高强钢激光焊接研究进展

高强钢激光焊接研究进展高亚峰，卢庆华（上海工程技术大学材料工程学院，上海201620）摘要：高强钢以其超高的强度、良好的塑韧性和较好的焊接性能得到广泛应用。

目前，随着激光加工技术应用的发展，国内外许多学者已对高强结构钢的激光焊接技术进行系列研究。

但是在高强钢焊接接头的裂纹、接头软化以及焊接工艺参数对接头成形的影响等方面的研究还有待继续深入。

本文着重从这三个方面入手，概述了近年来国内外高强钢激光焊接的研究现状，并对其发展方向进行了展望。

关键词：激光焊；高强钢；接头裂纹；接头软化；焊接工艺参数中图分类号：TG456．7文献标志码：B文章编号：1002－025X (2016)07-0001-04收稿日期：2015-09-16基金项目：国家自然科学基金资助项目（51305253）；上海工程技术大学重点科研平台大学生创新训练项目（CZ1505011）0引言高强钢以其显著的综合性能和优良的经济效益在提倡结构轻量化、绿色环保、可持续发展的经济建设和社会发展中起着重要作用，并被广泛地应用于压力容器、重型机械、轨道和船舶制造等领域［1］。

激光焊（Laser Welding ）是利用聚焦的高能激光束作为热源进行高精密焊接的方法。

其原理是将高功率密度的激光束聚焦后照射到金属表面，金属表面吸收高强激光后与金属相互作用，产生的热能熔化金属，形成瞬态熔池，动态熔池金属冷却结晶后形成激光焊缝［2］。

激光焊技术以其良好的接头成形、高效的加工手段、自动化和可靠性高等优势，已在交通运输、化学化工、电子轻工等行业受到青睐并被日益广泛应用。

近年来，国内外学者对高强钢激光焊接性有了一定认识，但在高强钢激光焊接应用上还有待深化，尚存很多问题有待进一步探索［3］。

1高强钢激光焊接裂纹的研究现状焊接裂纹形式多样，从其本质角度可将裂纹分为冷裂纹、热裂纹、再热裂纹、层状撕裂和应力腐蚀裂纹等［4］。

高强钢激光焊接裂纹以冷裂纹最为常见，产生温度通常在高强钢马氏体转变温度附近，产生条件主要为淬硬组织、拘束应力和氢的共同作用，分布区域以焊接热影响区最为突出。

在能量密度高、焊接速度快的激光焊接过程中，常在碳当量较高的高强度钢接头中存在有别于传统焊接方法下出现的裂纹缺陷，主要原因是：（1）经过激光焊接热循环作用后，形成较复杂的接头组织，常规CCT 曲线很难解释其相变和结晶行为；（2）区别于传统熔焊接头，激光焊接接头易出现淬硬组织，接头硬度普遍较高，易产生裂纹；（3）激光焊接冷却速度快，快速加热和凝固收缩使接头可能存在较大应力；（4）合金元素在快速冷却过程中扩散不充分，快速凝固过程可能存在杂质元素偏析，接头处易形成氧化物夹杂，进而影响接头性能［5］。

陈俐等人［3］在高强度钢的激光焊接性研究中提出，在激光焊接过程中采用同步激光热处理和感应热处理的方法，可以有效防止激光焊接裂纹的产生。

同时，在高强度钢ZstE180BH 和ZstE340拼板焊接过程中，实施焊后热处理更有利于避免裂纹的产生。

Xu 等人［6］对激光焊接DP980高强钢的微观组织和疲劳性能进行了研究，发现高强钢试样的疲劳裂纹萌生于HAZ 软化区的凹陷处，并总结出几乎所有裂纹的扩展特征都是由疲劳辉纹和二次裂纹结合所导致。

Schuster 等人［7］运用大功率激光焊接13mm 厚的S355N 低合金高强钢，发现当焊接速度大于0．8m ／min时，焊接接头裂纹以存在于焊缝中心的纵向裂纹为主，通过分析认为是凝固裂纹。

