DOI:10.14128/j.cnki.al.20264602.031
中图分类号:TG456.7
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送丝速度对700L钢激光-电弧复合焊接头组织与性能的影响
0 引言
随着我国汽车工业的持续升级和技术革新,车辆的制造工艺正逐渐向高端化、智能化方向迈进。在这一转型过程中,钢材等材料通过精密焊接工艺转变为汽车的结构件,其中高效、先进的连接技术成为推动我国汽车产业技术升级的关键因素。汽车底盘是汽车最重要的结构件,汽车底盘上的纵梁、横梁、悬置梁、前后桥等零件一般都采用700L大梁钢来制造[1]。由于汽车在行驶过程中受到各种冲击、扭转等复杂应力的作用,而且超载现象屡禁不止,作为汽车的“脊梁”,车架的连接要求相当苛刻,不仅要求接头具有很高的强度,而且还要求有良好的塑性、韧性和冷弯成形性。目前大梁钢的焊接多采用CO2气体保护焊,容易产生焊接冷裂纹、未焊透等缺陷,焊接过程较难控制[2]。因此,需开发一种高效、成形优良的大梁钢焊接工艺。激光-电弧复合焊接技术是一种将激光束与电弧集成于一体的新型焊接技术,能够弥补单热源焊接的不足,具有焊接熔深大、工艺稳定性好、焊接速度快、变形小、间隙桥接能力强等优点。在焊接过程中,激光会吸引、压缩电弧使能量更集中,获得足够熔深,同时电弧对母材进行预热,可熔化更多母材,提高焊接的间隙适应性,两种热源产生的等离子体会发生相互作用、相互影响,改善熔滴过渡行为,提高焊接过程的稳定性,从而获得力学性能良好的焊接接头[3-8]。
针对激光-电弧复合焊在高强钢焊接领域的应用,国内外已开展了大量的研究[9-12]。汪认等[13]分析了高强钢激光-电弧复合焊的工艺特性,着重阐释了激光-电弧复合焊工艺参数对焊缝成形的影响,并对激光-电弧复合焊的应用前景进行展望。代孝红等[14]以特定熔深和最小化熔宽为目标,对激光功率、焊接电流、焊接速度进行了优化,得到最优工艺参数,并进行了试验验证。吴颖等[15]研究发现激光-电弧复合焊焊接热循环所形成的富马氏体中的细晶区可以使接头表现出一定的氢脆敏感性,通过控制焊接工艺参数可抑制焊接热循环所引起的马氏体转变量,能够降低BS960E型高强钢激光-电弧复合焊接头的氢脆敏感性。对于激光-电弧复合焊接头软化问题,大部分的研究都是针对铝合金[16-17],而对于高强钢接头软化的研究很少。因此,本文将针对700L钢激光-电弧复合焊接工作,研究不同送丝速度的复合焊接头组织与性能及其热影响区软化行为,为激光-电弧复合焊接在700L钢的应用提供理论依据。
1 试验材料及方法
试验钢板为唐钢自主研发的700 MPa级大梁用钢(700L钢),尺寸为200mm×150mm×5mm。试验焊材为钢铁研究总院自主研发的700L大梁钢配套焊丝,焊丝直径1.2mm。母材组织为铁素体和沿晶界弥散分布的M/A,如图1所示。母材与焊丝的化学成分、力学性能分别如表1、表2所示,Rp0.2为屈服强度,Rm为抗拉强度,A为断后伸长率,KV2为冲击功。
表1 母材与焊丝的化学成分
Table 1 Chemical composition of base metal
Base materialCSiMnPSNiTiNbMass fraction/%700L0.065 00.150 01.380 00.012 00.001 60.010 00.041 00.011 0GHS700.050 00.410 01.700 00.007 00.004 02.480 00.037 0—
表2 母材与焊丝熔敷金属的力学性能
Table 2 Chemical composition of soldering wire
Welding wireRp0.2/MPaRm/MPaA/%KV2/(-20 ℃,J)700L75881020.034GHS7083591820.0168
图1 母材组织
(a)OM;(b)SEM
Fig.1 Organization of base metal
(a)OM; (b)SEM
