本项研究采用坡口钝边为6 mm的试板, 在坡口内仅焊一道焊缝。

图1为激光功率对焊缝成形影响的试验结果, 可以看出, 随着激光功率增大, 熔深显著增大, 熔宽无明显变化, 但当激光功率相对较低时(2 kW), 焊缝熔宽呈现宽窄交替的“ 麻花状” , 焊缝成形质量明显降低。这是因为:①激光对电弧的引导作用减弱, 从而导致熔滴过渡不稳定; ②焊接热输入与坡口尺寸、形态不匹配, 并且填丝量过小, 造成焊缝成形不连续。此外, 试验结果显示, 激光功率对焊缝的气孔倾向有一定影响, 过高的激光功率易导致焊缝中形成气孔。这主要是由于激光密度较高导致金属气化以及冷却速度较快影响气泡溢出。本试验条件下, 对于钝边为6 mm的坡口, 激光功率4 kW未能形成完全熔透的焊缝。

图1

Fig.1

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	图1 激光功率对焊缝成形的影响Fig.1 Effect of laser power on weld penetration and appearance

图2为焊接电流对焊缝成形影响的试验结果。可以看出, 随着焊接电流增大, 熔深增大, 熔宽增大。对于钝边为6 mm的坡口, 焊接电流310 A未能形成完全熔透的焊缝。在本研究范围内, 焊接电流对焊缝表面成形无明显影响。

图2

Fig.2

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	图2 焊接电流对焊缝成形的影响Fig.2 Effect of welding current on weld penetration and appearance

根据上述研究结果, 为获得全熔透焊缝, 激光电弧复合多层焊焊缝成形研究采用坡口钝边为4 mm的试板、四层四道多层焊工艺, 焊接参数见表2。

图3为激光电弧复合多层焊的焊缝截面形貌。可以看出, 激光电弧复合多层焊的焊缝层间及焊缝与母材间熔合良好, 焊缝形貌类似“ 高脚杯” 状, 这是由于第一层至第四层焊缝的激光功率逐渐降低、焊接电流逐渐增大导致单层焊缝熔深减小、熔宽增大, 整个焊缝上部电弧起主要作用, 下部激光起主要作用。底层焊缝选择相对高的激光功率有利于增加熔深、形成熔透焊缝; 顶层焊缝选择相对低的激光功率和焊接速度有利于增加熔宽, 避免欠填充或咬边等缺陷的产生。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 激光电弧复合多层焊焊接参数 Table 2 Welding parameters of laser-MAG hybrid welding with 4 layers 焊缝层数 激光功率 /kW 焊接电流 /A 焊接速度 /(m· min-1) 组对间距 /mm 第1层 4.0 95 0.6 1.2 第2层 3.0 150 0.6 1.2 第3层 1.0 210 0.6 1.2 第4层 1.0 295 0.5 1.2

表2 激光电弧复合多层焊焊接参数 Table 2 Welding parameters of laser-MAG hybrid welding with 4 layers

图3

Fig.3

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	图3 激光电弧复合焊焊缝截面形貌Fig.3 Cross section appearance of laser-MAG hybrid welded joint

由图3可以看出, 激光电弧复合焊焊缝金属内存在少量气孔, 分析母材和焊丝所含元素, 猜测认为气孔的形成可能与蒸汽压相对较高的Mn元素气化有关。图4为气孔区域的微观形貌和能谱分析结果, 分析结果显示, 气孔内壁和母材的成分没有较大差别, 且气孔区并没有Mn元素存在, 由此可知, 气孔的形成与Mn元素无关, 焊缝区气孔形成的具体原因还需要进一步的研究论证。

图4

Fig.4

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	图4 气孔区域的微观形貌和能谱Fig.4 Micro-appearance and energy spectrum of pore within weld metal

图4

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	图4 气孔区域的微观形貌和能谱Fig.4 Micro-appearance and energy spectrum of pore within weld metal

图4

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	图4 气孔区域的微观形貌和能谱Fig.4 Micro-appearance and energy spectrum of pore within weld metal

图4

Fig.4

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	图4 气孔区域的微观形貌和能谱Fig.4 Micro-appearance and energy spectrum of pore within weld metal

