S355J2W+N鋼激光-MAG復合焊與MAG焊對比

谷曉鵬,段珍珍,鄧 鋼,谷曉燕

(1 吉林大學 材料科學與工程學院，長春 130022； 2 長春軌道客車股份有限公司，長春 130062)

S355J2W+N鋼激光-MAG復合焊與MAG焊對比

谷曉鵬1,段珍珍2,鄧 鋼2,谷曉燕1

(1 吉林大學 材料科學與工程學院，長春 130022； 2 長春軌道客車股份有限公司，長春 130062)

利用激光-MAG復合焊和MAG焊進行了厚板S355J2W+N低碳鋼的焊接實驗，分析了兩種焊接方法接頭的微觀組織和力學性能。結果表明：復合焊和MAG焊焊縫接頭均由焊縫區、過熱區、重結晶區和不完全重結晶區構成，復合焊接頭截面呈“高腳杯”狀特點，焊縫填充量和熱影響區寬度較MAG焊明顯減小。復合焊由于冷卻速率快，過熱區魏氏組織略有增多，硬度高于MAG焊，抗拉強度和彎曲性能與MAG焊相比，無顯著差異，均能夠滿足生產標準的要求。

S355J2W+N；激光；MAG；復合焊；接頭組織；性能

S355J2W+N低碳鋼由于添加了鉻、銅等合金元素，通過氣候條件的影響在基體表面形成了一層具有自我保護功能的氧化膜，從而在大氣環境下具有較強的耐腐蝕性，被廣泛地應用于軌道車輛、石油管道和造船行業中[1-3]。

氣體保護焊是在氣體保護氣氛中，以電弧為能源對金屬進行熔化焊接的方法，特別適合于薄板焊接[4-7]。厚板低碳鋼的焊接主要采用傳統的自動和半自動氣體保護焊多層焊接，如MAG焊、TIG焊，焊接和打磨工作量非常大，焊接和打磨產生的煙塵、電弧產生的熱量使工作環境條件非常差。針對存在的問題，急需找到一種高效、污染小的焊接方法。激光-電弧復合焊通過激光與電弧相互作用，充分發揮了各自的優勢，形成了一種新的高效焊接熱源，可有效地提高焊接速率和熔敷率，減小熱影響區，減少MAG焊接氣孔和裂紋的缺陷[8-13]。

目前，激光-電弧復合焊在鋁合金和不銹鋼上已有較多的研究，而在厚板低碳鋼上的研究較少[14]。本工作研究了16mm板厚S355J2W+N低碳鋼機械手MAG焊和激光-MAG復合焊的接頭組織，并對比分析了焊縫接頭的力學性能，為復合焊技術在厚板低碳鋼上的應用提供實驗基礎和理論依據。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

實驗采用的母材為S355J2W+N板材，為正火軋制狀態，主要由近等軸狀的鐵素體晶粒構成，并具有因枝晶偏析和夾雜物在軋制過程中被拉長所造成的“帶狀組織”特點(見圖1)。尺寸規格為300mm×100mm×16mm，成分如表1所示。采用G 424M(C)G0(EN440—1995[15])焊絲，直徑為1.2mm。焊接前對焊縫周圍20mm表面進行打磨，并用丙酮去除表面油脂。

圖1 母材微觀組織Fig.1 Microstructure of the base metal

CSiMnPSCrCu0.160.500.50-1.50≤0.030.030.40-0.800.25-0.55

1.2 實驗方法

實驗使用6kW光纖激光器、6軸CNC機械手系統和500A直流弧焊電源組成的激光-MAG復合焊接設備。復合焊采用單面三層焊接，MAG焊接采用單面五層焊接，要求單面焊雙面成型。焊接保護氣體成分為80%Ar+20%CO2，工藝參數如表2和表3所示。實驗根據標準ISO 15614—1—2004進行取樣和檢測。采用PMG3型金相圖像分析系統、D/max 2500pc型X射線衍射儀研究焊接接頭的微觀組織；采用MH-3型顯微硬度計測試接頭的硬度分布；采用HY-1000型萬能實驗機進行拉伸性能測試。

