Q890D钢激光-电弧复合焊冷裂纹敏感性

曹瑜琦　倪川皓　易伟　李建宇

摘要： 通过开展斜Y形坡口试验，研究了15 mm，20 mm两种板厚Q890D高强钢在室温和预热150 ℃条件下激光-电弧复合焊冷裂倾向。结果表明，在3.94 kJ/cm热输入下，15 mm厚Q890D钢预热150 ℃后焊接，无冷裂纹出现;不预热焊接，则会产生表面裂纹和根部裂纹;相同的热输入下20 mm厚Q890D钢预热150 ℃和不预热焊接，均会产生表面裂纹和根部裂纹。与不预热相比，采用焊前预热150 ℃，15 mm厚Q890D钢热影响区平均硬度从428 HV下降至418 HV;20 mm厚Q890D钢热影响区平均硬度从457 HV下降至444 HV。热影响区存在软化现象，在热影响区靠近母材一侧硬度比母材低，15 mm厚和20 mm厚Q890D钢软化区硬度降幅分别为6%和7%，二者基本相同。Q890D钢焊缝组织由马氏体组成，热影响区组织由回火索氏体和部分马氏体组成。与15 mm厚Q890D钢相比，20 mm厚Q890D钢的热影响区中更多的组织发生了发生马氏体转变。

关键词： Q890D; 激光-电弧复合焊; 斜Y形坡口; 冷裂纹敏感性

中图分类号： TG 456.7

Cold crack sensitivity of Q890D steel by laser-arc hybrid welding

Cao Yuqi Ni Chuanhao Yi Wei Li Jianyu

（1. National Engineering Technology Research Center of Concrete Machinery， Changsha 410013， Hunan，China;

2. Zoomlion Heavy Industry Science & Technology Co.， Ltd.， Changsha 410013， Hunan，China）

Abstract： Through oblique Y-shaped groove test， cold crack sensitivity of Q890D high strength steel plates with thickness of 15 mm and 20 mm was studied by laser arc hybrid welding at room temperature and preheating 150 ℃. The results showed that at 3.94 kJ/cm heat input， there were no cold cracks in 15 mm thick Q890D steel after preheating at 150 ℃， while surface cracks and root cracks appeared without preheating. At the same heat input， there appeared surface cracks and root cracks in 20 mm thick Q890D steel at both room temperature and preheating 150 ℃. Compared with no preheating， average hardness of heat affected zone in 15 mm thick Q890D steel decreased from 428 HV to 418 HV by preheating 150 ℃ before welding， and average hardness of heat affected zone in 20 mm thick Q890D steel decreased from 457 HV to 444 HV. It existed softening phenomenon in heat-affected zone， hardness on the side near heat-affected zone was lower than that of the base metal. Hardness of softening zone in Q890D steel with thickness of 15 mm and 20 mm was 6% and 7% respectively， which was basically the same. Microstructure of weld was composed of martensite， while microstructure of heat affected zone was made up of tempered sorbite and some martensite. Compared with Q890D steel with 15 mm thickness， more microstructure underwent martensitic transformation in heat affected zone of Q890D steel with 20 mm thickness.

Key words：   Q890D; laser-arc hybrid welding; oblique Y groove; cold crack sensitivity

0前言

為满足节能减排、绿色环保的需求，轻量化是工程机械的必经之路。轻量化的主要途径之一就是进一步采用更高级别的高强钢，以减少工程机械结构件的重量。屈服强度900 MPa级别的高强钢，强度高，塑韧性较低，通常认为其焊接性主要有以下特点：热影响区组织与性能的变化对焊接热输入较为敏感，热影响区淬硬倾向增大，对氢致裂纹敏感性较大。为了防止冷裂纹的产生，通常还要采用焊前预热工艺[1-4]。

目前，有不少研究者对弧焊工艺条件下Q890D高强钢的焊接性进行研究：通过理论计算，Q890D钢碳当量0.56%，冷裂纹敏感性0.35，最低预热温度 112 ℃[5]。斜Y形坡口试验表明，对于Q890D钢20 mm板厚在室温下不预热MAG焊会产生裂纹，预热100 ℃后不会产生裂纹;而15 mm和10 mm板厚在室温下焊接不会产生裂纹[6]。严格控制层间温度，Q890D钢焊缝主要以铁素体和马氏体为主，热影响区粗晶区以板条马氏体为主，细晶区以铁素体和下贝氏体为主[7]。对30 mm厚Q890D钢焊接应避免过大的热输入，而较佳的热输入为12 kJ/cm[8]。

