劉春柏 周明文 劉敏 趙醍 呂緒騰

摘要： 通過(guò)采用MAG熔焊方法并選擇合適的高強(qiáng)鋼焊絲，進(jìn)行1 700 MPa級(jí)超高強(qiáng)鋼和Q550D高強(qiáng)鋼板的異種焊接，得出了最佳焊接工藝參數(shù)，并對(duì)焊接機(jī)頭進(jìn)行了組織及力學(xué)性能試驗(yàn)。結(jié)果表明，異種焊縫組織主要由羽毛狀的下貝氏體組成，在焊態(tài)焊縫組織中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)馬氏體組織；而在1 700 MPa級(jí)超高強(qiáng)鋼的熔合線附近一側(cè)，發(fā)現(xiàn)大量沿熔合線垂直生長(zhǎng)的板條馬氏體組織；力學(xué)性能測(cè)試表明，焊接接頭性能滿足生產(chǎn)使用要求，為超高強(qiáng)鋼的應(yīng)用提供了試驗(yàn)依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 1 700 MPa級(jí)超高強(qiáng)鋼；Q550D高強(qiáng)鋼；MAG焊；組織性能

中圖分類號(hào)：TG 47

Research on the microstructure and properties of dissimilar joints between 1 700 MPa grade ultrahigh strength steel and Q550D high strength steel

Liu Chunbai1，Zhou ?mingwen1，Liu ?min1，Zhao Ti1，Lü Xüteng2

（1. China First Automobile Group Corporation， Changchun 130013，China;2. Harbin Institute of Technology， Harbin 150001，China）

Abstract： By using MAG fusion welding method and selecting appropriate highstrength steel welding wires， the optimal welding process parameters were obtained for dissimilar welding of 1 700 MPa grade UHSS （ultrahigh strength steel） and Q550D highstrength steel plate. The microstructure and mechanical properties of the welding head were tested. The results show that the microstructure of dissimilar welds is mainly composed of feathery lower bainite， and no martensite structure was found in the welded weld microstructure; On the side near the fusion line of 1 700 MPa grade ultrahigh strength steel， a large amount of lath martensite was found growing vertically along the fusion line; Mechanical performance tests have shown that the performance of welded joints meets production and usage requirements， providing experimental basis for the application of ultrahigh strength steel.

Key words： ?1 700 MPa grade ultrahigh strength steel; Q550D highstrength steel; MAG welding; organizational performance

0前言1 700 MPa級(jí)超高強(qiáng)鋼（UHSS）板是一種專門用于制造防護(hù)裝備的高強(qiáng)度低合金鋼板[1]。它的高強(qiáng)度和優(yōu)異的防護(hù)性能使其成為許多領(lǐng)域的首選材料，如軍事、警用、安防等。在其化學(xué)成分中，含有較多的錳、硅、鉬等元素，這些元素的存在可以提高鋼板的強(qiáng)度和硬度，同時(shí)控制了其韌性和可焊性[2]。最重要的是，1 700 MPa級(jí)超高強(qiáng)防護(hù)鋼板具有較高的硬度、抗沖擊性和抗穿透性能，在軍工制造領(lǐng)域如裝甲防護(hù)、坦克車體、直升機(jī)油箱防護(hù)板、防護(hù)玻璃等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。此外，它還可以用于制造各種安全裝備，如防刺背心、防護(hù)頭盔等[3-5]。