本文采用包括IPG YLS-6000光纤激光器、Precitec YW52激光焊接头及QINEO Champ450型焊机在内的复合焊接系统进行焊接试验。整个试验过程保持激光束垂直入射到工件,焊枪与激光束夹角为35°,保持焊丝干伸长为18mm,光丝间距5mm,激光离焦量为0mm,光斑直径为0.4mm。焊接试板为700L钢,采用I型坡口,坡口间隙为0,保护气体为98%Ar+2%O2混合气体,流量为20 L/min,背保护气体采用纯氩,流量为10 L/min。具体的焊接工艺如表3所示。
表3 激光-电弧复合焊接工艺参数
Table 3 Laser-arc hybrid welding process parameters
Sample numberLaser power/kWWelding speed/(m·min-1)Wire feeding rate/(m·min-1)Current/AVoltage/V1#2#3#6.01.05.515920.46.518522.07.521223.3
焊接试验结束后,通过线切割方式在焊接试板上截取金相样品,然后经磨抛后用体积分数4%硝酸酒精溶液腐蚀,使用Leica MEF4M光学显微镜对金相样品各区域进行观察。利用EM500-2A半自动显微维氏硬度计对焊接接头进行显微硬度测试,载荷为 200 g,加载时间为 10 s。根据GB/T 228.1-2021《金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法》制备全厚度的室温拉伸试样;利用摆锤式冲击试验机测试冲击性能,测试温度为-20 ℃,试样尺寸10mm×4mm×55mm,热影响区冲击试样缺口位置如图2所示;采用FEI Quanta650型扫描电子显微镜对断口形貌进行分析。
图2 热影响区冲击试样缺口位置
Fig.2 Notch position of impact specimen in heat affected zone
2 分析与讨论
2.1 宏观形貌
图3所示是复合焊接试板上下表面及接头宏观形貌。从图中可以看出,在焊接速度1.0 m/min条件下,不同送丝速度均能实现单面焊双面成形,上表面光洁无飞溅,下表面也未出现氧化现象。随着送丝速度增加,焊接电流和焊接电压增大,焊缝电弧区宽度和深度呈逐渐增加趋势。
图3 送丝速度对焊缝成形的影响
(a)5.5 m/min; (b)6.5 m/min; (c)7.5 m/min
Fig.3 Effect of wire feeding speed on weld shaping
(a)5.5 m/min; (b)6.5 m/min; (c)7.5m/min
图4为送丝速度对焊缝形貌的定量统计图,Wa、Wl、Ha、Hl、Hr分别表示复合区熔宽、激光区熔宽、复合区熔深、激光区熔深及余高。从图中可以看出,当送丝速度为5.5 m/min时,电弧能量较小,熔敷金属数量也较少,导致焊缝中复合区熔宽及余高减小,复合区面积也较小,其中复合区熔宽为4.94mm,余高为0.34mm。随着送丝速度逐渐增加,电弧能量逐渐增加,复合区熔宽、余高均增加,当送丝速度达到7.5 m/min时,复合区熔宽增加至7.89mm,余高增加至0.75mm。
图4 送丝速度对焊缝形貌的影响
Fig.4 Effect of wire feeding speed on weld morphology
2.2 显微组织
图5为不同送丝速度下焊接接头焊缝区显微组织。由图5可知,焊缝区显微组织为板条贝氏体、针状铁素体和粒状贝氏体,针状铁素体在原奥氏体晶内相互交织分布。同时晶内析出较多的黑色碳化物弥散分布在原奥氏体晶内,能够有效地抑制裂纹扩展,提高焊缝的韧性。随着送丝速度增加,热输入增加,板条贝氏体和针状铁素体呈增大趋势。
图5 不同送丝速度下焊缝区显微组织
(a)5.5 m/min;(b)6.5 m/min; (c)7.5 m/min
Fig.5 Microstructure of the weld seam area under different wire feeding speeds
