能量配比对激光-MIG复合焊接头残余应力的影响

能量配比对激光-MIG复合焊接头残余应力的影响 Effect of Heat Input Ratio on Residual Stress in Hybrid Laser-MIG Welded Joint first-author 严春妍（1982—），女，博士，副教授，主要从事金属材料焊接性及先进焊接技术的科研和教学工作。E-mail：yancy_hhu@163.com. 严春妍（1982—），女，博士，副教授，主要从事金属材料焊接性及先进焊接技术的科研和教学工作。E-mail：yancy_hhu@163.com. yancy_hhu@163.com 河海大学 机电工程学院，江苏 常州 213022 河海大学 机电工程学院，江苏 常州 213022 College of Mechanical and Electrical Engineering, Hohai University, Changzhou 213022, China College of Mechanical and Electrical Engineering, Hohai University, Changzhou 213022, China 采用不同激光/电弧能量配比（ QR LA ）对8 mm厚Q345钢板进行激光-MIG（metal inert gas， MIG）复合焊接，研究了 QR LA 对复合焊接头的截面形貌和显微组织的影响，并分析了不同 QR LA 下焊接过程的温度场和接头残余应力分布的变化规律。结果表明，随着 QR LA 增大，熔宽显著下降，焊接过程的最高温度略有升高。因焊速较快，粗晶热影响区出现了较多的马氏体，且马氏体数量随着 QR LA 增大而略有增加。 QR LA 在0.72~1.0范围时，等效残余应力、纵向残余应力、横向残余应力和厚度方向残余应力峰值随着激光功率增加均出现下降趋势。但 QR LA 从1.0上升至1.18时，各应力的峰值随着激光功率增加而有所上升。 Hybrid laser-MIG welding of 8 mm thick Q345 steel plates was carried out using different laser-to-arc heat input ratio ( QR LA ). The effects of QR LA on the cross-sectional macro-morphology and the microstructures in the hybrid welded joint were investigated. Development of temperature field distribution in the welding process and residual stress distribution in the welded joint under different QR LA were also analyzed. The results show that the weld bead width decreases while peak temperature in the welding process increases with elevated QR LA . The microstructure of coarse grained HAZ is mostly martensite due to the high welding speed, and the amount of martensite increases with elevated QR LA. The stress levels of equivalent residual stress, longitudinal residual stress, transverse residual stress and through-thickness stress all reduce moderately as laser power increases with QR LA in the range of 0.72~1.0. However, the stress levels of the four stresses increases slightly as laser power increases with QR LA in the range of 1.0~1.18. 