊接，无冷裂纹出现;不预热焊接，那么会产生外表裂纹和根部裂纹；相同的热输入下20mm厚Q890D钢预热15CTC和不预热焊接，均会产生表面裂纹和根部裂纹。与不预热相比，采用焊前预热15CTC,15111nl厚Q890D钢热影响区平均硬度从428HV下降至418HV；20mm厚Q890D钢热影响区平均硬度从457HV下降至444HVo热影响区存在软化现象,在热影响区靠近母材一侧硬度比母材低，15mm厚和20nm厚Q890D钢软化区硬度降幅分别为6%和7%,二者基本相同。Q890D钢焊缝组织由马氏体组成，热影响区组织由回火索氏体和局部马氏体组成。与15mm厚Q890D钢相比，20mm厚Q890D钢的热影响区中更多的组织发生了发生马氏体转变。关键词：Q890D；激光-电弧复合焊;斜Y形坡口；冷裂纹敏感性中图分类号：TG456.7ColdcracksensitivityofQ890Dsteelbylaser-archybridweldingCaoYuqiNiChuanhaoYiWeiLiJianyu(1.NationalEngineeringTechnologyResearchCenterofConcreteMachinery,Changsha410013,Hunan,China；2.ZoomlionHeavyIndustrySciencelaser-archybridwelding；obliqueYgroove；coldcracksensitivity0前言^满足节能减排、绿色环保的需求，轻量化是工程机械的必经之路。轻量化的主要途径之一就是进一步采用更高级别的高强钢，以减少工程机械结构件的重量。屈服强度900MPa级别的高强钢，强度高，塑韧性较低，通常认为其焊接性主要有以下特点：热影响区组织与性能的变化对焊接热输入较为敏感，热影响区淬硬倾向增大，对氢致裂纹敏感性较大。为了防止冷裂纹的产生，通常还要采用焊前预热工艺[1-4]o目前，有不少研究者对弧焊工艺条件下Q890D高强钢的焊接性进行研究：通过理论计算，Q890D钢碳当量0.56%,冷裂纹敏感性0.35,最低预热温度112七［5］。斜Y形坡口试验说明，对于Q890D钢20nlm板厚在室温下不预热MAG焊会产生裂纹，预热100℃后不会产生裂纹;而15mm和10mm板厚在室温下焊接不会产生裂纹［6］。严格控制层间温度，Q890D钢焊缝主要以铁素体和马氏体为主，热影响区粗晶区以板条马氏体为主，细晶区以铁素体和下贝氏体为主［7］。对30mm厚Q890D钢焊接应防止过大的热输入，而较佳的热输入为12kJ/cm［8］。激光-电弧复合焊通常是指将激光束和电弧两种物理性质、能量传输机制截然不同的热源复合在一起，同时作用在工件外表，对工件进行加热完成焊接的过程。国内外学者对高强钢的激光复合焊开展了许多研究工作，但主要集中在激光-电弧复合焊机理、接头性能和组织形貌等方面［9-15］,对冷裂纹敏感性的试验研究较少。文中通过对不同板厚的Q890D钢采用斜Y形坡口试验,研究其激光-电弧复合焊冷裂纹敏感性,为Q890D钢激光-电瓠复合焊工艺的拟定提供参考。1试样制备与试验方法试样材料试验材料为Q890D高强钢，化学成分和力学性能分别见表1、表2O焊材为等强匹配的气体保护焊实芯焊丝，牌号为ER120S-G,直径为1.2mm,化学成分和熔覆金属的力学性能分别见表1、表3。激光-电弧复合焊过程采用富氮气保护，保护气体为80%Ar+20%C02o试验设备焊接设备包括YLS-6000激光器，双通道，光纤直径150uin,以及TPS4000弧焊电源。激光焊接头为YW52直焊接头，焦距279mm,光斑直径0.205mm。就板焊接完成后，采用BX53MRF型金相显微镜观察焊接接头的宏观形貌和显微组织，采用HV-1000型显微硬度计进行焊接接头截面的显微硬度试验。