超高強(qiáng)鋼中薄板的主要焊接方法為MIG或MAG焊。這2種方法分別采用惰性氣體（氬氣），富氬混合氣體進(jìn)行保護(hù)，可以有效防止焊縫和熔池受到氧化和污染。相對(duì)于熔絲埋弧焊接，氣體保護(hù)焊接的熱輸入小，焊縫深度較淺，因此適用于板厚較小的超高強(qiáng)鋼板[6]。超細(xì)晶強(qiáng)化鋼由特定工藝軋制，在細(xì)晶強(qiáng)化的作用下獲得了極高的強(qiáng)度和硬度，而這也導(dǎo)致其在焊接加工過(guò)程中的晶粒長(zhǎng)大和組織相變不可避免，例如在焊縫區(qū)發(fā)生的組織相變以及熱影響區(qū)晶粒長(zhǎng)大都會(huì)嚴(yán)重影響焊接接頭性能，需要通過(guò)焊接工藝加以調(diào)控。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者已經(jīng)相繼開(kāi)展了超高強(qiáng)鋼的焊接性以及去應(yīng)力研究。于思彬等人[7]分析了超高強(qiáng)鋼與低合金鋼異種材料拼焊的激光焊接性能。他使用3 kW的Yb：YAG激光熱源系統(tǒng)獲得了成型優(yōu)良，無(wú)裂紋、氣孔等明顯缺陷的焊接接頭。焊縫組織以馬氏體為主，呈板條狀，且經(jīng)過(guò)硬度測(cè)試，超高強(qiáng)度鋼HAZ一側(cè)硬度下降，軟化明顯。經(jīng)拉伸性能測(cè)試，拼焊頭在低合金鋼母材一側(cè)斷裂失效，說(shuō)明焊縫強(qiáng)度遠(yuǎn)超低合金鋼母材一側(cè)。許連輔等人[8]對(duì)超高強(qiáng)鋼35CrMnSiA大厚壁管與08Al薄壁管異種材料MAG焊接工藝進(jìn)行了探索研究，焊縫成形美觀，厚壁管一側(cè)坡口角度30°，填充焊絲為直徑1.2 mm的HS-80，焊槍與環(huán)焊縫法線夾角4～7°，保護(hù)氣體為純度不低于99.9%的氬氣和二氧化碳混合氣體。焊后除氫溫度為300～350 ?℃，控制保溫時(shí)間大于2 h。經(jīng)外觀檢查、X射線探傷檢驗(yàn)，焊縫質(zhì)量均滿足設(shè)計(jì)要求，選用的焊接工藝參數(shù)是合理的。雷正龍等人[9]對(duì)Q890/Q550異種鋼激光—MAG復(fù)合焊接接頭的顯微組織及力學(xué)性能進(jìn)行了研究。Q550/Q890激光MAG復(fù)合焊接接頭母材兩側(cè)HAZ組織相同，均為過(guò)熱區(qū)由板條M以及B組織組成，板條M組織出現(xiàn)在細(xì)晶區(qū)。3種熱輸入下的拉伸試件均斷在母材Q550高強(qiáng)鋼處，斷后伸長(zhǎng)率相當(dāng)，斷裂方式同樣以韌性斷裂為主；在沖擊試驗(yàn)斷口處發(fā)現(xiàn)剪切韌窩，焊縫位置沖擊韌性優(yōu)于兩側(cè)HAZ。文中借助KUKA機(jī)器人自動(dòng)焊接系統(tǒng)、光學(xué)顯微鏡及萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)，研究了高強(qiáng)鋼異種接頭最佳工藝參數(shù)下的接頭組織以及力學(xué)性能，從而為超高強(qiáng)鋼焊接應(yīng)用提供試驗(yàn)依據(jù)。

1試驗(yàn)材料和方法

1.1試驗(yàn)材料

研究的母材為4.5 mm厚的1 700 MPa級(jí)超高強(qiáng)鋼和Q550D低合金高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼，填充材料使用ER120SG焊絲。母材及填充材料成分如表1所示。按照AWS規(guī)范對(duì)250 mm×100 mm板件開(kāi)常規(guī)V形槽，坡口角度45～60°，清洗并打磨，使用夾具固定，焊接材料力學(xué)性能如表2所示。

1 700 MPa級(jí)超高強(qiáng)鋼母材顯微組織如圖1（a）所示，經(jīng)回火和空冷后其組織形態(tài)為粒狀貝氏體組織，貝氏體晶粒尺寸極細(xì)，對(duì)應(yīng)ASTM A751-14標(biāo)準(zhǔn)其平均線性截距晶粒度為5um，這也是其具有超高強(qiáng)度的原因[11-12]。圖1（b）顯示了Q550D組織存在的晶粒較大尺寸的貝氏體和沿晶界析出的多邊形鐵素體。

1.2試驗(yàn)方法

進(jìn)行1 700 MPa級(jí)超高強(qiáng)鋼和Q550D低合金鋼的MAG異種對(duì)焊試驗(yàn)。焊接電源為Fronius TPS5000b，利用KUKA KR16機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接。焊接參數(shù)如表3所示。

為研究異種金屬焊后硬化對(duì)1 700 MPa級(jí)裝甲鋼焊縫組織及力學(xué)性能的影響，分別采用光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡觀察接頭微觀組織和斷口形貌，測(cè)試了焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和維氏顯微硬度，金相測(cè)試樣品、拉伸以及硬度試樣的形狀尺寸分別按照ASTM A751-14、ASTM E8/E8M-19b以及ASTM E165-20制備。

