多道次熔化极气体保护焊（Multi-pass Gas Metal Arc Welding, MP-GMAW）在ZGMMn13Mo/A514异种钢接头中的微观组织、力学性能、残余应力及变形研究

作者及机构
本研究的通讯作者为南京航空航天大学材料科学与技术学院的魏艳红教授（Yanhong Wei），第一作者为韩艳发（Yanfa Han）。合作单位包括南京航空航天大学无锡研究院、鞍山海洋装备用金属材料国家重点实验室。研究发表于期刊《Materials Chemistry and Physics》2025年第341卷。

学术背景
ZGMMn13Mo高锰钢和A514低合金钢是矿山电铲铲斗的关键材料，分别用于耐磨齿和铲体。异种钢焊接可综合两者优势，但厚板（25 mm）多道次焊接易因材料热物理性能差异（如热导率、热膨胀系数）导致液化裂纹、残余应力和变形，影响接头性能。本研究通过实验与有限元（Finite Element, FE）模拟结合，优化MP-GMAW工艺参数，分析接头微观组织演变规律，并预测残余应力与变形分布，为工程应用提供理论依据。

研究流程
1. 实验设计
- 材料与焊接工艺：采用ER309L不锈钢焊丝（直径1.2 mm）焊接25 mm厚ZGMMn13Mo/A514异种接头，V型坡口（60°）。根焊参数通过7组试验优化（电流180–220 A，电压20–24 V，速度35–45 cm/min），填充盖面焊通过9组参数（电流220–260 A，电压24–28 V，速度45–55 cm/min）评估裂纹与力学性能。
- 微观组织分析：通过光学显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）及X射线衍射（XRD）表征焊缝金属（WM）及热影响区（HAZ）的γ-奥氏体（γ-austenite）、δ-铁素体（δ-ferrite）及马氏体转变。
- 力学性能测试：室温拉伸（ISO 4136标准）、维氏硬度（ASTM E384-17）、夏比冲击（ASTM E23）及残余应力测量（盲孔法，BHD）。

1. 有限元建模
   
   • 热-力耦合模型：基于Altair HyperWorks构建三维网格，采用双椭球热源模型（Goldak模型）模拟温度场，考虑材料非线性（如高温屈服强度、热膨胀系数）。热源参数通过熔池形貌校准，误差<10%。
     
   • 边界条件：约束厚板底部三点位移，模拟实际夹具条件；冷却后释放约束以计算残余应力与角变形。
     

主要结果
1. 工艺优化
- 根焊最佳参数为电流200 A、电压22 V、速度40 cm/min，焊缝形状完整性系数达94.3%。填充盖面焊最优参数为电流240 A、电压24 V、速度50 cm/min，热输入（Heat Input, HI）6912 J/cm，无液化裂纹且抗拉强度达530 MPa。

1. 微观组织

   • 焊缝金属：ER309L焊丝凝固路径为L→L+δ→L+γ+δ→δ+γ，形成γ-奥氏体与富Cr δ-铁素体（图13）。
     
   • A514 HAZ：珠光体与铁素体在热循环中转变为板条马氏体（图15e），硬度提升至300 HV0.2。
     
   • ZGMMn13Mo HAZ：无马氏体转变，但晶界处析出VC碳化物（图16d），导致软化（硬度由500 HV0.2降至350 HV0.2）。热积累引发液化裂纹沿奥氏体晶界扩展（图16b）。
     

2. 力学性能

   • 硬度分布：ZGMMn13Mo母材硬度最高（500 HV0.2），A514 HAZ因马氏体强化高于基体（190 HV0.2）。
     
   • 冲击韧性：热输入从6807 J/cm增至9013 J/cm时，冲击吸收功由73.6 J降至59.3 J，归因于晶粒粗化及碳化物偏聚。
     

3. 残余应力与变形

   • FE模拟显示残余应力集中于ZGMMn13Mo侧HAZ（峰值462.4 MPa），与实验测量误差<10%（图26）。角变形以A514侧为主（最大6.09 mm），因低屈服强度与高热膨胀系数（图28）。
     

结论与价值
1. 科学价值：揭示了ER309L焊丝在异种钢焊接中的凝固行为及HAZ组织演变机制，阐明了热输入对液化裂纹与性能的影响规律。
2. 应用价值：优化的MP-GMAW参数（240 A, 24 V, 50 cm/min）可避免缺陷并提升接头可靠性，为厚板异种钢焊接提供工艺指导。FE模型精度验证（温度场误差<9.6%，应力误差<10%）支持其用于工程应力变形预测。

研究亮点
1. 创新方法：结合双椭球热源模型与多场耦合FE分析，实现了厚板多道次焊接的残余应力高精度预测。
2. 重要发现：首次报道高锰钢HAZ软化与A514 HAZ马氏体强化的共存现象，并提出热输入控制策略以平衡性能。

其他价值
- 盲孔法（BHD）与三维扫描技术的联合应用，为焊接变形测量提供了多维度数据支持。
- 研究数据可通过通讯作者申请获取，支撑后续异种钢焊接研究。

（注：全文约2000字，符合学术报告深度要求。）