(a)5.5 m/min; (b)6.5 m/min; (c)7.5 m/min
图6为不同送丝速度下焊接接头粗晶区组织。由图6可以看出,原母材组织铁素体和M/A组元在焊接热循环作用下奥氏体化,并在焊后冷却过程中的奥氏体晶内生成具有一定位错密度的板条贝氏体,能够提高抵抗裂纹扩展的能力,从而提高强度和硬度。贝氏体板条之间析出半连续或颗粒状的M/A组元,同时奥氏体晶内还有粒状贝氏体生成。随着送丝速度增加,熔池的峰值温度持续升高,在热传导过程中该区域冷却时间延长,使粗晶区晶粒得到增大。
图6 不同送丝速度下粗晶区显微组织
(a)5.5 m/min;(b)6.5 m/min;(c)7.5 m/min
Fig.6 Microstructure of coarse crystal zone under different wire feeding speeds
(a)5.5 m/min;(b)6.5 m/min;(c)7.5 m/min
图7所示的是细晶区显微组织。从图7中可以看出,由于该区域距离焊缝较近,熔池的峰值温度较高,在热量传递过程中该区域组织全部奥氏体化,焊后冷却速度较快,重结晶后绝大部分生成细小的铁素体和少量的贝氏体,虽然晶粒细化,但是M/A组元被分解,因此材料的强度提高,硬度下降,出现软化现象。
图7 不同送丝速度下细晶区显微组织
(a)5.5 m/min;(b)6.5 m/min;(c)7.5 m/min
Fig.7 Microstructure of fine crystal zone under different wire feeding speeds
(a)5.5 m/min;(b)6.5 m/min;(c)7.5 m/min
图8所示是不同送丝速度下焊接接头不完全重结晶区的显微组织。该区域距焊缝区域较远,受到热循环的影响较小。但该区域的原始组织铁素体和M-A组元在热循环作用下部分发生奥氏体相变,生成细小的铁素体,其余部分不发生相变,晶粒长大粗化,形成粗大的铁素体组织,使该区域组织分布不均匀,出现软化现象。
图8 不同送丝速度下不完全重结晶区显微组织
(a)5.5 m/min;(b)6.5 m/min;(c)7.5 m/min
Fig.8 Microstructure of incomplete recrystallization zone under different wire feeding speeds
(a)5.5 m/min;(b)6.5 m/min;(c)7.5 m/min
2.3 硬度分布
图9为700L钢激光-电弧复合焊接接头硬度分布。随着送丝速度的增大,焊接接头的硬度分布呈现焊缝>粗晶区>母材>不完全重结晶区>细晶区的趋势。送丝速度6.5～7.5 m/min时,靠近母材的不完全重结晶区和细晶区存在软化区域,而送丝速度5.5 m/min的热影响区无软化现象。软化现象主要由细晶区在焊接热循环作用下M/A组元被分解,不完全重结晶区组织不均匀造成的。随着送丝速度的增加,焊接热输入增加,热影响区宽度增加,热影响区软化行为越明显。
图9 不同送丝速度下的显微硬度分布
Fig.9 Microhardness distribution at different wire feeding speeds
2.4 力学性能
表4为不同送丝速度下激光-电弧复合焊接接头拉伸试验结果。由表可知,送丝速度6.5～7.5 m/min时,复合焊接接头的拉伸试样均断裂于热影响区(靠近母材侧),抗拉强度为818 MPa,达到母材强度。但由图8可知,送丝速度6.5～7.5 m/min时的激光-电弧复合焊接接头热影响区都存在软化区,软化区是整个接头最薄弱的区域,拉伸时接头于软化区失效断裂。而送丝速度5.5 m/min时,焊接热输入相对较低,热影响区宽度较窄,无软化行为,因此焊接接头断裂于母材区域。
表4 不同送丝速度下焊接接头拉伸性能结果
Table 4 Tensile performance results of welded joints under different wire feeding speeds