2試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1保護(hù)氣CO2占比對(duì)打底焊縫成形分析

分別設(shè)置保護(hù)氣體中CO2占比為0%、10%、20%和30%，其余為Ar，設(shè)置打底焊焊接功率4 kW，送絲速度7.5 m/ min，焊接速度0.4 m/ min，對(duì)接間隙0.7 mm，進(jìn)行不同保護(hù)氣占比下的打底焊工藝試驗(yàn)，焊縫成形及焊縫橫截面熔合情況如圖2，圖3所示。

當(dāng)保護(hù)氣體中CO2氣體含量為0%、10%以及20%時(shí)，異種對(duì)接焊縫表面均未出現(xiàn)明顯的裂紋、未熔合等明顯缺陷。保護(hù)氣體CO2含量為0%時(shí)，異種焊縫根部出現(xiàn)未焊透的情況，隨著保護(hù)氣中CO2含量逐漸升高，焊縫滲透性逐漸增加，在焊縫橫截面上表現(xiàn)為熔寬和熔深的增加以及焊縫余高的減小。當(dāng)混合氣中CO2占比增加至20%時(shí)，焊縫表面幾乎與兩側(cè)母材平齊。

另外，由于混合氣中CO2導(dǎo)熱率更高，因此CO2的增加也使得兩側(cè)母材的熔化量顯著增加，提高了焊接接頭的連接強(qiáng)度，擴(kuò)大了強(qiáng)度和硬度的緩沖區(qū)。當(dāng)CO2含量增加至30%時(shí)，部分熔池穿透母材背面，導(dǎo)致焊穿缺陷的產(chǎn)生。從未焊穿的焊縫橫截面來(lái)看，是由于背板成形所填充的兩側(cè)母材以及焊絲量過(guò)多所產(chǎn)生的重力超出了熔池底部的表面張力所承受的范圍。焊縫表面也略微凹陷，同時(shí)焊接過(guò)程中產(chǎn)生了嚴(yán)重的飛濺[10]。

2.2組織與性能分析

ER120S-G焊絲填充下焊縫組織及取樣位置如圖4a所示。圖4（b）～圖4（e）和圖5為采用ER120S-G焊接1 700 MPa級(jí)超高強(qiáng)鋼與Q550D鋼板接頭各位置的光學(xué)顯微組織。焊縫組織為下貝氏體，存在少許非金屬夾雜物，可觀察到較大的鐵素體片，其余鐵素體呈針狀沿柱狀晶分布，宏觀金相照片中可觀察到明顯的沿含焊縫中心線生長(zhǎng)的柱狀晶。焊縫左側(cè)（Q550D）熔合線區(qū)如圖4（d）所示，由于靠近焊縫，熱輸入大，塊狀先共析鐵素體沿晶界析出，奧氏體晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大，冷卻后在Q550D熔合線處生成魏氏組織，基體組織為珠光體。隨著距焊縫中心距離增大，熱循環(huán)峰值溫度逐漸減小，焊縫左側(cè)（Q550D）熱影響區(qū)組織晶粒逐漸細(xì)化。

熱影響細(xì)晶區(qū)如圖4（b）所示，遠(yuǎn)離焊縫中心位置，相較于粗晶區(qū)的貝氏體組織晶粒度減小，晶間析出的鐵素體更少，原奧氏體的晶界可以被清晰觀察到[13]。

焊縫右側(cè)（1 700 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼）組織如圖5（a）～圖5（c）所示，該側(cè)熱影響區(qū)分布與左側(cè)類似，都存在近焊縫的粗晶HAZ和遠(yuǎn)離焊縫中心的細(xì)晶HAZ。熔合線區(qū)以樹(shù)枝晶為主，垂直于熔合線向冷卻速度較快的兩側(cè)生長(zhǎng)。粗晶區(qū)熱循環(huán)最高溫度在1 100 ?℃以上，釋放了大量的相變組織應(yīng)力，冷卻后形成大量板條馬氏體（M）和少量貝氏體（B）組織，這與材料在常溫下的低熱導(dǎo)率表現(xiàn)不符，可能由于該側(cè)晶粒長(zhǎng)大吸收了大量的熱[14]。同樣隨距焊縫中心距離增加，焊接熱循環(huán)峰值溫度減小，HAZ組織晶粒漸漸細(xì)化，馬氏體組織逐漸被P替代，F(xiàn)析出減少。細(xì)晶區(qū)組織為粒狀貝氏體和少量鐵素體，晶粒尺寸大小與1 700 MPa級(jí) UHSS母材相當(dāng)[15～16]。

