异种钢LMHW与MIG焊接头力学性能对比分析
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第 40 卷 第 2 期 2019 年 2 月
焊接学报
TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION
Vol.40(2):133 − 137 February 2019
异种钢 LMHW 与 MIG 焊接头力学性能对比分析
周曙君1， 吴友发1， 杨 祎1， 刘 旭2， 占小红1
(1. 南京航空航天大学 材料科学与技术学院，南京 211106；2. 扬州东升汽车零部件股份有限公司，扬州 211400)
摘 要： 激光-MIG 复合焊（LMHW）由于结合了激光和电弧两个独立热源各自的优点，极大程度地避免了二者的
缺点，因此成为在汽车、船舶、石油化工等领域具有极大应用前景的新型焊接方法. 以 25CrMo4 和 33MnCrB5-2 异
头的整体硬度 30%.
关键词： 激光-MIG 复合焊；MIG 焊；激光重熔；力学性能；显微组织
中图分类号：TG 407
文献标识码：A
doi：10.12073/j.hjxb.2019400056
0 序 言
近年来，复合焊接的适应面及需求越来越广 泛，很多零件焊接都采用复合焊接手段，如激光MAG 协同作用，与传统熔化极惰性气体保护焊 (MIG) 相 比，金属材料的显微组织和力学性能不同[4]. 目前 对 LMHW 复合焊工艺的研究与开发应用，主要在 德国和日本等发达国家. 复合焊采用的激光为二氧 化碳气体激光和 YAG 固体激光. 电弧为 TIG 电 弧、MIG 电弧或等离子体[5]. 研究表明，与激光单独 作为热源相比，激光-电弧复合焊接的主要优点，可 增加焊接熔深，提高焊接速度与生产率以及提高接 头性能[6-8].
种钢试样为研究对象，对比研究了 LMHW 和 MIG 焊的焊接接头金相组织差别与硬度分布差异. 结果表明，
LMHW 焊缝成形均匀饱满，焊接成形效果好于 MIG 焊接. LMHW 接头焊缝中心的组织比 MIG 焊的组织更细，整
体硬度比 MIG 焊接头整体硬度高，接头的质量较 MIG 焊的接头质量好. LMHW 的接头整体硬度高出 MIG 焊接
B1
2 2 700
301 23.7 0.45
9.7
1 5 000
282 23
0.6
8.8
B2
2 3 000
301 23.7 0.45
9.7
1 6 000
282 23
0.6
8.8
B3
2 3 000
301 23.7 0.45
9.7
2 试验结果与分析
试 验 中 的 焊 接 接 头 包 括 两 种 母 材 25CrMo4 和 33MnCrB5-2 的热影响区、熔合区以及两道焊 缝. 复合焊焊缝的宏观形貌如图 1a 所示，MIG 焊焊 缝宏观形貌如图 1b 所示. 母材 33MnCrB5-2 为回 火索氏体，组织如图 1c 所示，母材 25CrMo4 组织 几乎全为回火马氏体，组织如图 1d 所示.
A2
260
0.54
A3
250
0.42
A4
250
0.45
表 3 LMHW 试验参数 Table 3 LMHW test parameters
激光功率 焊接电流 电压 焊接速度 送丝速度
编号 层数 P/W
I/A
U/V vw/(m·min−1) vf/(m·min−1)
1 4 000
282 23
0.6
8.8
⩽0.025 ⩽0.035
⩽0.015 ⩽0.015
B — 0.000 8 ~ 0.005 —
Ni Fe — 余量 — 余量 2.3 余量
收稿日期：2018 − 05 − 29 基金项目：江苏省科技项目 (BE2015124)
12003 碟片激光器及相关配套夹具，焊接参数如表 3 所示. 两种焊接方式焊后要将焊接接头全部埋入石
134
焊接学报
第 40 卷
英砂坑中保温和缓冷处理，时间大于 3 h. 然后在金 相显微镜下对两种焊接接头进行金相显微观察，并 对两种焊接接头进行硬度测试.