表2 激光-MAG復合焊工藝參數Table 2 Parameters for laser-MAG hybrid welding

表3 MAG焊工藝參數Table 3 Parameters for MAG welding

2 實驗結果與討論

2.1 焊縫接頭微觀組織分析

圖2為MAG焊和激光-MAG復合焊接頭的宏觀形貌。從圖2可以看出，與常規MAG相比，復合焊接頭上寬下窄，焊絲填充量大幅度降低，焊接熱影響區明顯減小，具有近似“高腳杯”狀的突出特點。焊縫金屬呈柱狀晶形式，由半熔化的母材晶粒向熔池生長，柱狀晶生長方向近似垂直于焊接熔池邊界，具有聯生結晶特點。由于復合焊焊縫底部較窄，焊縫兩側聯生的柱狀晶相對生長在中心線附近形成等軸晶。兩種焊接方法焊縫接頭均由焊縫區、過熱區、重結晶區和不完全重結晶區構成。

圖2 接頭截面照片 (a)MAG焊;(b)激光-MAG復合焊Fig.2 Cross-section picture of joints(a)MAG welding;(b)laser-MAG hybrid welding

2.1.1 焊縫區

經XRD分析，復合焊和MAG焊焊縫區相結構主要為α-Fe。圖3為復合焊和MAG焊焊縫頂層 (第三層)的微觀組織，為未經重熔和熱處理作用的焊態組織。從圖3可以看出，復合焊焊縫中塊狀先共析鐵素體沿奧氏體晶界析出，大量的針狀、條狀鐵素體由奧氏體晶界向晶內生長，也可見少量的珠光體組織。該區的組織形貌與MAG焊的類似，這主要是由于復合焊在頂層焊接過程中，電弧起主要作用，激光功率較小，主要對電弧起引導和穩定作用。

圖4為焊縫底層(第一層)微觀組織。底層焊縫受到前層焊縫的熱處理作用，微觀組織發生變化，與頂層焊縫相比，晶粒均有細化的趨勢。復合焊在焊縫底層激光起主要作用，且由于激光功率高、焊接熔池小，在較快的冷卻速率下，還產生了類似于魏氏體和貝氏體的組織(圖4(b))；MAG焊冷卻速率較緩慢，在冷卻過程中主要發生γ→α轉變，最終形成具有等軸晶粒的正火組織。

圖3 焊縫頂層微觀組織 (a)激光-MAG復合焊;(b)MAG焊Fig.3 Upper layer microstructure of welding seam (a)laser-MAG hybrid welding;(b)MAG welding

圖4 焊縫底層微觀組織 (a)激光-MAG復合焊光鏡照片;(b)激光-MAG復合焊掃描電鏡照片;(c)MAG焊光鏡照片Fig.4 Root layer microstructure of welding seam (a)optical picture of laser-MAG hybrid welding joint; (b)SEM picture of laser-MAG hybrid welding joint;(c)optical picture of MAG welding

2.1.2 過熱區

圖5為接頭過熱區的微觀組織。復合焊過熱區的組織主要為過熱魏氏組織，也含有少量的珠光體和貝氏體(圖5(a))。在焊接熱循環作用下，過熱區奧氏體晶粒急劇長大，粗大的奧氏體在較快的冷卻速率下形成了魏氏組織。魏氏組織中的鐵素體是以切變機制沿著奧氏體的{111}晶面長大，鐵素體易由晶界向奧氏體晶粒內部生長，在一個粗大的奧氏體晶粒內形成許多平行的鐵素體片，在鐵素體片之間的剩余奧氏體最后轉變為珠光體。同時一些難溶質點(如碳化物和氧化物等)溶入奧氏體，增加奧氏體的含碳量，使動力學轉變曲線右移，在快冷條件下形成少量的貝氏體。MAG焊過熱區主要為沿原奧氏體晶界分布的塊狀先共析鐵素體、珠光體組織、魏氏組織和較多的粒狀貝氏體(圖5(b))。復合焊與MAG焊相比，由于其冷卻速率快，過熱區魏氏組織增多。S355J2W+N鋼屬于不易淬火鋼，過熱區的魏氏組織是焊接接頭脆化的主要原因之一，降低焊接熱輸入有利于控制奧氏體晶粒粗大，從而改善接頭韌性。

