S 355J 2W+N激光-电弧复合焊接头微观组织及疲劳性能研究

激光-电弧复合焊接头微观组织及疲劳性能研究李业雄袁张林儒袁杨德惠

（中车长春轨道客车股份有限公司，吉林长春130062）

采用MAG电弧与激光复合热源对6mm钝边、30毅坡口的对接接头进行焊接，观察激光-电弧复摘要：

合焊焊接接头的焊缝区、粗晶区、重结晶区、不完全重结晶区的微观组织，并分析其各区域特点。根据复合热源特点将焊接接头上部称为电弧区，下部称为激光区，并结合接头的多次热循环，阐述焊缝下部激光区因柱状晶对生生长导致焊缝中心位置成为整个焊接接头薄弱区域的原因。采用130MPa、330MPa、340MPa、350MPa、360MPa、370MPa六种应力级别进行试验，形成S-N曲线，并通过疲劳试验数据、结合电镜下疲劳断口的微观形貌，分析裂纹扩展过程中各个阶段形貌及裂纹源出现的原因。激光-电弧复合焊；微观组织；疲劳；裂纹关键词：

TG456.7A中图分类号：文献标志码：

10.7512/j.issn.1001-2303.2018.08.21阅韵陨：

员园园员原圆猿园猿（圆园员8）08原园109-06文章编号：

Studyonmicrostructureandfatigueoflaser-archybridweldingforS355J2W+N

LIYexiong，ZHANGLinru，YANGDehui

（CRRCChangchunRailwayVehiclesCo.，Ltd.，Changchun130062，China）

weldzone，coarsecrystalzone，recrystallizationzoneandincompleterecrystallizationzoneofthelaser-archybridweldingjointwere

Thebuttjointswith6mmedgeand30毅groovewereweldedbyarcandlaserhybridheatsource，andthemicrostructureofthe粤遭泽贼则葬糟贼：jointiscalledthearczone，andthelowerpartiscalledthelaserzone.Thestresslevelsof130MPa、330MPa、340MPa、350MPa、360MPaand370MPawereusedinthetesttoformtheS-Ncurveandanalyzethecrackmorphologyandthecauseofcracksourceatvariousstagesduringthecrackpropagationprocessbycombiningthefatiguetestdataandthemicroscopicmorphologyofthefatigueundertheelectronlaser-archybridwelding；microstructures；fatigue；crack运藻赠憎燥则凿泽：microscope.observed，andthecharacteristicsofeachzonewereanalyzed.Accordingtothecharacteristicsofhybridheatsource，theupperpartofthe

0

S355J2W+N是轨道客车车辆转向架构架常用

的一种耐候钢板材料，目前多采用自动和半自动熔化极活性气体保护焊进行焊接，焊接工艺成熟，但

收稿日期院2018-01-15；修回日期院2018-06-11

作者简介院李业雄（1987—），男，硕士，工程师，主要从事轨道

客车转向架焊接工艺研究工作。E-mail：leeyexiong

@163.com。

前言

本研究采用一种新型焊接填充量大、焊接效率低[1]。

的热源复合技术———激光-电弧复合焊对S355J2W+N进行焊接，激光-电弧复合焊是将激光和电弧两种能量表现形式不同的热源结合起来，既能体现激光焊接的优势，又具有传统电弧焊的特点，形成了一种发挥各自长处同时又弥补自身不足的新热源[2-3]。这种焊接方法具有能量利用率高、热输入量小、焊缝熔深大、焊接速度快及间隙适应能力良好

耘造藻糟贼则蚤糟宰藻造凿蚤灶早酝葬糟澡蚤灶藻窑窑109焊接工艺

等优点。同时，激光热源可引导熔融状态下的焊缝填充金属向焊缝深处过渡，对改善焊缝成形和焊缝质量、降低焊缝应力集中系数有积极作用。与单独采用激光作为热源进行焊接相比，焊缝熔深可增加20%，且降低对工装精度的要求。电弧的加入使金属表面对激光的反射率降低，有效地提高了激光的利用率[4-5]。