其原因在于相对生长的树DOI:10.13846/12-1070/tg.2016.07.001枝晶最终接触并交互连接生长，导致凝固裂纹表面的树枝晶呈圆形；若相对生长的树枝晶未接触，则凝固裂纹表面的树枝晶呈尖形，形成的是凝固缩孔。

Philips等人［8］对13mm厚的HY80钢和HY100钢进行激光单道焊，并在焊接过程中填入热丝，观察发现焊缝中的凝固裂纹明显减少，同时焊接接头韧性得以改善；并且发现，快速填丝焊接头显微组织为针状铁素体，慢速填丝焊接头显微组织为马氏体与贝氏体的混合组织。

沓名宗春［9］在SCr420钢的激光焊接接头中发现，由马氏体相变时产生的内部应力作用下的低温裂纹，其产生温度低于Ms点，且分布于沿着马氏体晶粒汇合处的中央线附近。

同时，扫描电镜观察分析可知，裂纹断面几乎不存在塑性变形，裂纹既产生于胞状晶、柱状晶的晶界，也产生在胞状晶、柱状晶的晶内。

通过焊前预热或者激光－电弧复合焊均可以显著降低该低温裂纹的敏感性。

Liu等人［10］对AISI4140钢进行了双束激光焊接研究，发现相同焊接速度条件下单光束激光焊焊缝中存在缩孔；而双光束激光焊中，无论是预热还是后热，随着光束间距的减小，接头冷却速度和温度梯度降低，硬度下降，未产生裂纹。

通过焊缝组织模拟马氏体含量的计算结果表明，焊缝中马氏体含量由82％降至59％。

此外相同光束间距条件下，经预热处理的焊缝硬度比后热处理的焊缝硬度高。

2高强钢激光焊接头软化的研究现状焊接各种钢板时普遍存在接头软化的现象，主要是由焊接热影响区的性能变化引起的［5］。

具体可归结为：当热影响区加热温度高于母材回火温度至Ac1区域内时，存在积聚的碳化物，导致钢材软化。

利用激光焊接高强度钢时，使用大功率、高焊速的焊接工艺等措施可获得宽度较窄的热影响区，缩减焊接接头软化区间，进而减少接头软化现象。

根据激光焊接热循环特性可知，高强度钢激光焊接比常规焊接方法更容易控制接头软化现象的发生。

雷振等人［11］对JFE980S高强钢对接接头进行了激光－MAG复合热源焊接。

研究发现，激光－MAG复合热源焊接接头具有较高的强度比，接头软化区域和软化程度较小。

焊后热影响区局部区域出现的沿晶界呈块状或颗粒状分布的碳化物和马氏体的混合组织是造成低合金调质高强钢焊接接头软化的主要原因。

Kim等人［12］利用CO2激光器焊接强度级别达1500MPa的汽车用高强钢，对显微组织研究发现：超高强度钢与780MPa级高强度钢的焊接热影响区均存在软化现象，这主要由马氏体的溶解所导致。

Farabi等人［13］对DP600钢的激光焊对接接头进行了研究，在熔合区观察到由于快速冷却所形成的大量马氏体，这导致了接头显微硬度显著增加。

而在热影响区靠近母材的区域则出现了软化现象，该“软化区”的存在使得接头的延展性和疲劳极限降低。

但即使拉伸试样的断口位于“软化区”，在断口上依然有韧窝状的塑性断裂特征呈现。

Farabi等人［14］对DP600/DP980异种钢进行了激光焊接研究，发现在热影响区存在软化现象，且DP980钢一侧的软化程度和软化区面积要大于DP600钢一侧。

分析认为在DP980侧有更多的马氏体发生回火，导致该侧硬度降低。

但因DP980母材中的马氏体占比相对于DP600母材中的更大，即使DP980侧软化较严重，该侧的最低硬度仍高于DP600侧。

Xu等人［6］在激光焊接DP980高强钢的微观组织和疲劳性能的研究中，发现使用光纤激光器和二极管激光器焊接高强钢都存在着热影响区软化现象，其原因是由于激光的再加热作用会造成马氏体回火并分解。