激光电弧复合焊 激光/电弧能量配比 显微组织 温度场 残余应力场 hybrid laser arc welding laser-to-arc heat input ratio microstructure temperature field residual stress filed 前言 1 激光电弧复合焊接（hybrid laser arc welding， HLAW）是由英国学者W. M. Steen于20世纪80年代初提出的一种新型优质高效焊接技术，通过激光束和电弧共同作用于焊接熔池，可以更充分地发挥激光和电弧两种热源自身的优点，弥补两者各自的不足，具有大熔深、低变形、高效率、高质量、高适应性等优点 ［ 1 1 - 6 6 1-6 ］ ，在中厚板焊接上具有良好的应用前景。但当复合热源总热输入一定时，激光与电弧不同的能量配比不仅影响焊缝的宏观形貌和显微组织，而且对复合焊接头的残余应力和变形造成一定的影响，因此有必要研究激光/电弧能量配比对复合焊接头残余应力分布的影响规律。 目前，对激光电弧复合焊接头的研究主要针对接头宏观形貌及微观组织、焊接温度场及流场等，且研究对象多为薄板（小于6 mm），而对接头残余应力分布的研究较少。Tomasz ［ 7 7 ］ 等人研究了单道激光电弧复合焊的T型接头应力分布，发现HAZ及其邻近区域出现较高应力，峰值拉应力位于HAZ。Lin ［ 8 8 ］ 等人研究了多层激光电弧复合接头的应力分布，发现沿焊缝厚度方向的硬度和残余应力在1/2板厚处显著提高。严春妍 ［ 9 9 ］ 等人研究了焊接速度对中厚板S355钢激光-MIG复合接头残余应力分布的影响，发现焊接速度的提高会增加等效残余应力水平。目前为止，国内外针对激光/电弧能量配比对复合焊接头残余应力分布的研究较少。 Q345钢是具有良好强韧性的低合金高强钢，广泛应用于工业制造领域 ［ 10 10 - 11 11 10-11 ］ 。本文采用不同激光/电弧能量配比对Q345钢进行光纤激光-MIG复合焊接试验，分析复合焊接头各区域的显微组织特征，并利用SYSWELD有限元软件对复合焊接过程的温度场和应力场进行计算，研究不同激光/电弧能量配比下激光电弧复合接头残余应力分布的规律和特征，从而为低合金高强钢激光电弧复合焊接工艺的优化提供理论依据和数据支持。 试验方法 1 激光-MIG复合焊接试验采用YSL-10000-S2型光纤激光器，氩气流量为25 L/min。试验前对试样表面进行喷砂处理，达到去油除锈的效果。采用I型焊接坡口，将两块尺寸为200 mm×80 mm×8 mm的Q345钢板进行对接，坡口间隙为0.2 mm。焊丝为林肯Merit JM-80低合金钢焊丝，母材和焊丝的化学成分如 表1 表1 所示。不同 QR LA 下钢板的初始温度为20 ℃，采用激光在前引导电弧的排列方式，光丝夹角为35°，离焦量为-1 mm，光丝间距为2.0 mm，激光和电弧的总热输入一定，试验采用的焊接工艺参数如 表2 表2 所示。采用体视显微镜测量焊缝的熔宽和余高，采用蔡司Axiolab 5金相显微镜对不同 QR LA 下激光-MIG复合焊接头的显微组织进行观察。测量焊件上表面典型位置的热循环曲线和焊件上表面的残余应力，以验证激光-MIG复合焊接温度场和残余应力场计算结果的准确性。 材料 C Si Mn P S Cr Ni Mo Q345 0.180 0.50 1.70 0.020 0.025 0.30 0.012 0.190 JM-80 0.081 0.67 1.56 0.018 0.008 0.33 0.011 0.008 编号 激光功率 P L /kW 电弧功率 P A /kW 电流 I/ A 焊接速度 v /（m·min -1 ） QR LA S1 3.1 4.3 179.1 4 0.90 0.72 S2 3.4 4.0 166.6 0.85 S3 3.7 3.7 154.1 1.00 S4 4.0 3.4 141.6 1.18 有限元计算过程 1 根据试样实际尺寸，采用SolidWorks软件建立4个 QR LA 下Q345钢激光-MIG复合焊接焊件的实体模型，并对焊件上不同区域采用不同的网格尺寸进行划分。