试验方法依据标准GB/T32260.2—2022《金属材料焊缝的破坏性试验焊件的冷裂纹试验瓠焊方法第2局部：自拘束试验》实施斜Y形坡口焊接裂纹试验。共设计了不预热和预热到i5(rc两组比照试验，用于评价中厚板激光复合焊根部裂纹敏感性。斜Y形坡口试验件尺寸如图1所示,焊缝分为拘束焊缝和试验焊缝两局部，焊前清理焊道坡口及两侧20mm范围内油污铁锈，露出金属光泽。拘束焊缝采用人工焊接，焊材与试验焊缝相同。拘束焊缝前预热至150℃,打底焊电流为160〜180A,电弧电压为18〜20V,焊接速度30〜40cm/min。填充焊和盖面焊层间温度150〜250℃,焊接电流为250〜280A,电弧电压26〜30V,焊接速度30〜40cm/niin。在拘束焊缝完成冷却后，采用激光复合焊焊接试验焊缝，激光在前引导形成小孔，电弧在后熔覆填充，焊接热输入为3.94kJ/cm,试验焊缝的焊接工艺参数见表4o试验焊缝焊完后自然冷却，静置48h后，进行裂纹检测。裂纹检测分为外表裂纹检测和根部裂纹检测两类，焊缝外表裂纹采用目视检查，根部裂纹采用断面宏观金相观察。按GB/T26955-2022《金属材料焊缝破坏性试验焊缝宏观和微观检验》的规定切取金相试样，如图2所示，以引弧处和弧坑中心之间焊道宽度均匀四等分,5个剖面与坡口平行。金相试样采用线切割方法切取,经过打磨、抛光后，用5%的硝酸酒精溶液腐蚀，再采用100倍显微观察金相剖面上焊缝金属和热影响区的裂纹。对上述4组试样，按GB/T2654—2022《焊接接头硬度试验方法》要求各选择试验焊缝一个剖面做维氏硬度试验。根据焊缝形貌和热影响区特点，选择98N载荷进行17个点显微硬度检测，具体检测点位置如图3所示。2试验结果与讨论2.1斜Y形坡口裂纹试验图4为4组斜Y形坡口试验焊缝外表状态，从图4可发现，除了2号试样外，其他3个试样均出现贯穿型外表裂纹。外表裂纹率按式(1)计算，计算结果见表5。Cf=Elf/LX100%(1)式中：Cf为外表裂纹率，％；L为试验焊缝长度，mm；Elf为外表裂纹总长度，mm。图5为4组试样的焊缝断面宏观形貌，从图中可发现，外表裂纹从试验焊缝的上外表萌生，一直贯穿到焊缝底部。根部裂纹从底部萌生，扩展延伸区域较外表裂纹更小。剖面(根部)裂纹率按照式(2)测算，计算结果见表5。Cs=Hc/HX100%(2)式中；Cs为剖面裂纹率，％；H为试验焊缝最小厚度，mm；Hc为根部裂纹的高度，mm；高度小于0.5mm的缺陷(HcWO.5mm)不视为氢致裂纹。由表5可以看出，15mm厚Q890D钢在室温下焊接，外表裂纹率100%,根部裂纹率11%；在150C预热条件下焊接，外表裂纹率和根部裂纹率均为Oo20mm厚Q890D钢在室温下焊接，外表裂纹率100%,根部裂纹率11%;在15CTC预热条件下焊接，外表裂纹率为100%,根部裂纹率均为12%。分析其原因，在焊接热输入相同的条件下，板厚越厚，焊缝熔池的冷却速度越快，焊缝区形成淬硬组织越多，出现冷裂纹的倾向越大。对板厚为15mm的Q890D高强钢，在文中焊接工艺参数条件下，可以通过焊前预热，消除焊后冷裂纹的出现。但是，对于板厚20mm的Q890D高强钢，采用焊前预热已无法消除或者减少焊后冷裂纹的出现，需调整焊接规范，如降低焊接速度，提高焊接热输入，以降低焊缝熔池的冷却速度，进而减小焊接接头的冷裂纹倾向。2.2硬度试验图6为4组焊接试样焊接接头各测量点维氏硬度分布，从图6a可看出，与不预热相比，15mm厚Q890D钢焊前预热15(TC条件下，焊缝区平均硬度从450HV下降至405HV,热影响区平均硬度从428HV下降至418HV。从图6b可看出，与不预热相比，201nm厚Q890D钢焊前预热150℃,焊缝区平均硬度从432HV下降至425HV,热影响区平均硬度从457HV下降至444HV。显然，通过采用焊前预热，可以在一定程度上降低焊接接头的硬度，提高其的塑性，进而降低Q890D的淬硬倾向。