激光-电弧复合焊接10 mm厚Q690E高强钢：成形、微观组织与力学性能

《Results in Engineering》：Laser–Arc Hybrid Welding of 10-mm-thick Q690E High-Strength Steel: Formation, Microstructure, and Mechanical Properties

　　

Q690E高强低合金钢（HSLA）具有优异的低温韧性和抗冲击性能，是建造大跨度桥梁的理想材料。HSLA钢的电弧/激光焊接分别面临焊缝热影响区（HAZ）软化和气孔/飞溅缺陷。采用响应面法（RSM）结合工艺参数多目标优化，研究人员利用激光-电弧复合焊接成功制备了10 mm厚Q690E HSLA钢的焊接接头。对焊接接头的微观组织和力学性能进行了系统研究。结果表明，焊接接头由焊缝金属区和HAZ组成。焊缝金属区可细分为上部熔合区（FZ）和下部激光区（LZ）。HAZ包括粗晶HAZ（CGHAZ）、细晶HAZ（FGHAZ）和临界HAZ（ICHAZ）。FZ、LZ、CGHAZ和FGHAZ的微观组织以板条马氏体（lath martensite）为主。ICHAZ的微观组织由马氏体和贝氏体组成。微观组织分布的差异导致了不均匀的显微硬度分布。测试结果表明，CGHAZ表现出最高的显微硬度，其次是LZ和FZ。拉伸试验表明，所有焊接接头均在远离焊缝的母材（BM）处断裂。在室温三点弯曲试验中，焊接接头表现出比BM更高的弯曲强度。低温夏比冲击试验表明焊接接头发生脆性断裂，冲击吸收能量达到BM的79.8%，超过了工业测试标准。这些结果为10 mm厚Q690E HSLA钢的工业焊接提供了理论支持。

随着大跨度轻量化桥梁设计趋势的发展，传统低强度钢难以满足减重、提效和抗低温脆性断裂的严苛要求。Q690高强低合金钢（HSLA）因其高比强度和优异的低温韧性，成为理想替代材料。然而，HSLA钢的弧焊存在热影响区（HAZ）软化问题，而激光焊则面临气孔和飞溅缺陷。激光-电弧复合焊接（LAHW）通过协同激光与电弧热源，可克服单一工艺的局限性，实现中厚板的高质量连接。本研究针对10 mm厚Q690E HSLA钢，采用LAHW技术，结合响应面法（RSM）与多目标优化工艺参数，成功制备了全熔透焊接接头，并系统分析了其微观组织与力学性能。结果表明优化后的接头成形良好且无缺陷，微观组织以板条马氏体（lath martensite）为主，力学性能优异，断裂位置位于母材远离焊缝区，弯曲强度优于母材，低温冲击韧性满足工业标准。该研究为10 mm厚Q690E HSLA钢的工业焊接提供了理论支撑。论文发表在《Results in Engineering》。

关键技术方法方面，研究人员采用以下主要方法：1）利用激光-电弧复合焊接系统（RFL-C12000XZ光纤激光器、Artsen Plus 500焊接电源、KUKA机器人），以ER110S-G焊丝（1.2 mm直径）为填充金属，对Q690E HSLA钢板（来源：宝钢）进行单道双面成形焊接；2）采用响应面法（RSM）中的Box-Behnken设计（BBD），以激光功率、扫描速度、送丝速度和离焦量为变量，建立焊缝宽度与余高的预测模型，并通过方差分析（ANOVA）验证模型显著性；3）使用光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）表征微观组织；4）通过显微硬度测试、室温拉伸试验、三点弯曲试验和-20℃夏比冲击试验评估力学性能。

研究结果如下：

**3.1 多目标工艺参数优化**
- **3.1.1 模型建立与统计验证**：基于BBD实验矩阵，通过ANOVA建立焊缝宽度和余高的回归模型。结果表明，扫描速度（SS）是影响焊缝宽度的最显著因素（F值208.9），离焦量（DD）是影响余高的最显著因素（F值186.98）。模型R2分别为0.9689和0.9470，预测值与实测值高度吻合，模型预测能力优良。
- **3.1.2 焊缝宽度模型分析**：扰动图显示SS对焊缝宽度影响最大，激光功率和离焦量影响较弱。三维响应面表明激光功率与扫描速度、离焦量，扫描速度与送丝速度之间存在显著交互作用。
- **3.1.3 焊缝余高模型分析**：扰动图显示DD对余高影响最强，送丝速度次之。响应面分析表明激光功率与扫描速度、扫描速度与离焦量的交互作用显著影响余高。
- **3.1.4 优化与实验验证**：以最大化焊缝宽度、控制余高在1.11~1.61 mm为目标，获得最优参数：激光功率8 kW、扫描速度25 mm/s、送丝速度13 m/min、离焦量-3 mm。验证实验显示焊缝宽度平均偏差1.03%，余高平均偏差3.1%，总体预测精度超97%。

