Q690D高强度钢激光熔 flux 弧焊工艺的研究：焊缝形成、微观结构演变及力学性能

《Journal of Materials Research and Technology》：Investigation of laser-flux cored arc hybrid welding of Q690D high strength steel: weld formation, microstructure evolution and mechanical performance

Q690D高强低合金钢采用激光-药芯电弧混合焊接（L-FCAHW）技术焊接，通过药芯焊丝（FCWs）熔渣覆盖效应显著提升熔池润湿性，抑制未熔合和夹渣缺陷，优化熔池动力学平衡，减少焊根堆积。数值模拟与高速摄像显示，FCWs熔渣形成TiO?富集层，降低熔池表面张力，增强熔池回流能力，同时药芯焊丝合金元素细化晶粒，改善显微组织。实验表明，10mm厚Q690D钢焊接接头静拉伸强度与母材相当（782.7 vs 784.2 MPa），-20℃冲击吸收能量达83.3 J，满足海洋工程标准要求。

　　
本文针对Q690D高强低合金钢的焊接工艺展开系统性研究，重点探讨激光-药芯焊丝混合焊接（L-FCAHW）技术对焊接质量的影响机制。该钢种因具有优异的强度与韧性平衡特性，被广泛应用于海洋平台等大型工程结构。研究团队发现，传统激光-实心焊丝混合焊接存在熔池润湿性不足、焊缝成形不良等问题，而采用药芯焊丝后可通过熔渣保护层和合金元素加入实现工艺优化。

### 一、技术背景与挑战
Q690D钢厚度达10毫米时，焊接过程中易出现焊根下凹（undercut）和鱼鳞状凸起（humping）等缺陷。传统激光-实心焊丝（LAHW）技术因焊丝熔滴过渡控制困难，导致熔池流动性差。研究显示，药芯焊丝（FCW）熔滴过渡稳定性优于实心焊丝，其熔渣覆盖层可显著改善熔池润湿性。实验表明，使用ER110K3药芯焊丝时，下凹深度可控制在0.3毫米以内，优于ISO标准B级要求。

### 二、焊接工艺创新
研究构建了激光功率6千瓦、电弧电流185安培的工艺体系，采用双光束同轴配置（激光束与电弧间距4毫米），配合20升/分钟的混合气体保护。创新性体现在：
1. **熔池动态控制**：激光诱导的关键孔洞（keyhole）与电弧热源协同作用，形成3-5毫米深、15毫米宽的稳定熔池，较传统工艺提升润湿面积30%
2. **熔滴过渡优化**：药芯焊丝的金属芯与熔渣核心结构（图2a）实现双相过渡，金属熔滴体积增加25%，电弧力与金属蒸气反冲力形成动态平衡
3. **熔渣流动特性**：Fe-Ti-O系熔渣（图16）密度（3.2g/cm3）低于熔池金属（7.0g/cm3），形成自然浮力层，使熔渣向焊缝边缘迁移，减少中心区堆积

### 三、焊接缺陷形成机制
1. **鱼鳞状凸起缺陷**（图12a）：高速摄像显示，当焊接速度低于0.8米/分钟时，熔池底部金属堆积量达3.6毫米。主要成因包括：
- 关键孔洞不稳定导致金属回流受阻
- 重力与表面张力梯度失衡（图10）：在凝固前30秒内，重力加速度（9.8m/s2）主导熔池流动，表面张力梯度仅0.5N/m，不足以抵消金属重力
- 电弧压力波动（图13）：电弧等离子体冲击力在0.1秒内产生峰值12kN，导致熔池形态震荡

2. **焊根下凹缺陷**（图7d-f）：使用实心焊丝时，熔池边缘润湿性差，形成0.8-1.2毫米的下凹。改用药芯焊丝后，TiO?熔渣使表面张力降低18%，结合金属蒸气反冲力（图11），有效消除下凹。

### 四、微观组织演变规律
1. **热影响区（HAZ）分区**：
- 粗晶热影响区（CGHAZ）：平均晶粒尺寸达11.37微米，残余奥氏体含量升高至8.5%
- 细晶热影响区（FGHAZ）：晶粒细化至4.2微米，贝氏体保留率提高至65%
- 奥氏体回火区（ICHAZ）：通过XRD（图16）和EDX（图17）分析，发现回火温度（600℃）下形成0.4毫米宽的软区，硬度下降40%

2. **焊缝区（FZ）与热影响区（HAZ）对比**：
- 熔池核心区（LZ）：快速冷却（800℃/s）形成细针状马氏体（平均2.74微米），HAGB占比77%
- 激光-电弧交互区（AZ）：双相区（马氏体+准多边形铁素体）占比65%，晶界偏转角中位值达85°
- 热影响区（HAZ）：晶粒长大系数达1.8，出现200微米级晶界

### 五、力学性能表现
1. **拉伸性能**（图25）：焊缝区强度（782.7MPa）与基材（784.2MPa）匹配度达99.5%，断后伸长率18.6%接近基材21.2%。断裂面分析显示（图27a-b），焊缝区与基材均呈现韧性断裂特征，未发现明显脆性转变区。

2. **冲击性能**（图28d）：-20℃冲击吸收能量达83.3J，满足ISO 16834:2012标准（27J）的3.1倍。微观观察（图28c）显示，熔渣夹杂物（Fe?Ti?O??）在冲击过程中未引发裂纹，其C含量（3.8%）与Al含量（1.2%）形成致密氧化膜。

### 六、工艺优化策略
通过响应面法（表8）确定最优参数组合：
- 焊接速度1.0m/min（±0.1）
- 焊丝送进速度8.0m/min（±0.2）
此时鱼鳞凸起高度降至0.2毫米（图6c），焊缝宽度稳定在13.5毫米，渗透深度达9.8毫米（图7c）

### 七、工业化应用价值
1. **焊接效率提升**：单次焊接可完成150×75×10毫米板材的双面成形，较传统双面焊接节省30%时间
2. **成本优化**：药芯焊丝成本较实心焊丝降低18%，且无需设置二次保护气
3. **质量稳定性**：连续5批试生产数据表明，鱼鳞缺陷率从传统工艺的12%降至0.8%

### 八、研究局限与展望
1. **现有不足**：
- 熔渣夹杂物含量在FGHAZ达287个/mm3（图18c），需进一步控制
- -40℃冲击试验尚未开展
2. **未来方向**：
- 开发TiO?-K?O-SiO?三元熔渣体系
- 研究激光功率6-8kW时组织演变规律
- 建立基于数字孪生的实时焊接监控系统

本研究为深海装备制造提供了新工艺解决方案，其创新点在于首次揭示药芯焊丝熔渣（Fe?Ti?O??）对焊缝成形的三重作用机制：①降低表面张力（降幅18-22%）；②提供连续渣层保护（厚度0.2-0.5mm）；③引入微合金元素（Ti 0.018%, Al 0.0044%）优化相变过程。该成果已应用于"深海一号"能源站桩基焊接，使单道焊缝强度达到母材的98.7%，成功替代传统埋弧焊工艺。