焊缝对应的计算用性能数据选择SYSWELD软件的材料数据库中与JM-80成分和力学性能相近的材料进行二次开发，而后进行温度场和应力场的顺序耦合计算。 QR LA =1.0时焊件S3对应的有限元网格模型如 图1 图1 所示。 由于复合焊接头宏观形貌呈现上宽下窄的Y型，因此选用双椭球热源模型+三维锥体热源进行组合的复合焊接热源模型 ［ 9 9 ］ 以获得与实际焊接熔池形貌和尺寸接近的计算结果。 结果与讨论 1 复合焊接焊缝宏观形貌 2 不同 QR LA 下复合焊接焊缝的宏观形貌如 图2 图2 所示。可见经过一道焊缝的填充后，除了 QR LA =0.72时焊缝根部没有达到完全熔透外，其他几个能量配比下的试样均实现了焊缝根部的完全熔透。随着 QR LA 增加，激光功率增加、电弧功率下降，导致电弧作用部位的焊缝余高越来越小。此外，上表面电弧区焊缝对应的熔宽逐渐减小，S1~S4试样的熔宽分别为8.26 mm、6.04 mm、5.96 mm和5.85 mm。 QR LA 从0.72增加至1.18时，熔宽从8.26 mm下降至5.85 mm，降幅达到29.2%。 （a） QR LA =0.72 　　　　　　　（b） QR LA =0.85 　　　　　　　 （c） QR LA =1.0 　　　　　　　　（d） QR LA =1.18 显微组织 2 对4个 QR LA 下试样的焊缝和热影响区显微组织进行观察，发现不同试样各区域的显微组织类型基本相同，仅各相比例和晶粒尺寸存在一定的差异。S1试样（ QR LA =0.72）和S4试样（ QR LA =1.18）接头中焊缝和粗晶热影响区（coarse grained heat affected zone， CGHAZ）的显微组织如 图3 图3 所示。可以看出，S1试样的电弧区焊缝与激光区焊缝组织类型大致相同，均为大量针状铁素体（acicular ferrite， AF）、先共析铁素体（proeutectoid ferrite， PF）、侧板条铁素体（ferrite side plate， FSP）和少量粒状贝氏体（granular bainite， GB），但电弧区焊缝中的FSP数量多于激光区焊缝。S1试样电弧区CGHAZ的显微组织均主要由70%左右的板条马氏体（lath martensite， M L ）以及少量GB组成；激光区CGHAZ的显微组织中M L 数量比电弧区CGHAZ要少一些，约为60%。S4试样对应的激光功率较高、电弧热输入较低，导致电弧区焊缝的显微组织中AF增加、FSP减少，而激光区焊缝内FSP数量较多。S4试样电弧CGHAZ组织由90%左右的M L 和少量GB组成；而激光区CGHAZ内马氏体数量为82%左右，并出现了一定量的GB。 1;2; 温度场计算结果 2 S3试样的熔池形貌试验和模拟结果的对照图如 图4 图4 所示，可以看出二者形状比较吻合，表明所采用的复合焊接热源模型可以较为准确地计算出激光-MIG复合焊接的温度场分布。试样S3的温度场计算结果如 图5 图5 所示。 1;2; 复合焊接试样表面典型位置（P1点位于焊缝表面中心线，P2点位于焊件表面距熔合线0.4 mm处）的热循环曲线如 图6 图6 所示。 1,2; 由 图5 图5 可知，接头的温度场峰值温度随着 QR LA 增大略有上升，当 QR LA =0.72时，熔池的最高温度为2 301.1 ℃； QR LA =1.18时，熔池最高温度2 437.6 ℃。由 图6 图6 可知，当 QR LA 从0.72升高至1.18时，P1点经历的峰值温度由2 187.9 ℃上升至2 427.1 ℃；随着上部电弧作用区的熔宽减小，P2点热循环曲线的峰值温度略有下降，从1 002.3 ℃降低至968.1 ℃。P2点热循环曲线的计算结果与测试结果较为吻合，表明采用的复合热源模型及参数设置较为合理，可用于应力场计算。 应力场计算结果 2 试样S3的残余应力分布如 图7 图7 所示。由图可知，纵向残余应力 σ x 在焊缝及HAZ处存在较高的拉应力，且分布范围较广，峰值拉应力（550.9 MPa）出现在HAZ处，且随着距焊缝距离的增大，纵向残余应力逐渐减小为压应力。