同时又观察到，使用二极管激光器焊接的接头，其热影响区中马氏体回火和分解的程度高于光纤激光器焊接的接头，究其原因是二极管激光器焊接速度较慢，造成了更多的热输入。

Parkes等人［15］利用光纤激光完成低合金高强钢和DP980高强钢异种材料的焊接。

观察发现在DP980钢一侧存在热影响区软化现象，认为是由快速冷却过程中合金元素流失的差异所导致。

但试验发现热影响区软化的存在并没有影响拉伸性能，这是由于DP980侧最低的硬度值仍高于低合金高强钢的母材。

3焊接工艺参数对接头成形影响的研究现状Pecas等人［16］采用与激光束同轴吹保护气体的方法抑制镀锌和非镀锌薄钢板激光对接焊中的等离子体，并利用专用夹具控制薄板拼接的焊接变形。

试验证明，对于镀锌和非镀锌薄钢板的焊接参数是一致的，焊接参数的改变只与钢板的厚度有关。

把保护气体置于工件的顶部和底部能有效地防止焊接时工件发生氧化。

一般而言，板材越厚，焊接时收缩变形程度越大。

Mei等人［17］对汽车用高强镀锌钢板进行激光焊接，主要研究了激光功率、焦点位置、焊接速度、保护气体等工艺参数对镀锌板激光焊接性的影响，分析了锌蒸汽在激光焊接过程中对焊缝产生的作用。

激光深穿透焊时，采用氩气作为保护气体比采用氮气作为保护气体的接头成形性能更好。

保护气体侧吹的方式能有效地抑制接头处镀锌层的汽化。

Huang等人［18］对声信号在激光焊接高强钢熔深实时监测的可行性研究中，使用声信号对焊接过程进行记录和分析，并通过基于声强和频率这2种算法来有效区分全熔透（FP）和部分熔透（PP）。

还利用声信号作为反馈来控制激光焊透的深度，对实现焊接质量的控制提供巨大帮助。

高俊等人［19］在不同厚度汽车用高强钢板激光焊接临界速度的研究中，选用CO2激光器为热源，在不同激光功率条件下，改变焊接速度找出相应功率下的焊缝过熔透和焊缝未熔透的速度临界点。

当焊接速度增加时，背面焊缝与正面焊缝的宽度比减小。

最小焊接临界速度和最大焊接临界速度随着激光功率的增加呈线性变化。

临界激光焊接速度随着被焊钢板厚度的减小而增大。

Kim等人利用6kW功率的CO2激光器焊接1500 MPa强度级别的车用高强钢，可满足焊缝的完全熔透。

通过选择适当的焊接工艺参数控制焊缝截面形状、抗拉强度、接头硬度以及微观组织结构，并对每一种情况进行评估发现，在减小热影响区宽度以及增加冷却速度条件下接头强度增加。

于思彬［20］在超高强度钢激光焊接性研究中，采用搭接接头和对接接头研究接头焊接性，分析了焊接速度对接头显微组织和力学性能的影响。

结果表明，在合理的工艺参数下，接头中没有气孔、裂纹等焊接缺陷，焊接质量良好。

焊接速度增加，焊缝横截面尺寸减小。

热影响区的硬度分布呈先上升、达最大值后急剧下降的趋势，说明热影响区存在“软化区”。

焊接速度增加，接头抗剪力减小。

Ma等人［21］在双行程激光焊接镀锌高强钢无间隙搭接接头的研究中，先用散焦的激光对镀锌高强钢表面的镀锌层进行熔化和蒸发，然后使用聚焦后的激光束进行小孔焊，并且在焊接过程中使用机器人视觉系统和光谱仪分析了焊接过程的稳定性。

试验表明，使用双行程激光焊接镀锌高强钢比一般小孔焊或机械除锌镀层的方法具有更高的接头质量。

4结论与展望激光焊接热循环具有快速加热和冷却的特点，在合适的激光工艺参数下焊接高强钢，接头热影响区较小，组织细化。

但高强钢激光焊接头中凝固裂纹、热影响区裂纹以及接头软化等问题仍显著存在，亟待解决。

在激光焊过程中附加同步加热作用，即同步预热或后热是避免高强钢激光焊裂纹的有效措施。

采用同步激光热处理和感应热处理，加热区均可精确到焊缝，也可有效防止激光焊接裂纹。