圖5 過熱區的微觀組織 (a)激光-MAG復合焊;(b)MAG焊Fig.5 Microstructure of overheated zone (a)laser-MAG hybrid welding;(b)MAG welding

2.1.3 重結晶區

圖6為重結晶區的微觀組織。從圖6可以看出，復合焊和MAG焊重結晶區的組織基本相同，均為均勻細小的塊狀鐵素體和少量的珠光體。由于在加熱和冷卻過程中經受了兩次重結晶相變的作用，該區晶粒明顯的細化，因此具有更高的綜合力學性能。

圖6 重結晶區的微觀組織 (a)激光-MAG復合焊;(b)MAG焊Fig.6 Microstructure of annealed zone (a)laser-MAG hybrid welding;(b)MAG welding

2.1.4 不完全重結晶區

復合焊和MAG焊不完全重結晶區的微觀組織也基本相似(見圖7)，在未經重結晶的原始鐵素體之間分布著經過重結晶后的細小鐵素體和少量的珠光體。該區只有部分金屬經受了重結晶相變，因此是一個粗晶粒和細晶粒的混合區，并保留了母材的軋制特征。該區因存在部分未經重結晶的較粗大的鐵素體，因此它的力學性能低于重結晶區。

2.2 焊縫接頭力學性能分析

2.2.1 接頭硬度分布

圖8為距離接頭上表面2mm(FL)、下表面2mm(RL)的硬度分布曲線。由于復合焊焊縫區主要為柱狀、針狀、條狀、塊狀鐵素體和少量的貝氏體和珠光體，因此硬度相對較高。在整個焊接接頭中過熱區的硬度最高，這主要歸因于大量的魏氏組織。重結晶區主要由細化的等軸鐵素體晶粒構成，其硬度低于過熱區，但稍高于不完全重結晶區。在焊接過程中母材區未發生固態相變，因此其硬度低于焊縫區和熱影響區。與接頭上部的過熱區相比，復合焊接頭下部的過熱區硬度明顯提高，這主要歸因于冷卻速率增大導致過熱區組織細化。復合焊接頭硬度最高值(280HV)出現在焊縫下部的過熱區，滿足EN15614標準[16]中不超過380HV的要求。

圖8(b)為MAG焊接頭的硬度分布曲線。接頭硬度分布曲線的變化趨勢與復合焊相似，但硬度均值低于復合焊，這與MAG焊焊縫填充量大，冷卻緩慢有關。因焊縫上部和下部寬度變化均勻，因此上表面與下表面硬度值差異較小，最高值(242HV)出現在焊縫上部的過熱區。

2.2.2 接頭抗拉強度

圖9為復合焊接頭斷裂位置和斷口形貌。從圖9可以看出，焊接接頭拉伸過程中產生明顯的頸縮，且頸縮均發生在母材區，表明焊接接頭的強度和塑性是不均勻的，焊縫和熱影響區的強度高于母材，而母材的塑性高于焊縫和熱影響區。接頭斷裂均發生在母材區，斷口表面具有明顯的塑性變形特征。MAG焊接頭斷裂位置、斷口形貌和復合焊基本相同。從表4接頭拉伸實驗結果也可以看出，復合焊和MAG焊在抗拉強度、屈服強度和伸長率三方面無顯著差異，接頭的平均抗拉強度、屈服強度及伸長率均滿足生產要求。

圖9 激光-MAG復合焊接頭斷裂位置和斷口形貌 (a)斷裂位置;(b)斷口SEM照片Fig.9 Fracture site and morphology of laser-MAG welded joints (a)fracture site of joint;(b)SEM photograph of joint fracture surface

WeldingmethodTensilestrength/MPaYieldstrength/MPaElongation/%SingleAverageSingleAverageSingleAverageLaser-MAGhybridwelding500.5380.430.0498.1502.6379.0380.928.828.8509.1383.227.5MAGwelding499.2375.528.2505.6503.2375.0376.929.528.5504.8380.327.7