1

1.1

试验试验材料和方法

材料

采用S355J2W+N钢板作为母材，其化学成分如

表1所示。采用B觟HLERNiCu1-IG焊丝（φ1.2mm）作为填充材料，其化学成分如表2所示。

表1S355J2W+N母材的化学成分

Table1ChemicalcompositionsofS355J2W+Nw（0.17C）w（0.55Si）w（0.94Mn）w0.035（S）w0.035（P）%w0.065（Cr）w（0.400Cu）w0.650（Ni）0.300w（V）w0.150（Al）表2

B觟HLERNiCu1-IG焊丝的化学成分

Table2ChemicalcompositionsofB觟HLERNiCu1-IG

weldingwiresw0.101（C）ww（%0.470（Si）1.090Mn）w0.012（S）w0.004（P）w0.030（Cr）w（0.360Cu）w0.870（Ni）0.002w（V）w0.002（Al）1.2试验方法

激光-电弧复合焊装置由YLS-6000型光纤激光16器6mm、OTC-DP厚S355J2+N500型对接，直流坡口弧焊机及机尺寸如图械手等组成。激mm光-，钝电弧边间复隙合0.3多层mm焊焊接，基本参焊接数如参表数如1所4表示所3，示所钝。

示边。图1对接接头的坡口尺寸Fig.1

Groovesizeofbuttjoints

1.3

性能试验

试件焊接完成后进行无损检测（外观检测，表

110窑耘造藻糟贼则蚤糟宰藻造凿蚤灶早酝葬糟澡蚤灶藻第源8卷

表3

基本焊接参数

Table3Basicweldingparameters离/mm焦量光丝间距光纤芯径准直聚焦间隙焊枪倾角-2/mm2/200滋m/mm100/mm250/mm0.3（/60毅）表4

激光-电弧复合多层焊焊接参数

Table4Laser-archybridmulti-layerweldingparameters焊缝激光功率焊接电流焊接电压焊接速度组对间隙层道P/kW第一层第二层6230I/AUv/cm·min-1第三层227020/V120/mm22902425400.340——面磁粉检测、射线检测），合格后截取试样进行金

相显微组织分析及疲劳试验试样制备。

2

2.1

试验金相结果组织

及分析

激光-MAG复合焊接接头呈现上宽下窄的

漏斗型”特点，如图2所示。焊接接头下部区域填充量小，形成了以激光为主导热源的激光区，而上部焊接接头区域为采用小功率、大电流、以电弧为主导热源的电弧区。

图2

激光-电弧复合焊接头的低倍照片

Fig.2Lowmagnificationphotoofthelaser-archybrid

weldingjoint

2.1.1焊焊缝缝区区微观微观组组织织

具有明显的联生结晶特点，这一特点在激光区更加明显。在焊接过程中，随着热源的前移，在后部熔池的冷却过程中焊缝金属呈柱状晶形式由半熔化的母材晶粒向熔池生长，晶粒生长方向在最大温度梯度方向所受驱动力最大，在接头底部区域，熔池窄、冷却速度快，两侧柱状晶同时向焊缝中心生长，形成了以焊缝中心为中心线的等轴晶。在这种情况下，熔池中的溶质或

“窑焊接工艺李业雄，等：S355J2W+N激光-电弧复合焊接头微观组织及疲劳性能研究第8期杂质均集中在焊缝中心位置，成为焊缝中最为薄

弱的区域，形成区域偏析，见图3a。而在上层电弧区这一现象并不明显，由于相对冷却时间慢，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，还可见少量珠光体组织，见图3b。电弧区与激光区的过渡区域，前层晶粒受后层的影响生长方向发生了改变，焊缝组织中出现贝氏体、魏氏体以及大量的块状先共析铁素体，见图3c。

2.1.2热影响区微观组织

热影响区由粗晶区、重结晶区、不完全重结晶区构成。粗晶区为紧邻焊缝区的区域，在高热作用下晶粒严重长大，距熔合线愈近晶粒长大愈明显，主要为过热魏氏组织，也含有少量的珠光体和贝