激光-电弧复合焊通常是指将激光束和电弧两种物理性质、能量传输机制截然不同的热源复合在一起，同时作用在工件表面，对工件进行加热完成焊接的过程。国内外学者对高强钢的激光复合焊开展了许多研究工作，但主要集中在激光-电弧复合焊机理、接头性能和组织形貌等方面[9-15]，对冷裂纹敏感性的试验研究较少。

文中通过对不同板厚的Q890D钢采用斜Y形坡口试验，研究其激光-电弧复合焊冷裂纹敏感性，为Q890D钢激光-电弧复合焊工艺的拟定提供参考。

1试样制备与试验方法

1.1试样材料

试验材料为Q890D高强钢，化学成分和力学性能分别见表1、表2。焊材为等强匹配的气体保护焊实芯焊丝，牌号为ER120S-G，直径为1.2 mm，化学成分和熔覆金属的力学性能分别见表1、表3。激光-电弧复合焊过程采用富氩气保护，保护气体为80%Ar+20%CO₂。

1.2试验设备

焊接设备包括YLS-6000激光器，双通道，光纤直径150 μm，以及TPS4000弧焊电源。激光焊接头为YW52直焊接头，焦距279 mm，光斑直径0.205 mm。試板焊接完成后，采用BX53MRF型金相显微镜观察焊接接头的宏观形貌和显微组织，采用HV-1000型显微硬度计进行焊接接头截面的显微硬度试验。

1.3试验方法

依据标准GB/T 32260.2—2015《金属材料焊缝的破坏性试验 焊件的冷裂纹试验 弧焊方法 第2部分：自拘束试验》实施斜Y形坡口焊接裂纹试验。共设计了不预热和预热到150 ℃两组对比试验，用于评价中厚板激光复合焊根部裂纹敏感性。

斜Y形坡口试验件尺寸如图1所示，焊缝分为拘束焊缝和试验焊缝两部分，焊前清理焊道坡口及两侧20 mm范围内油污铁锈，露出金属光泽。拘束焊缝采用人工焊接，焊材与试验焊缝相同。拘束焊缝前预热至150 ℃，打底焊电流为160～180 A，电弧电压为18～20 V，焊接速度30～40 cm/min。填充焊和盖面焊层间温度150～250 ℃，焊接电流为250～280 A，电弧电压26～30 V，焊接速度30～40 cm/min。

在拘束焊缝完成冷却后，采用激光复合焊焊接试验焊缝，激光在前引导形成小孔，电弧在后熔覆填充，焊接热输入为3.94 kJ/cm，试验焊缝的焊接工艺参数

见表4。试验焊缝焊完后自然冷却，静置48 h后，进行裂纹检测。

裂纹检测分为表面裂纹检测和根部裂纹检测两类，焊缝表面裂纹采用目视检查，根部裂纹采用断面宏观金相观察。按GB/T 26955—2011《金属材料焊缝破坏性试验 焊缝宏观和微观检验》的规定切取金相试样，如图2所示，以引弧处和弧坑中心之间焊道宽度均匀四等分，5个剖面与坡口平行。金相试样采用线切割方法切取，经过打磨、抛光后，用5%的硝酸酒精溶液腐蚀，再采用100倍显微观察金相剖面上焊缝金属和热影响区的裂纹。

对上述4组试样，按GB/T 2654—2008《焊接接头硬度试验方法》要求各选择试验焊缝一个剖面做维氏硬度试验。根据焊缝形貌和热影响区特点，选择98 N载荷进行17个点显微硬度检测，具体检测点位置如图3所示。

2试验结果与讨论

2.1斜Y形坡口裂纹试验

图4为4组斜Y形坡口试验焊缝表面状态，从图4可发现，除了2号试样外，其他3个试样均出现贯穿型表面裂纹。表面裂纹率按式（1）计算，计算结果见表5。

C_f=∑l_f/L×100% （1）

式中：C_f为表面裂纹率，%;L为试验焊缝长度， mm;∑l_f为表面裂纹总长度，mm。

图5为4组试样的焊缝断面宏观形貌，从图中可发现，表面裂纹从试验焊缝的上表面萌生，一直贯穿到焊缝底部。根部裂纹从底部萌生，扩展延伸区域较表面裂纹更小。剖面（根部）裂纹率按照式（2）测算，计算结果见表5。

