20鋼-Q345C管接頭超窄間隙激光填絲焊研究

欒偉麗，朱忠尹

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.西南交通大學材料科學與工程學院，四川成都 610031）

0 前言

激光焊是以激光作為熱源進行加熱的一種高能束焊接方法，由于激光能量密度高度集中、焊接速度快、生產效率高、焊后工件變形極小，近年來受到了廣泛關注。但是激光自熔焊對接頭裝配間隙要求嚴格，所允許的間隙量最大不超過板厚的10%。此外，激光自熔焊單道可焊厚度受激光功率制約，且無法根據性能要求調節焊縫成分，極大限制了其在工業領域的應用[1-2]。

采用超窄間隙激光填絲焊技術焊接中厚鋼板，可以通過填充金屬來改變焊縫區的成分與組織，使焊縫成分的調整更加方便，從而提高接頭的綜合性能，改善激光自熔焊對坡口間隙的適應性和容錯性，克服了激光自熔焊對坡口間隙敏感的缺點，并且焊縫熱影響區和焊接應力變形較小。與激光+MIG復合焊相比，由于坡口尺寸極小，不受MIG焊槍尺寸的限制，只要使用適應于超窄間隙坡口尺寸的送絲機構，即可利用中小功率的激光器實現中厚板的多道焊接，焊后工件變形非常小，接頭應力大幅度降低，具有較大的工程應用價值[3-5]。

1 試驗材料及焊接工藝

被焊材料為20鋼與Q345C，坡口形式如圖1所示，焊絲牌號為CHW-55CNH，直徑1.2 mm，其化學成分如表1所示，焊接工藝參數如表2所示。

圖1 20鋼-Q345C管坡口形式

表1 CHW-55CNH焊絲化學成分%

表2 20鋼-Q345C管窄間隙激光填絲焊工藝參數

根據歐標EN ISO 4136 Ed 2011標準對20鋼-Q345C管窄間隙激光填絲焊焊接接頭取2個拉伸試樣。根據歐標EN ISO 5173 Ed2010標準對20鋼-Q345C管窄間隙激光填絲焊焊接接頭取4個彎曲試樣，當厚度大于等于12 mm時可由4個側彎試驗代替2個正彎和2個背彎試驗，試驗機型號為YNS 1000電液伺服萬能試驗機。利用FM-700型顯微硬度儀測量焊接接頭表面（包括母材和熱影響區）的維氏硬度分布。根據歐標EN ISO 9016 Ed 2011標準對20鋼-Q345C管窄間隙激光填絲焊焊接接頭取3個沖擊試樣進行整體焊縫沖擊（標準樣），沖擊試驗采用金屬材料儀器化沖擊試驗機在-40℃條件下進行。采用Neophot-32數碼金相顯微鏡觀察焊接接頭的母材、焊核區、熱機影響區及熱影響區的顯微組織。金相腐蝕液為混合酸溶液。