表 2 MIG 焊试验参数 Table 2 MIG welding parameters
编号 A1
焊接电流I/A 280
焊接速度vw/(m·min−1) 0.4
在 MIG 焊试验中，所用设备为松下气保焊机 YD-500GR 与焊接机器人，焊接参数如表 2. 在复 合 焊 试 验 中 ， 所 用 LMHW 设 备 为 KR 30HA 型 KUKA 机 器 人 、 Fronius TPS-5000 焊 机 、 TruDisk-
表 1 焊丝化学成分 (质量分数，%) Table 1 Chemical composition of base metal and welding wire
材料 25CrMo4 33MnCrB5-2 MEGAFIL807M
C 0.22 ~ 0.29 0.3 ~ 0.36
0.05
Si
Mn
⩽0.4 0.6 ~ 0.9
⩽0.4 1.2 ~ 1.5
0.6
1.7
Cr 0.9 ~ 1.2 0.3 ~ 0.6
0.6
Mo 0.15 ~ 0.3
— 0.6
P
S
⩽0.025 ⩽0.025
复合焊第一道焊缝中，近母材 25CrMo4 侧的 焊缝为层片状的珠光体组织 (图 2b)，有少量的马氏 体组织. 图 2g 所示 MIG 焊中母材 25CrMo4 与焊 缝无明显的凝固过渡层，因为 25CrMo4 侧母材同 焊缝金属成分比较接近，熔化的母材和焊缝金属搅 拌均匀. 此外焊丝中含有 Ni 元素可以促进碳转变 为石墨，减少马氏体组织和碳化物的形成，缩小凝 固过渡层. MIG 焊在 25CrMo4/WM 界面处存在脱 碳层，靠近熔合区的母材组织颜色变亮，珠光体发 生分解形成白色的铁素体. 观察图 2h 可以发现 MIG 焊中 33MnCrB5/WM 界面附近发生碳的迁移.
为研究 LMHW 和 MIG 焊在异种钢焊接中接 头的力学性能特点，采用激光在前电弧在后的 LMHW 和 MIG 焊对 25CrMo4 钢和 33MnCrB5-2 钢组成的
构件进行焊接[9]. 将焊接后的试样进行金相组织分 析并对焊接接头的力学性能进行对比分析.
1 试验方法
采用 25CrMo4 和 33MnCrB5-2 异种钢试样，形 状为钢管外部套开孔钢板，钢管材料为 33MnCrB52，钢板材料为 25CrMo4. 焊接前对钢板开 30°坡口， 粗砂纸打磨表面以去除油渍铁锈，然后使用丙醇和 酒精溶液清理焊件，清理完后进行 270 ~ 370 ℃ 预 热处理. 试验所使用的填充材料是 MEGAFIL807M 药芯焊丝，直径为 1.2 mm，母材与焊丝化学成分如 表 1. 保护气使用纯度为 99.99% 的氩气.
焊接学报
TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION
Vol.40(2):133 − 137 February 2019
异种钢 LMHW 与 MIG 焊接头力学性能对比分析
周曙君1， 吴友发1， 杨 祎1， 刘 旭2， 占小红1
(1. 南京航空航天大学 材料科学与技术学院，南京 211106；2. 扬州东升汽车零部件股份有限公司，扬州 211400)
摘 要： 激光-MIG 复合焊（LMHW）由于结合了激光和电弧两个独立热源各自的优点，极大程度地避免了二者的
缺点，因此成为在汽车、船舶、石油化工等领域具有极大应用前景的新型焊接方法. 以 25CrMo4 和 33MnCrB5-2 异
头的整体硬度 30%.
关键词： 激光-MIG 复合焊；MIG 焊；激光重熔；力学性能；显微组织
中图分类号：TG 407
文献标识码：A
doi：10.12073/j.hjxb.2019400056
0 序 言
近年来，复合焊接的适应面及需求越来越广 泛，很多零件焊接都采用复合焊接手段，如激光MAG 协同作用，与传统熔化极惰性气体保护焊 (MIG) 相 比，金属材料的显微组织和力学性能不同[4]. 目前 对 LMHW 复合焊工艺的研究与开发应用，主要在 德国和日本等发达国家. 复合焊采用的激光为二氧 化碳气体激光和 YAG 固体激光. 电弧为 TIG 电 弧、MIG 电弧或等离子体[5]. 研究表明，与激光单独 作为热源相比，激光-电弧复合焊接的主要优点，可 增加焊接熔深，提高焊接速度与生产率以及提高接 头性能[6-8].
