激光-电弧复合焊接HSLA钢接头显微组织特征与力学性能

《Metals》：Microstructural Characteristics and Mechanical Properties of Laser–Arc Hybrid Welded Joints for HSLA Steel

　　

研究人员采用激光-电弧复合多层多道焊在25 mm厚A710钢上制备高质量接头，并系统研究其显微组织与力学性能。结果表明焊缝成形良好且无显著缺陷。焊缝区显微组织由针状铁素体（acicular ferrite，AF）、贝氏体铁素体（bainitic ferrite，BF）和多边形铁素体（polygonal ferrite，PF）组成，热影响区（heat-affected zone，HAZ）由PF与BF组成。焊层间为针状铁素体再结晶形成的粗大方块铁素体。焊缝区为细晶柱状组织且高角度晶界密度高，热影响区晶粒粗大且大量低角度晶界。焊接接头平均抗拉强度696 MPa、平均屈服强度619 MPa、平均延伸率32%，所有拉伸试样断于焊缝区并呈韧性断裂特征。上热影响区平均显微硬度（291 HV）高于焊缝区（228 HV），下焊缝区平均显微硬度（267 HV）高于热影响区（255 HV）。?40 ℃冲击韧性焊缝区平均111 J、热影响区平均91 J。焊缝区断口纤维区面积大于热影响区且韧窝更大。

研究背景方面，高强度低合金钢（HSLA钢）因高强度、良好塑性、优异韧性与耐蚀性、优良焊接性，广泛用于桥梁、船舶与车辆制造。传统熔化极气体保护焊（gas metal arc welding，GMAW）虽操作简便、成本低，但效率低、接头性能有限、热影响区宽，难以满足25 mm厚A710钢矿用自卸车结构件的高效生产需求。激光-电弧复合焊接（laser–arc hybrid welding，LAHW）兼具激光深熔与电弧填丝优势，适合厚板、少道次、高效率及性能提升。针对A710钢LAHW研究匮乏，研究人员以替代GMAW为目标，开展25 mm厚A710钢八层八道LAHW接头组织与性能系统评价。该研究发表于《Metals》，意义在于为厚板HSLA钢高效高韧焊接提供工艺-组织-性能关联依据。

关键技术方法上，研究人员以350 mm×150 mm×25 mm的A710钢板为母材，选用ER55-Ni1焊丝，采用IPG YLS-6000光纤激光与FRONIUS TPS 500i CMT弧焊电源进行八层八道LAHW（激光前置，激光-电弧间距D_LA=3 mm，离焦量+2 mm，80%Ar+20%CO₂保护气）。焊后按ISO 17636-1:2013进行X射线探伤；依据GB/T系列标准分别取样做拉伸（GB/T 2651-2008）、显微硬度（GB/T 4340.1-2009，1000 g/15 s）、?40 ℃夏比V口冲击（GB/T 2650-2008）；借助ZEISS Sigma 500扫描电镜与电子背散射衍射（electron backscatter diffraction，EBSD）分析显微组织、晶界特征、晶粒取向分布与断口形貌。样本为同批次A710钢板焊接接头中部取样。

研究结果部分，按原文小节归纳如下。

3.1 焊缝形貌与无损检测：各层表面连续平滑、无咬边驼峰，背面全熔透；X射线显示焊缝无气孔与未熔合，激光提高熔深降低前道缺陷风险。

3.2 显微组织表征：上焊缝区（‘W’区）激光/电弧热输入比0.22，以电弧为主，含AF、PF、BF及粗大M-A组元；根部焊缝区（‘F’区）比值1.06，激光主导、冷速快，AF互锁细化抑制PF/BF，M-A少量。HAZ上区（‘C’区）为粗BF+粗大M-A；层间（‘L’区）因反复热循环超Ac₃，原始AF被破坏，保留部分AF并再结晶出粗PF。

3.3 晶体学分析：熔合线附近焊缝呈自熔池边缘向中心生长的细晶柱状AF，HAZ晶粒粗化。核平均取向差（kernel average misorientation，KAM）图显示‘W’区内应力低、HAZ高。EBSD表明焊缝与母材平均晶粒面积相近（7.75与7.95 μm²），高角度晶界（high-angle grain boundaries，HAGBs）比例相近；‘C’区平均晶粒21.22 μm²、HAGBs降约40%。晶粒取向散布（grain orientation spread，GOS）显示‘W’区完全再结晶晶粒多、变形晶粒少，HAZ反之。‘W’区晶粒尺寸双峰分布（细AF峰+粗BF/PF峰），‘C’区单峰。

3.4 拉伸性能：平均抗拉强度696 MPa、屈服619 MPa、延伸32%，断于焊缝区，断口深韧窝为韧性沿晶断裂；AF引发大量HAGBs阻碍位错，提升塑性。

3.5 显微硬度：母材232 HV；上区焊缝228 HV、上HAZ 291 HV；下区焊缝267 HV、下HAZ 255 HV。上HAZ因粗BF+M-A硬于焊缝，下焊缝因激光快冷细晶高AF分数硬于下HAZ。

3.6 低温冲击性能：?40 ℃焊缝区111 J、HAZ 91 J。焊缝区纤维区大、韧窝深密、放射区为准解理；HAZ纤维区小、浅韧窝、典型解理河流纹。高HAGBs与小晶粒促裂纹偏转提高韧性，HAZ粗晶直裂纹路径降韧性。

讨论部分总结：研究人员指出焊缝区以AF为主、HAGBs密度高、晶粒细、再结晶充分，是强度与低温韧性优于HAZ的主因；HAZ受反复热输入发生固态相变与异常长大，粗BF与块状M-A增多、低角度晶界为主，残余应力高，导致硬度高但冲击韧性略低。上层电弧主导区PF/BF多、M-A粗化致硬度偏低；下层激光主导区细AF致硬度偏高。组织-性能映射关系明确了LAHW道次热循环分配对厚板接头均质化的控制作用。

结论部分翻译浓缩如下：

（1）25 mm A710钢LAHW焊缝成形良好，无显著缺陷；‘W’区以AF为主伴少量粗M-A，‘L’区以AF为主，‘C’区以粗BF为主。

（2）焊缝金属呈择优取向，AF的高角度晶界数量与平均晶粒尺寸接近母材；‘C’区因焊接热输入平均晶粒更大、低角度晶界密度更低。

（3）接头平均抗拉强度696 MPa、屈服619 MPa、延伸率32%，断于焊缝区且为韧性断裂。

（4）上HAZ硬度291 HV高于焊缝228 HV与母材232 HV；下焊缝267 HV高于下HAZ 255 HV与母材，距焊缝中心越远硬度渐降至母材。

（5）焊缝区与HAZ平均?40 ℃冲击功分别为111 J与91 J，归因于焊缝区高AF分数与高HAGBs密度，HAZ晶粒粗化且低角度晶界多。