2 試驗結果

2.1 拉伸及彎曲試驗結果

20鋼-Q345C管窄間隙激光填絲焊焊接接頭2個拉伸試樣拉斷后形貌如圖2所示。測試數值如表3所示。

圖2 20鋼-Q345C管窄間隙激光填絲焊焊接接頭拉伸試樣拉斷后形貌

表3 20鋼-Q345C管窄間隙激光填絲焊焊接接頭拉伸試驗數值

由圖2可知，拉伸試樣斷裂位置均在母材；由表3可知，試樣的平均抗拉強度為492.5 MPa，試驗拉伸性能合格。

4個彎曲試樣側彎后形貌如圖3所示。由圖3可知，20鋼-Q345C管窄間隙激光填絲焊焊接接頭彎曲試樣表面均未出現裂紋，彎曲性能合格。

2.2 沖擊試驗結果

沖擊試樣斷口形貌如圖4所示，沖擊吸收功如表4所示。由表4可知，沖擊試樣吸收功均大于標準27 J，沖擊性能合格。

圖3 20鋼-Q345C管窄間隙激光填絲焊焊接接頭彎曲試樣側彎后形貌

表4 20鋼-Q345C管窄間隙激光填絲焊焊接接頭沖擊吸收功

2.3 顯微硬度試驗結果

處理獲得的數據，結果如圖5所示?？梢钥闯?，測量焊縫下表面硬度時（即鈍邊10 mm區間），最高硬度值出現在焊縫，這是由于激光自熔焊熱輸入較大，冷卻速度快，有淬硬傾向，所以焊縫硬度最高。而焊縫上表面硬度分布在熱影響區和焊縫出現較大變化，下降趨勢陡峭，聯系其金相組織可以看出，熱影響區中組織主要為魏氏組織，而焊縫中心主要成分則是沿晶界析出的先共析鐵素體和晶界內的針狀鐵素體和珠光體，從而導致熱影響區硬度相比于焊縫有較大變動，其焊縫硬度平均值為250 HV。從圖5中圓點線分布情況（即激光自熔焊與激光填絲焊焊縫搭接處）可以發現，硬度最高的區域為焊縫區。熱影響區的硬度隨著與焊縫距離的增加，下降較為平緩，這是由于焊縫重熔對上一道焊縫形成回火處理，細化了晶粒，導致硬度下降。

圖5 20鋼-Q345C管硬度曲線分布

2.4 微觀組織分析試驗結果

2.4.1 20鋼-Q345C管窄間隙焊接接頭母材微觀組織

20鋼管微觀組織如圖6所示，其母材組織由片狀珠光體和鐵素體構成。Q345C管微觀組織如圖7所示，其組織也同樣為珠光體和鐵素體，然而其晶粒與20鋼相比較為粗大。

圖6 20鋼母材微觀組織

圖7 Q345C母材微觀組織

2.4.2 20鋼-Q345C管窄間隙激焊接接頭激光自熔焊焊縫微觀組織

20鋼-Q345C管純激光焊縫處和熱影響區的微觀組織分別如圖8、圖9所示。由圖8可知，焊縫區組織呈柱狀晶生長，這是由于在激光焊接過程中，激光照射范圍極小、溫度極高，溫度梯度大，凝固迅速，純激光焊縫組織主要為先共析鐵素體沿晶界生長，晶內組織主要為珠光體。由圖9可知，先共析鐵素體沿晶界析出，魏氏組織鐵素體由晶界向晶內生長，晶內黑區為珠光體。

圖8 純激光焊縫處焊縫區微觀組織

圖9 純激光焊縫處熱影響區微觀組織

2.4.3 20鋼-Q345C管窄間隙焊接接頭激光填絲焊處微觀組織

20鋼-Q345C管激光填絲焊處整體形貌如圖10所示。在激光填絲焊處焊縫主要分為4個部分：焊縫區、過熱區、正火區和不完全正火區。

圖10 20號鋼-Q345C管激光填絲焊處整體形貌

20鋼-Q345C管激光填絲焊處的焊縫區組織如圖11所示，白色為先共析鐵素體沿柱狀晶分布，無碳貝氏體沿晶界向晶內平行生長，晶內有針狀鐵素體、粒狀貝氏體和珠光體。過熱區微觀組織如圖12所示，其組織發生粗大變化，網狀晶界明顯，白色先共析鐵素體沿晶界析出，晶內黑色區域為珠光體和粒狀貝氏體。

圖11 激光填絲焊焊縫處焊縫區微觀組織

圖12 激光填絲焊焊縫處過熱區微觀組織

正火區和不完全正火區組織分別如圖13、圖14所示。正火區組織為均勻分布的鐵素體和珠光體，晶粒細小，組織均勻，力學性能優異，細小的鐵素體與珠光體混雜分布。不完全正火區一部分晶粒發生重結晶過程，變得細小而均勻，其組織為鐵素體和珠光體，其余部分則與母材一致，因此性能介于正火區與母材之間。

圖13 激光填絲焊焊縫處正火區微觀組織

4 結論

（1）20鋼-Q345C管窄間隙激光填絲焊的拉伸強度、彎曲性能和沖擊性能均符合標準要求。

圖14 激光填絲焊焊縫處不完全正火微觀組織

（2）由于激光自熔焊熱輸入較大，冷卻速度快，有淬硬傾向，所以焊縫硬度最高。熱影響區中組織主要為魏氏組織，而焊縫中心主要成分則是沿晶界析出的先共析鐵素體以及晶界內的針狀鐵素體和珠光體。母材組織為片狀珠光體和鐵素體。

（3）超窄間隙激光填絲焊技術焊接20鋼-Q345C管具有較好的工程應用價值。