Cs=H_c/H×100% （2）

式中;C_s为剖面裂纹率，%;H为试验焊缝最小厚度， mm;H_c为根部裂纹的高度，mm;高度小于0.5 mm的缺陷（H_c≤0.5 mm）不视为氢致裂纹。

由表5可以看出，15 mm厚Q890D钢在室温下焊接，表面裂纹率100%，根部裂纹率11%;在150 ℃预热条件下焊接，表面裂纹率和根部裂纹率均为0。20 mm厚Q890D钢在室温下焊接，表面裂纹率100%，根部裂纹率11%;在150 ℃预热条件下焊接，表面裂纹率为100%，根部裂纹率均为12%。分析其原因，在焊接热输入相同的条件下，板厚越厚，焊缝熔池的冷却速度越快，焊缝区形成淬硬组织越多，出现冷裂纹的倾向越大。对板厚为15 mm的Q890D高强钢，在文中焊接工艺参数条件下，可以通过焊前预热，消除焊后冷裂纹的出现。但是，对于板厚20 mm的Q890D高强钢，采用焊前预热已无法消除或者减少焊后冷裂纹的出现，需调整焊接规范，如降低焊接速度，提高焊接热输入，以降低焊缝熔池的冷却速度，进而减小焊接接头的冷裂纹倾向。

2.2硬度试验

图6为4组焊接试样焊接接头各测量点维氏硬度分布，从图6a可看出，与不预热相比，15 mm厚Q890D钢焊前预热150 ℃条件下，焊缝区平均硬度从450 HV下降至405 HV，热影响区平均硬度从428 HV下降至418 HV。从图6b可看出，与不预热相比，20 mm厚Q890D钢焊前预热150 ℃，焊缝区平均硬度从432 HV下降至425 HV，热影响区平均硬度从457 HV下降至444 HV。显然，通过采用焊前预热，可以在一定程度上降低焊接接头的硬度，提高其的塑性，进而降低Q890D的淬硬倾向。

在相同的焊接参数和外部环境下，焊后冷却速度越快，热影响区的淬硬倾向也越大。与15 mm厚Q890D钢相比，20 mm厚钢板冷速快，其热影响区硬度也更高，最高值达到了462 HV。

从图6还可看出，试样热影响区的硬度分布不均匀，且存在软化现象，在热影响区靠近母材一侧硬度比母材低，此处称为软化区。与母材硬度相比，15 mm厚和20 mm厚Q890D钢软化区硬度降幅分别为6%和7%，二者化基本相同。

为明确显微组织对硬度和性能的影响，对试样焊接接头显微组织进行了观察和分析。图7为2号和4号试样的焊接接头显微组织，从图中可以看出，2组试样焊缝组织均由马氏体组成，整体上差异不大;但2组试样的热影响区均发生了不完全相变，该区域组织由回火索氏体和部分马氏体组成。显然，同样采用焊前预热150 ℃，20 mm厚Q890D的热影响区马氏体数量比15 mm厚Q890D钢更多，这是因为其板厚更厚，冷却速度更快，更多的固相组织发生了发生马氏体转变。

3结论

（1）在3.94 kJ/cm热输入下，15 mm厚Q890D钢预热150 ℃后焊接，无冷裂纹出现，不预热焊接，则会产生表面裂纹和根部裂纹;相同的热输入下20 mm厚Q890D钢预热150 ℃和不预热焊接，均会产生表面裂纹和根部裂纹。

（2）通过采用焊前预热，可以在一定程度上降低焊接接头的硬度，进而降低Q890D的淬硬倾向。与焊前不预热相比，采用焊前预热150 ℃，15 mm厚Q890D钢热影响区平均硬度从428 HV下降至418 HV。20 mm厚Q890D钢热影响区平均硬度从457 HV下降至444 HV。

（3）热影响区存在软化现象，在热影响区靠近母材一侧硬度比母材低，15 mm厚和20 mm厚Q890D钢软化区硬度降幅分别为6%和7%，二者基本相同。

（4）Q890D钢焊缝区组织均由马氏体组成，热影响区组织由回火索氏体和部分马氏体组成。与15 mm厚Q890D钢相比，20 mm厚Q890D钢的热影响区中更多的固相组织发生了发生马氏体转变。

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