氏体，见图4a，过热区由于加热温度高，一些难溶质点（例如碳化物和氧化物等）溶入奥氏体，增加奥氏体的含碳量使动力学转变曲线右移，在快冷条件下形成少量的贝氏体；重结晶区的组织主要为均匀、细小的铁素体和少量的珠光体，见图4b，由于重结晶区的晶粒明显细化，因此该区具有更高的综合力学性能；不完全重结晶区的特点是只有部分金属经历了重结晶相变，剩余部分为未经重结晶的原始铁素体晶粒，因此它是一个粗晶粒和细晶粒的混合区，由未经重结晶的较粗大铁素体、经过重结晶的细小铁素体和少量的珠光体组成，见图4c。

a焊缝区下部

Fig.3

b焊缝中层图3

焊缝区微观组织Microstructuresofweld

c焊缝顶层

a粗晶区

图4Fig.4

b重结晶区热影响区微观组织MicrostructuresofHAZ

c不完全重结晶区

2.2焊接接头的疲劳性能

焊接接头疲劳性能试验依据GB/T13816-92标准进行。焊接接头疲劳试样尺寸如图5所示。疲劳试验在高频疲劳试验机上进行，采用轴向拉-拉加载方式，循环应力比R=0.1，加载频率f=130Hz，循环应力最高加载次数为1伊107周次。约定在1伊107周次循环时仍未起裂的应力级别为条件疲劳极限。

焊接接头疲劳断裂均发生在焊缝下部激光作用区中心位置，这意味着焊缝激光作用区是焊接接头疲劳性能的薄弱区域。应力级别为310MPa时，焊接接头循环应力1伊107周次未发生断裂；随着应力范围的提高，在应力级别330MPa时，裂纹出现在焊缝处；在应力级别为340MPa、360MPa、370MPa时，裂纹出现在试样过渡圆弧处及母材，如表5所

耘造藻糟贼则蚤糟宰藻造凿蚤灶早酝葬糟澡蚤灶藻窑窑111焊接工艺

图5接头疲劳试样尺寸

Fig.5

Jointfatiguespecimensize

示。图6为焊接接头疲劳试验结果。图7为疲劳裂纹示意。图8为焊接接头疲劳试验S-N（应力-寿命）曲线。

表5对接接头疲劳试验数据Table5

FatiguetestdataofB-joint

试件应力平均最大动载疲劳断裂编号级别应力应力应力寿命位置1驻滓/MPa滓m/MPa滓max/MPa滓2310155p/MPaN/周次189.443330201.67344.444340207.78366.6716521.0E7未断焊缝990155740027过渡圆弧5340207.78377.78170170焊缝6350213.89377.781755200459677焊缝7350213.89388.89175473422720焊缝8360过渡圆弧370220.00388.89226.11400.00411.11180185193329563055母材图6

疲劳试样试验后形貌

Fig.6

Morphologyofthefatiguespecimens

扫描电镜冲击断口分析结果表明，激光-电弧复合焊接头的疲劳断裂是损伤积累的结果，是与时间有关的断裂形式，其断裂过程大致分为三个阶段：裂纹形成→裂纹缓慢扩展到临界尺寸→在剩余截面上裂纹作较快速不稳定扩展直至最终断裂。焊缝的疲劳断口较平坦、光滑，在断口中可清楚地看到

112窑耘造藻糟贼则蚤糟宰藻造凿蚤灶早酝葬糟澡蚤灶藻第源8卷

图7

疲劳裂纹示意

Fig.7

Schematicdiagramoffatiguecrack

图8

接头疲劳S-N曲线

Fig.8

FatigueS-Ncurveofweldedjoint

对应于断裂疲劳过程三阶段的区域，即疲劳核心区

或称疲劳源）、疲劳裂纹扩展区和瞬时破断区（或称终断区）。

（1）疲劳核心区是断裂的起始点。焊缝高周疲劳断裂的起始点位于焊缝下部柱状晶对生生长中心位置（见图7），这是因为焊缝所承受应力正好作用在焊缝的结晶面上，而这个面晶粒联系较差，晶粒生长将杂质推到这里，成分不均匀，成为焊接接头薄弱环节。从位于柱状晶对生面的局部应力集中处（见图9a、9b）可以看出，如果在柱状晶对生面上出现气孔，裂纹更易在气孔处形成（见图9c、9d）。