**3.2 焊接接头形态与力学性能**
- **3.2.1 焊缝宏观组织**：优化参数下获得单道全熔透焊接接头，顶部与背面成形良好，无气孔、裂纹等缺陷。横截面呈酒杯形，可区分上部熔合区（FZ）、下部激光区（LZ）及HAZ（包括CGHAZ、FGHAZ、ICHAZ）。
- **3.2.2 微观组织特征**：FZ、LZ、CGHAZ、FGHAZ均以板条马氏体（LM）为主，ICHAZ由马氏体和贝氏体组成。上部FZ因冷却速率较慢含少量贝氏体，LZ因激光主导的快速冷却含更高比例LM。CGHAZ因高峰值温度使奥氏体晶粒粗化，FGHAZ晶粒较细，ICHAZ因部分奥氏体化形成混合组织。
- **3.2.3 显微硬度分布**：显微硬度测试显示BM平均368.3 HV_1.0，FZ平均~572 HV_1.0，LZ平均~579.5 HV_1.0。CGHAZ硬度峰值约596.4 HV_1.0，ICHAZ最低约351.7 HV_1.0。硬度分布与马氏体含量及热循环差异一致。
- **3.2.4 拉伸行为与断裂机制**：室温拉伸试验表明，焊接接头屈服强度708 MPa、抗拉强度789 MPa、延伸率17%，均与BM相当。所有断裂发生在远离焊缝的BM处，断口呈现韧窝和空洞，为韧性断裂。这是由于硬化区域（FZ、LZ、HAZ）约束了ICHAZ软区的应变局部化。
- **3.2.5 弯曲性能**：三点弯曲试验中，焊接接头无表面裂纹。在跨中位移26 mm时，接头弯曲强度1291.7 MPa，最大载荷10.5 kN，均高于BM（1225.7 MPa，10.1 kN），表明接头弯曲性能优于BM。
- **3.2.6 夏比冲击韧性**：-20℃冲击试验中，BM平均吸收能219.6 J，接头平均175.3 J（为BM的79.8%），远高于标准要求的27 J。断口宏观呈脆性特征，微观为准解理断裂（包含解理面、河流花样及少量韧窝）。马氏体组织和M-A组元是冲击韧性降低的原因，但局部塑性变形仍贡献了部分吸收能。

讨论部分总结：焊接接头中LM的形成提升了硬度和强度，但也增加了脆性风险。ICHAZ的软化因窄区域及周围高强度拘束而未削弱拉伸性能。弯曲性能的提升得益于焊接区的均匀强化。冲击韧性虽降低但仍满足工业标准，表明LAHW适用于10 mm厚Q690E HSLA钢的工业焊接。

研究结论翻译如下：
（1）通过方差分析验证了所建立数学模型的稳健性。扫描速度（SS）是影响Q690E焊缝宽度的显著因素，离焦量（DD）是影响余高的显著因素。多目标优化获得的最优参数为激光功率8 kW、扫描速度25 mm/s、送丝速度13 m/min、离焦量-3 mm。验证实验显示焊缝宽度平均误差1.03%，余高平均误差3.1%，在可接受范围内，证实模型预测精度高。
（2）焊接接头FZ和LZ的微观组织主要由板条马氏体（LM）组成。HAZ主要包括CGHAZ、FGHAZ和ICHAZ。由于焊接热循环，晶粒尺寸从CGHAZ到FGHAZ逐渐减小。CGHAZ和FGHAZ由LM和少量贝氏体构成，ICHAZ由马氏体和贝氏体组成。基于焊缝深度方向的温度梯度变化及激光快速加热冷却机制，LZ含有更高比例的LM。此外，母材侧壁约束和焊接热循环导致微观组织均匀性显著差异，从而造成焊缝中不均匀的显微硬度分布。
（3）焊接接头的拉伸性能与BM相当，所有试样均在远离焊缝的BM区域断裂。在室温三点弯曲试验中，焊接接头表现出优于BM的弯曲强度。FZ、LZ和HAZ中形成的板条马氏体提高了焊缝硬度和强度，但也增加了脆性风险并降低了韧性。焊接接头具有足够的低温冲击韧性，满足工业测试标准。