2.3力學(xué)性能分析

對(duì)焊縫橫截面水平方向進(jìn)行顯微硬度試驗(yàn)，分析焊縫橫截面上硬度分布規(guī)律，設(shè)置設(shè)備操作參數(shù)：載荷0.5 kg，加載時(shí)間10 s。焊縫熔寬方向（等距0.5 mm、硬度線穿過(guò)打底層）進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，測(cè)試位置及結(jié)果如圖6所示。焊縫橫截面垂直方向硬度呈階梯形分布，打底層以及蓋面層在Q550D側(cè)熱影響區(qū)平均硬度約為220 HV，而焊縫區(qū)平均硬度分別約為390 HV、410 HV；相比Q550D，1 700 MPa超高強(qiáng)鋼一側(cè)熔合線區(qū)焊后硬度均達(dá)到了母材水平，硬度值約為530 HV，最高可達(dá)550 HV左右。該側(cè)由于母材晶粒尺寸極細(xì)，材料內(nèi)部導(dǎo)熱系數(shù)低，在焊接過(guò)程中積累了大量的熱，使得其在焊后具有更快的冷卻速度，再加上1 700 MPa級(jí)超高強(qiáng)鋼中Mn、Cr、Mo等淬硬性元素的影響在該側(cè)熔合線附近生成了大量的高強(qiáng)高硬的板條馬氏體，使得該區(qū)硬度能夠抵消晶粒長(zhǎng)大的軟化效果，從而使硬度水平與母材一致。圖7為拉伸試驗(yàn)件斷裂失效前后。由于1 700 MPa超高強(qiáng)鋼與Q550D低合金鋼強(qiáng)度差異巨大，焊縫區(qū)熔敷金屬摻雜了強(qiáng)化元素，使得焊縫強(qiáng)度能夠輕易超過(guò)Q550D合金鋼使失效位置處于強(qiáng)度較弱的Q550D側(cè)。而熱影響過(guò)熱區(qū)雖然在焊接熱循環(huán)作用下晶粒長(zhǎng)大使強(qiáng)度有下降趨勢(shì)，但Q550D含碳量低，在多種合金元素作用下生成彌散質(zhì)點(diǎn)對(duì)熱影響區(qū)起強(qiáng)化作用。焊接接頭強(qiáng)度超過(guò)Q550D，達(dá)到強(qiáng)度要求。另外，觀察并測(cè)量拉伸件斷后焊縫位置尺寸，試樣斷裂前后焊縫處不存在明顯的塑性變形趨勢(shì)，說(shuō)明焊縫處屈服強(qiáng)度超過(guò)790 MPa。

3結(jié)論

（1）在4.5 mm厚的高強(qiáng)鋼異種連接中，當(dāng)保護(hù)氣中CO2氣體含量為0%、10%以及20%時(shí)，異種對(duì)接焊縫表面均未出現(xiàn)明顯的裂紋、未熔合等明顯缺陷；當(dāng)混合氣中CO2占比增加至20%時(shí)，焊縫表面幾乎與兩側(cè)母材平齊。繼續(xù)增加CO2占比，焊縫表面略微凹陷，焊接過(guò)程中產(chǎn)生了嚴(yán)重飛濺。

（2）在焊接接頭組織結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行了金相組織觀察。發(fā)現(xiàn)在ER120S-G高強(qiáng)鋼焊絲填充下，焊縫中形成了大量的下貝氏體組織，而在1 700 MPa級(jí)超高強(qiáng)鋼熔合線附近則是生成了大量的板條馬氏體，焊接接頭兩側(cè)組織區(qū)別明顯。

（3）力學(xué)性能試驗(yàn)表明，焊接接頭橫截面水平方向硬度呈階梯形分布，焊縫區(qū)打底焊、蓋面焊平均硬度分別約為390 HV、410 HV，接頭硬度最大值出現(xiàn)在1 700 MPa超高強(qiáng)鋼側(cè)熱影響區(qū)。拉伸試樣斷裂位置為Q550D母材，焊接接頭度達(dá)到應(yīng)用要求。

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收稿日期： 2023-09-09

劉春柏簡(jiǎn)介： 主要從事車輛焊接方面的工作。

通信作者簡(jiǎn)介： 呂緒騰，碩士；1020627395@qq.com。