种钢试样为研究对象，对比研究了 LMHW 和 MIG 焊的焊接接头金相组织差别与硬度分布差异. 结果表明，
LMHW 焊缝成形均匀饱满，焊接成形效果好于 MIG 焊接. LMHW 接头焊缝中心的组织比 MIG 焊的组织更细，整
体硬度比 MIG 焊接头整体硬度高，接头的质量较 MIG 焊的接头质量好. LMHW 的接头整体硬度高出 MIG 焊接
B1
2 2 700
301 23.7 0.45
9.7
1 5 000
282 23
0.6
8.8
B2
2 3 000
301 23.7 0.45
9.7
1 6 000
282 23
0.6
8.8
B3
2 3 000
301 23.7 0.45
9.7
2 试验结果与分析
试 验 中 的 焊 接 接 头 包 括 两 种 母 材 25CrMo4 和 33MnCrB5-2 的热影响区、熔合区以及两道焊 缝. 复合焊焊缝的宏观形貌如图 1a 所示，MIG 焊焊 缝宏观形貌如图 1b 所示. 母材 33MnCrB5-2 为回 火索氏体，组织如图 1c 所示，母材 25CrMo4 组织 几乎全为回火马氏体，组织如图 1d 所示.
A2
260
0.54
A3
250
0.42
A4
250
0.45
表 3 LMHW 试验参数 Table 3 LMHW test parameters
激光功率 焊接电流 电压 焊接速度 送丝速度
编号 层数 P/W
I/A
U/V vw/(m·min−1) vf/(m·min−1)
1 4 000
282 23
0.6
8.8
⩽0.025 ⩽0.035
⩽0.015 ⩽0.015
B — 0.000 8 ~ 0.005 —
Ni Fe — 余量 — 余量 2.3 余量
收稿日期：2018 − 05 − 29 基金项目：江苏省科技项目 (BE2015124)
12003 碟片激光器及相关配套夹具，焊接参数如表 3 所示. 两种焊接方式焊后要将焊接接头全部埋入石
134
焊接学报
第 40 卷
英砂坑中保温和缓冷处理，时间大于 3 h. 然后在金 相显微镜下对两种焊接接头进行金相显微观察，并 对两种焊接接头进行硬度测试.
表 2 MIG 焊试验参数 Table 2 MIG welding parameters
编号 A1
焊接电流I/A 280
焊接速度vw/(m·min−1) 0.4
在 MIG 焊试验中，所用设备为松下气保焊机 YD-500GR 与焊接机器人，焊接参数如表 2. 在复 合 焊 试 验 中 ， 所 用 LMHW 设 备 为 KR 30HA 型 KUKA 机 器 人 、 Fronius TPS-5000 焊 机 、 TruDisk-
表 1 焊丝化学成分 (质量分数，%) Table 1 Chemical composition of base metal and welding wire
材料 25CrMo4 33MnCrB5-2 MEGAFIL807M
C 0.22 ~ 0.29 0.3 ~ 0.36
0.05
Si
Mn
⩽0.4 0.6 ~ 0.9
⩽0.4 1.2 ~ 1.5
0.6
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Cr 0.9 ~ 1.2 0.3 ~ 0.6
0.6
Mo 0.15 ~ 0.3
— 0.6
P
S
⩽0.025 ⩽0.025
复合焊第一道焊缝中，近母材 25CrMo4 侧的 焊缝为层片状的珠光体组织 (图 2b)，有少量的马氏 体组织. 图 2g 所示 MIG 焊中母材 25CrMo4 与焊 缝无明显的凝固过渡层，因为 25CrMo4 侧母材同 焊缝金属成分比较接近，熔化的母材和焊缝金属搅 拌均匀. 此外焊丝中含有 Ni 元素可以促进碳转变 为石墨，减少马氏体组织和碳化物的形成，缩小凝 固过渡层. MIG 焊在 25CrMo4/WM 界面处存在脱 碳层，靠近熔合区的母材组织颜色变亮，珠光体发 生分解形成白色的铁素体. 观察图 2h 可以发现 MIG 焊中 33MnCrB5/WM 界面附近发生碳的迁移.
为研究 LMHW 和 MIG 焊在异种钢焊接中接 头的力学性能特点，采用激光在前电弧在后的 LMHW 和 MIG 焊对 25CrMo4 钢和 33MnCrB5-2 钢组成的
构件进行焊接[9]. 将焊接后的试样进行金相组织分 析并对焊接接头的力学性能进行对比分析.
1 试验方法
采用 25CrMo4 和 33MnCrB5-2 异种钢试样，形 状为钢管外部套开孔钢板，钢管材料为 33MnCrB52，钢板材料为 25CrMo4. 焊接前对钢板开 30°坡口， 粗砂纸打磨表面以去除油渍铁锈，然后使用丙醇和 酒精溶液清理焊件，清理完后进行 270 ~ 370 ℃ 预 热处理. 试验所使用的填充材料是 MEGAFIL807M 药芯焊丝，直径为 1.2 mm，母材与焊丝化学成分如 表 1. 保护气使用纯度为 99.99% 的氩气.