在相同的焊接参数和外部环境下，焊后冷却速度越快，热影响区的淬硬倾向也越大。与15mm厚Q890D钢相比,201nm厚钢板冷速快,其热影响区硬度也更高，最高值到达了462HV。从图6还可看出，试样热影响区的硬度分布不均匀，且存在软化现象，在热影响区靠近母材一侧硬度比母材低，此处称为软化区。与母材硬度相比，15mm厚和20mm厚Q890D钢软化区硬度降幅分别为6%和7%,二者化基本相同。为明确显微组织对硬度和性能的影响，对试样焊接接头显微组织进行了观察和分析。图7为2号和4号试样的焊接接头显微组织，从图中可以看出，2组试样焊缝组织均由马氏体组成，整体上差异不大;但2组试样的热影响区均发生了不完全相变，该区域组织由回火索氏体和局部马氏体组成。显然，同样采用焊前预热15CTC,20nmi厚Q890D的热影响区马氏体数量比15mm厚Q890D钢更多，这是因为其板厚更厚，冷却速度更快，更多的固相组织发生了发生马氏体转变。3结论(1)在3.94kJ/cm热输入下，15mm厚Q890D钢预热150℃后焊接，无冷裂纹出现，不预热焊接，那么会产生外表裂纹和根部裂纹;相同的热输入下20mm厚Q890D钢预热150℃和不预热焊接，均会产生外表裂纹和根部裂纹。(2)通过采用焊前预热，可以在一定程度上降低焊接接头的硬度,进而降低Q890D的淬硬倾向。与焊前不预热相比，采用焊前预热150℃,15mm厚Q890D钢热影响区平均硬度从428HV下降至418HVO20mm厚Q890D钢热影响区平均硬度从457HV下降至444HVo(3)热影响区存在软化现象，在热影响区靠近母材一侧硬度比母材低，15mm厚和20mm厚Q890D钢软化区硬度降幅分别为6%和7%,二者基本相同。(4)Q890D钢焊缝区组织均由马氏体组成，热影响区组织由回火索氏体和局部马氏体组成。与15mm厚Q890D钢相比，20mni厚Q890D钢的热影响区中更多的固相组织发生了发生马氏体转变。参考文献[1]陈建国，杨咏梅，李俐群，等.Ni对Q690钢SMAW熔敷金属组织和性能的影响[J].焊接，2022(7)：29-33,40.[2]QiuRongpeng,FengXu.Effectofaluminiumelementonmicrostructureandpropertiesofweldmetalof960MPasteel[J].ChinaWelding,2022,29(4)：48-53.[3]乔及森，杨元庄，高振云，等.焊剂片约束电弧焊接高强钢T形接头电弧形貌与熔滴过渡模式分析[J].焊接学报，2022,42(4)：28-35.[4]CuiBing,YanPeipei,DuQuanbin,etal.Theweldingapplicationofhighstrengthsteelsusedinengineeringmachinery[J].ChinaWelding,2022,30(1)：57~64.[5]张凤明，徐楠，付学义.低合金高强钢Q890D焊接工艺研究[J].包钢科技,2022,44(6)：46-54.[6]谭星，倪川皓，江亚平.工程机械厚板高强钢D-Arc高效焊接工艺[J].焊接,2022(6)：56-60.[7]肖红军，田志凌，崔冰.Q890D钢焊接冷裂纹敏感性试验研究[J].焊接，2022(11)：28-33.[8]斡振仙,兰志宇，孙远方，等.热输入对Q890D低合金高强钢焊接性能的影响[J].焊接，2022(3)：56-64.[9]马彦龙，陈辉，赵旭，等.lOOOMPa级超高强钢激光复合焊接头力学性能研究[J].中国激光，2022,48(6)：163-174.[10]XuW,WesterbaanD,NayakSS,etal.Microstruetureandfatigueperformanceofsinglean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