（2）疲劳裂纹扩展区是疲劳断口上最重要的特征区域。扩展阶段占了疲劳总寿命的绝大部分，裂纹在该区扩展较为缓慢。焊缝断口表面由于受到反复挤压、摩擦，具有平滑、光亮的宏观特征。在扫描电镜（SEM）下可看到贝纹状（或称海滩状、年轮状）特征花样。贝纹线从疲劳源开始，呈同心弧线向四

窑（焊接工艺李业雄，等：S355J2W+N激光-电弧复合焊接头微观组织及疲劳性能研究第8期图9

Fig.9

焊接接头疲劳断口形貌

Weldedjointsfatiguefracturemorphology

周推进，大体上垂直于裂纹的扩展方向，其外观像

被波涛冲刷过的海滩，如图9g所示。这些条纹表示裂纹前沿在间歇扩张过程中的逐次位置。它的出现往往是高周疲劳情况下由于间歇性的停车及开车，或载荷大小发生变化时，裂纹扩展过程不连续变化所留下的宏观印记。

（3）瞬时断裂区（终断区）是疲劳裂纹扩展到临

界尺寸后发生剩余截面的快速失稳断裂形成的。在焊缝的终断区可看到剪切唇的存在，图9h上半部分为扩展区，下半部分为终断区，剪切唇为韧窝形貌。

3结论

窑窑113（1）焊缝区由柱状、针状和块状铁素体构成，也

含有少量的贝氏体和珠光体，层与孕葬早藻132

耘造藻糟贼则蚤糟宰藻造凿蚤灶早酝葬糟澡蚤灶藻焊接材料

第源8卷

图7所示。盖面层与层间重热区组织基本相同，均为粒状贝氏体+铁素体组织，其中铁素体组织以针状铁素体（AF）和沿晶界的块状先共析铁素体（PF）为主。多层多道焊接时，相邻焊层之间彼此具有热处理作用，多次热处理的叠加使层间重热区晶粒更细小。

3结论

（1）研制的窄间隙焊剂配合专用焊丝埋弧焊接，在较宽的焊接电流、焊接速度范围内，具有优异的焊接工艺性能。

（2）通过合理的渣系选择与配方设计，焊剂在较宽的焊接电流、焊接速度、道间温度等焊接参数范围内变化焊接时，熔敷金属热处理态力学性能均满足技术要求，数值余量大，且波动较小，具有较好的工程实用性。

（3）熔敷金属微观组织为粒状贝氏体+铁素体。

a盖面层

b细晶区

图7

埋弧焊材（CHW-S55HRF+CHF112HRF）熔敷金属微观组织

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层交界处发生多次热循环，发生回复和再结晶，微观组织为针状、块状铁素体和少量魏氏组织。底层焊缝相比顶层焊缝晶粒细化，为细小的针状铁素体、少量的贝氏体和珠光体。焊接热影响区为魏氏组织+少量贝氏体和珠光体，魏氏组织的出现使得热影响区成为接头的薄弱环节。

（2）焊缝底部较窄，冷却速度快，柱状晶继续长大和推移，将溶质或杂质推向焊缝中心，最终在中心线附近形成等轴晶，溶质或杂质聚集在焊缝中心，在凝固后出现区域偏析，增加了焊缝的纵向裂纹倾向。

（3）通过对焊接接头在不同应力等级下的高周疲劳性能试验，焊缝所承受应力正好作用在焊缝的

窑窑132耘造藻糟贼则蚤糟宰藻造凿蚤灶早酝葬糟澡蚤灶藻孕葬早藻113

结晶面上，而这个面晶粒联系较差，裂纹源出现于

焊缝激光作用区柱状晶对生生长的中心位置。

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