横向残余应力 σ y 在上、下表面的WM处出现较低的压应力，而HAZ处均出现高值拉应力，峰值拉应力为288.2 MPa，明显小于纵向残余应力。厚度方向应力 σ z 整体应力水平不是很高，HAZ处呈现较低的拉应力。等效残余应力 σ Von 的高应力值出现在HAZ和焊缝，母材两侧边缘处应力数值趋于0。 1;2; 不同 QR LA 下焊件上表面位于1/2焊件长度处的残余应力分布规律如 图8 图8 所示。由图可知 ， QR LA =1.18时，试验测得的 σ x 、 σ y 与计算所得的应力分布规律吻合较好。 σ x 在焊缝和HAZ表现为高水平的拉应力； σ y 在焊缝两侧靠近HAZ处表现为拉应力，焊缝中心处应力水平较低； σ z 在焊件表面整体应力水平较低，而在HAZ处应力水平相对较高。 QR LA =0.72时，复合焊件中的等效残余应力水平最高。当 QR LA 从0.72增加到1.0，上表面 σ x 、 σ y 、σ z 和 σ Von 的峰值均呈现下降趋势；当 QR LA 从1.0增加到1.18时， σ x 、 σ y 、σ z 和 σ Von 的峰值应力均表现出一定的上升。 1;2;3;4; 不同 QR LA 下焊件的残余应力峰值变化如 表3 表3 所示。 QR LA 在0.72~1.0之间内，随着激光功率增加， σ x 、σ y 、 σ z 和 σ Von 各应力的峰值水平均有一定幅度地下降；当 QR LA 从1.0增加到1.18时，焊件中各应力分量的最大值略有上升。 QR LA 纵向应力 σ x /MPa 横向应力 σ y /MPa 厚度方向应力 σ z /MPa 等效应力 σ Von /MPa 0.72 584.5 311.4 153.5 579.6 0.85 563.1 301.7 112.8 531.8 1.00 550.9 288.2 91.7 518.4 1.18 559.7 291.1 104.3 527.2 讨论 2 可以看出，由于试验采用0.9 m/min的焊接速度，焊接速度较快，导致激光-MIG复合焊接头的粗晶区在快冷情况下易出现淬硬组织如板条马氏体，具有一定的淬硬倾向。当 QR LA 增加，上部的电弧区热输入降低，因此电弧区CGHAZ马氏体数量增加；同时因焊缝面积随着 QR LA 增加有所减小，冷却速度加快，因此激光区CGHAZ马氏体数量也略有增加。当采用 QR LA =1.0时，焊接接头的残余应力水平最低，焊接接头的等效残余应力峰值为518.4 MPa，纵向残余应力峰值、横向残余应力峰值为550.9 MPa和288.2 MPa，此时接头的残余应力水平最低。结合焊缝成形，为了得到较低的应力水平和变形、降低应力集中，可以选择 QR LA =1.0的激光/电弧能量配比进行复合焊接，此时焊缝上表面余高较小、背面成形较好，且CGHAZ的马氏体数量较S4试样（ QR LA =1.18）要低一些。 结论 1 （1）不同 QR LA 下接头的焊缝区组织均为大量AF、PF、FSP和少量GB，CGHAZ显微组织含有较多粗大的M L 。随着 QR LA 增加，电弧区焊缝FSP减少，激光区焊缝内FSP数量略有增加，电弧区和激光区CGAHZ内M L 数量也有所增加。 （2）建立了适用于8 mm厚Q345钢激光-MIG复合焊接的双椭球+三维锥体复合热源模型，对不同 QR LA 下的焊接温度场和应力场进行了计算，结果表明所采取的复合热源模型计算得到温度场和应力场结果与实测结果较为接近。 （3）Q345钢激光-MIG复合焊接头的残余应力水平较高，HAZ处出现应力集中。 QR LA =1.0时，接头的纵向残余应力 σ x 在焊缝及其HAZ存在较高的拉应力且分布范围较广；横向残余应力 σ y 在上、下表面的焊缝处应力水平较低；厚度方向应力 σ z 总体应力水平很低。 （4） QR LA 在0.72~1.18之间时，随着 QR LA 的增加，等效残余应力峰值表现出现下降再上升的规律。 QR LA =1.0时，复合焊接头的残余应力水平相对最低。 参考文献 Atabaki M M ， Nikodinovski M ， Chenier P ， et al . 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