图5为S355J2W+N钢激光电弧复合焊焊接接头的低倍照片。由图可知, 激光电弧复合焊焊接接头由焊缝区、热影响区和母材区构成, 而热影响区又包括过热区、重结晶区和不完全重结晶区。由于在焊接过程中经历了不同的热循环, 焊接接头不同区域微观组织存在明显差异。

图5

Fig.5

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	图5 S355J2W+N激光电弧复合焊焊接接头低倍形貌Fig.5 Macrostucture of laser-MAG welded S355J2W+N joint

焊缝区具有明显的联生结晶特点, 焊缝金属主要为针状、条状和块状铁素体构成, 可以看出(见图6(a)), 焊缝中块状先共析铁素体沿奥氏体晶界析出, 大量的针状、条状铁素体由奥氏体晶界向晶内生长, 也可见少量的贝氏体和珠光体组织。此外, 对于多层焊而言, 后层焊缝对前层焊缝具有热处理作用, 导致层间微观组织发生变化。图6(b)为第三层焊缝邻近第四层焊缝熔合线处的微观组织, 形成较粗大的条状、针状铁素体和少量的魏氏组织。

过热区紧邻焊缝, 晶粒明显粗化, 且距熔合线愈近晶粒粗化越明显, 主要由魏氏组织和少量的珠光体构成(见图6(c))。魏氏组织是焊接接头脆化的主要原因之一, 降低焊接热输入有利于控制奥氏体晶粒粗大、改善焊接接头的力学性能。

由于在加热和冷却过程中经历了两次重结晶相变作用, 重结晶区晶粒明显细化, 其组织主要为均匀、细小的铁素体和少量的珠光体, 如图6(d)所示。

由于只有部分金属经历了重结晶相变, 导致不完全重结晶区成为一个粗晶粒和细晶粒的混合区, 其组织主要由未经历重结晶的较粗大铁素体、经历重结晶的细小铁素体和少量的珠光体组成(见图6(e))。

母材区的组织与母材基体相同, 主要由近等轴状的铁素体和少量珠光体构成, 如图6(f)所示, 可看到垂直于轧制方向的条带状组织。

图6

Fig.6

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	图6 S355J2W+N激光电弧复合焊焊接接头微观组织Fig.6 Microstructures of laser-MAG welded S355J2W+N joint

S355J2W+N耐候钢板激光电弧复合焊接头硬度分布如图7所示, 图中Top、Nether分别表示距离接头上、下表面2 mm处的显微硬度。由于焊缝区主要为针状、条状、块状铁素体和少量的贝氏体、珠光体, 其维氏硬度相对较高(245)。在所有焊接接头分区中, 过热区的硬度最高, 这主要归因于产生了大量以切变机制形成的魏氏组织。重结晶区主要由细化的等轴铁素体晶粒构成, 其硬度低于过热区, 但稍高于不完全重结晶区。在焊接过程中母材区未发生固态相变, 因此其硬度低于焊缝区和热影响区。

图7

Fig.7

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	图7 S355J2W+N激光电弧复合焊焊接接头硬度分布Fig.7 Microhardness distribution of laser-MAG hybrid welded joint

本试验条件下, 16 mm厚S355J2W+N钢板激光电弧复合焊接头抗拉强度、屈服强度及延伸率分别为502.6 MPa、380.9 MPa和28.8%。图8(a)、8(b)分别为接头拉伸试样的断裂位置以及断口形貌。

图8

Fig.8

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	图8 S355J2W+N激光电弧复合焊焊接接头拉伸试样Fig.8 Tensile sample of laser-MAG hybrid welded S355J2W+N joint

图8

Fig.8

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	图8 S355J2W+N激光电弧复合焊焊接接头拉伸试样Fig.8 Tensile sample of laser-MAG hybrid welded S355J2W+N joint

由图可知, 焊接接头在拉伸过程中产生明显的颈缩, 这表明接头的强度和塑性是不均匀的, 焊缝和热影响区的强度高于母材, 而母材的塑性高于焊缝和热影响区。接头断裂发生在母材区, 断口表面具有明显的塑性变形特征。