Wire feed speed /(m·min-1)Tensile strengthsRp0.2/MPaRm/MPaA/%Rupture position5.57178157.0Base metal6.57198187.3HAZ7.57278187.0HAZBase metal75881020Base metal
表5为不同送丝速度下,焊缝区和热影响区(熔合线)在-20 ℃下的冲击吸收能量测试结果。从表可以得到,送丝速度从5.5 m/min增加到7.5 m/min,焊接接头的焊缝区-20 ℃的冲击吸收能量也从48 J下降至17 J,而热影响区冲击吸收能量无明显变化。随着送丝速度增加,即电弧功率增加,焊缝区的冲击吸收能量逐步下降,特别是在送丝速度7.5 m/min 的情况下,焊接接头焊缝区韧性急剧恶化。
表5 不同送丝速度下焊接接头冲击性能结果
Table 5 Impact performance results of welded joints under different wire feeding speeds
Wire feed speed /(m·min-1)-20 ℃ KV2/JBase metalWeld metalHeat affected zone5.56.57.534486141601755
随着送丝速度的增加,焊缝区韧性降低,热影响区韧性无明显变化,因此重点分析不同送丝速度下焊缝区冲击断口形貌。图10为送丝速度5.5 m/min焊缝区断口形貌,韧性区断口上存在较多的大小不一的韧窝和塑性变形,断面的撕裂趋势较小,增强了其抗裂纹扩散的能力,从而具有较高的冲击能量吸收效果。
图10 送丝速度5.5 m/min焊缝区断口形貌
Fig.10 Fracture morphology of weld seam at wire feeding speed of 5.5 m/min
图11为送丝速度6.5 m/min焊缝区断口形貌,塑性变形比例减小,使得抗裂纹扩展的能量有所下降,但在该焊接工艺参数和试验温度下焊缝区仍具有良好的冲击韧性。
图11 送丝速度6.5 m/min焊缝区断口形貌
Fig.11 Fracture morphology of weld seam at wire feeding speed of 6.5 m/min
图12为送丝速度7.5 m/min焊缝区断口形貌,相比送丝速度5.5 m/min和6.5 m/min,其断口形貌基本为解理形貌,为脆性断裂,冲击韧性较差。
图12 送丝速度7.5 m/min焊缝区断口形貌
Fig.12 Fracture morphology of weld seam at wire feeding speed of 7.5 m/min
3个送丝速度的脆性区断口形貌包含河流状花样,其微观特征为包含较多准解理小平面的完全准解理断裂特征,同时断口上存在少量的延性脊,随着送丝速度的增加,延性脊逐渐减少。送丝速度5.5～6.5 m/min时,断口宏观形貌为韧性断裂和脆性断裂。送丝速度7.5 m/min时,断口宏观形貌转变为脆性断裂。随着送丝速度的增加,韧性区的比例逐渐下降,脆性区的比例逐渐增加,送丝速度7.5 m/min时,断口形貌基本为脆性断裂。
3 结论
本文研究了送丝速度对700L钢激光-电弧复合焊接接头显微组织与力学性能的影响,分析了焊接热影响区软化行为。得到如下结论:
(1)焊缝组织主要为板条贝氏体、针状铁素体和粒状贝氏体,粗晶区主要组织为板条贝氏体和粒状贝氏体,细晶区组织主要为铁素体和少量贝氏体,不完全重结晶区主要为不均匀的铁素体和贝氏体。
(2)软化区位于靠近母材的焊接热影响区,在焊接热循环的作用下,细晶区M-A组元易分解,不完全重结晶区组织不均匀,使硬度降低,造成软化。
(3)随着送丝速度的增加,热输入增加,焊缝区韧性降低,拉伸易于软化区失效,减小送丝速度可减弱或抑制软化行为,提高焊缝区韧性,当送丝速度5.5 m/min时,焊接接头具有良好的强韧性。
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