2.2.3 接頭彎曲性能

根據標準EN910—1996[17]對接頭進行了180°橫向側彎實驗。實驗結果如表5所示。由表5可見，復合焊和MAG焊接頭試樣均可以彎曲180°，兩組(每組三個)試樣中均有一個試樣出現裂紋，其余兩個試樣均無裂紋。復合焊裂紋位于焊縫寬窄變化的過渡區(見圖10(a))，裂紋長度約2.4mm，這可能與該區存在應力集中有關；MAG焊裂紋出現在焊縫層間熔合線附近(見圖10(b))，裂紋長度約0.6mm，原因可能與焊縫中存在缺陷(氣孔、夾雜等)有相關。復合焊和MAG裂紋的長度均滿足標準要求(小于3mm)。

表5 焊接接頭彎曲實驗結果Table 5 Impact test data of welding joint

圖10 接頭彎曲實驗后產生的裂紋(a)激光-MAG復合焊;(b)MAG焊Fig.10 Crack formed in the joint after side bend test(a)laser-MAG hybrid welding;(b)MAG welding

3 結論

(1)S355J2W厚板低碳鋼激光-MAG復合焊和MAG焊焊縫均由焊縫區、過熱區、重結晶區和不完全重結晶區構成；復合焊接頭呈“高腳杯”狀特點，焊縫填充量和熱影響區寬度較MAG焊明顯減小。

(2)復合焊與MAG焊接頭在不同的區域組織結構基本類似，但由于復合焊較MAG焊焊縫冷卻速率快，過熱區魏氏組織略有增多。

(3)復合焊與MAG焊接頭硬度的變化趨勢類似，硬度最高值均出現在過熱區；復合焊的硬度值略高于MAG焊，但滿足標準的要求，這也與復合焊冷卻速率快有關。

(4)復合焊和MAG焊接頭的抗拉強度和彎曲性能無明顯的差異，拉伸后均斷裂于母材，且均能做180°側彎，抗拉強度和彎曲性能滿足生產標準的要求。

[1] 盧峰華, 許鴻吉, 郭偉，等. S355J2W+N 耐候鋼焊接接頭的組織和力學性能[J]. 熱加工工藝, 2012, 41(5):137-139.

LU Feng-hua, XU Hong-ji, GUO Wei, et al. Microstructures and mechanical properties of S355J2W+N weathering steel welded joints [J]. Hot Working Technology, 2012, 41(5):137-139.

[2] 白志范, 李貴中, 王超. S355J2W+N鋼焊接接頭顯微組織與力學性能[J].吉林大學學報:工學版,2011,41(2): 202-204.

BAI Zhi-fan, LI Gui-zhong, WANG Chao. Microstructure and mechanical property of the welded joints of S355J2W+N steel [J]. Journal of Jilin University:Engineering and Technology Edition, 2011,41(2): 202-204.

[3] BS EN10025—5—2004， 熱軋結構鋼產品—第五部分: 改良耐候結構鋼的交貨技術條件[S].

[4] 游國強, 王向杰, 齊冬亮, 等. 線能量對擠壓AZ91D鎂合金GTAW焊接接頭組織與性能的影響[J]. 材料工程, 2013, (10): 57-63,70.

YOU Guo-qiang, WANG Xiang-jie, QI Dong-liang, et al. Effect of line energy on the microstructure and properties of GTAW welded hot extruded AZ91D magnesium alloy joints [J]. Journal of Materials Engineering, 2013, (10): 57-63,70.

[5] ZIELINSKA S, PELLERIN S, DZIERZEGA F. Gas influence on the arc shape in MIG-MAG welding [J]. Journal of Applied Physics,2008,43:111-122.

[6] ADOLFSSON S, BAHRAMI A, BOLMSJ G, et al. On-line quality monitoring in short-circuit gas metal arc welding [J]. Welding Research Supplement,1999,78 (2):59-73.

[7] 彭建, 周綢, 陶健全, 等. AZ31與AZ61異種鎂合金的TIG焊研究[J]. 材料工程, 2011, (2): 46-51.

PENG Jian, ZHOU Chou, TAO Jian-quan, et al. Gas tungsten arc welding of dissimilar magnesium alloys as AZ31 with AZ61 [J]. Journal of Materials Engineering, 2011, (2): 46-51.

[8] MAHRLE A, BEYER E. Hybrid laser beam welding-classification, characteristics, and application [J]. Journal of Laser Application, 2006, 18(3): 169-170.

[9] HU B, OUDEN G D. Laser induced stabilization of the welding arc [J]. Science and Technology of Welding and Joining, 2005, 10(1): 76-80.

[10] 朱曉明, 蔡艷, 吳毅雄. 大厚度船用高強鋼激光-電弧復合焊技術研究[J]. 熱加工工藝, 2009, 38(21):122-125.

ZHU Xiao-ming, CAI Yan, WU Yi-xiong. Research on laser-MAG hybrid welding process of thick ship plates [J]. Hot Working Technology, 2009, 38(21):122-125.

[11] 陳國珠, 夏風, 胡永剛, 等. ZL114A鋁合金激光-電弧復合焊接頭枝晶尺寸與熔寬的關系[J]. 材料工程, 2011, (11): 53-57.

CHEN Guo-zhu, XIA Feng, HU Yong-gang, et al. Relationship between the dendritic length and width of fusion zone in ZL114A casting alloy welding joints by laser-MIG hybrid welding [J]. Journal of Materials Engineering, 2011, (11): 53-57.

[12] 許飛, 陳俐, 鞏水利, 等. 鋁鋰合金YAG-MIG復合焊縫成形特征及性能研究[J]. 材料工程, 2011, (10): 28-37.

XU Fei, CHEN Li, GONG Shui-li, et al. Weld appearance and mechanical properties of aluminum-lithium alloy by YAG-MIG hybrid welding[J]. Journal of Materials Engineering, 2011, (10): 28-37.

[13] 王敏, 楊磊, 于瑛, 等. 鈦合金T-型結構單面焊背面雙側成形焊接接頭組織與性能[J]. 航空材料學報, 2012, 32(1): 45-50.

WANG Min, YANG Lei, YU Ying, et al. Microstructure and properties of T-structure joints by single pass welding and double backside shaping on titanium alloy [J]. Journal of Aeronautical Materials, 2012, 32(1): 45-50.

[14] BAGGER C, OLSEN FO. Review of laser hybrid welding[J]. Journal of Laser Applications, 2005, 17(1): 55-68.

[15] BS EN 440—1995, Welding consumables-wire electrodes and deposits for gas shielded metal arc welding of non alloy and fine grain steels-classification [S].

[16] EN 15614—1—2004, 金屬材料焊接工藝規程及評定-焊接工藝評定試驗-第一部分：鋼的弧焊和氣焊、鎳及鎳合金的弧焊[S].

[17] BS EN910—1996, 金屬材料焊接的破壞試驗-彎曲試驗[S].

Comparison Between Laser-MAG Hybrid Welding and MAG Welding of S355J2W+N Steel

GU Xiao-peng1,DUAN Zhen-zhen2,DENG Gang2,GU Xiao-yan1

(1 College of Materials Science and Engineering,Jilin University, Changchun 130022,China;2 Changchun Railway Vehicles Co.,Ltd.,Changchun 130062,China)

Welding research on thick low carbon steel plate of S355J2W+N was done by using laser-MAG hybrid and MAG welding. Microstructure and mechanical properties of the joints were analyzed. The results show that the hybrid and MAG welded joint is composed of welding seam zone, over-heated zone, annealed zone and local annealed zone. The cross-section of hybrid welded joint shows a goblet appearance and the wire accumulation and width of HAZ are significantly reduced compared with MAG welding. The Widmanstaten structure in over heated zone increases a little bit due to fast cooling speed in hybrid welding. The hardness is higher than that of MAG welding. There is no significant difference in the tensile strength and bending property between hybrid welded joint and MAG welded joint. The tensile strength and bending property of hybrid welded joints and MAG welded joints both meet production standards.

S355J2W+N;laser;MAG;hybrid welding;joint microstructure;property

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.02.004

TG456.7

A

1001-4381(2015)02-0020-06

2013-06-27;

2014-04-23

谷曉燕(1979-)，女，副教授，博士，研究方向為材料焊接，聯系地址：長春市人民大街5988號，吉林大學材料學院(130022)，E-mail：guxy@jlu.edu.cn