DP500高強(qiáng)鋼脈沖激光焊接接頭的組織和性能

洪永昌，計(jì)遙遙，張 武

(1.安徽工業(yè)大學(xué) 工商學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002;2.馬鞍山鋼鐵股份有限公司 汽車(chē)板推進(jìn)處，安徽 馬鞍山 243000)

0 前言

隨著汽車(chē)制造工業(yè)的迅猛發(fā)展，減重、節(jié)能和安全是現(xiàn)代汽車(chē)發(fā)展的趨勢(shì)。據(jù)有關(guān)資料介紹，汽車(chē)質(zhì)量每減少50 kg，每升燃油行駛的距離可增加2 km;而汽車(chē)質(zhì)量每減輕1%，燃油消耗下降約0.6%～1.0%［1］。為了滿足汽車(chē)輕量化的要求，一方面需要鋼鐵企業(yè)不斷開(kāi)發(fā)出強(qiáng)韌性優(yōu)良的材料來(lái)滿足汽車(chē)制造業(yè)生產(chǎn)出更輕量的結(jié)構(gòu);另一方面更需要采用焊接新技術(shù)新工藝的生產(chǎn)方法來(lái)制造汽車(chē)的某些重要零部件。激光焊接不但具有功率密度高、加熱速度快、焊接熱影響區(qū)窄及焊接變形小的特點(diǎn)，而且生產(chǎn)效率高;其次焊后工件的表面平整完好，基本不需要進(jìn)行二次清理，節(jié)約了工序和相應(yīng)的生產(chǎn)成本。另外，激光光束易操控，不但可以實(shí)現(xiàn)焊接區(qū)精確的定位，而且也易于進(jìn)行高自動(dòng)化程度的焊接作業(yè)，使得激光焊接作為一種新的連接方法得到快速發(fā)展和應(yīng)用［2－3］。目前，激光焊接技術(shù)在汽車(chē)制造工業(yè)特別是中高檔汽車(chē)制造工業(yè)的生產(chǎn)中已得到較普遍的應(yīng)用和推廣［4］。

本研究通過(guò)采用輸出功率為500 W的Nd:YAG固體脈沖激光器，對(duì)厚度為0.65 mm的DP5000高強(qiáng)度雙相鋼進(jìn)行脈沖激光焊接試驗(yàn)，研究只改變脈沖頻率條件下的不同脈沖激光功率的焊接接頭組織和力學(xué)性能以及杯突成型性能之間關(guān)系，從而為實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為馬鋼研發(fā)和生產(chǎn)的厚度為0.65 mm汽車(chē)制造用的DP500高強(qiáng)度雙相鋼，其化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表1、表2所示。

表1 DP500鋼的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of DP500 steel %

表2 DP500鋼的力學(xué)性能Tab.2 mechanical properties of DP500 steel

1.2 試驗(yàn)方法

首先用砂紙將尺寸為200 mm×150 mm×1.0 mm試板的待焊表面和斷面打磨平整光滑，再用丙酮將待焊面擦拭干凈后進(jìn)行對(duì)接拼焊。焊接設(shè)備采用德國(guó)Rofin公司生產(chǎn)的SW－500型Nd∶YAG固體脈沖激光器，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要求焊接試驗(yàn)工作臺(tái)呈水平，同時(shí)保證離焦量Δf=0和選擇吹氣角度30°的位置不變。整個(gè)焊接過(guò)程中采用純氬氣保護(hù)，氣體流速20 L/min.。在其他脈沖激光工藝參數(shù)不變的條件下，通過(guò)改變脈沖頻率進(jìn)而考察脈沖激光功率的熱輸入變化對(duì)焊接接頭組織和性能的影響。在多次焊接試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選定的脈沖激光焊接工藝參數(shù)如表3所示。

表3 脈沖激光焊接工藝參數(shù)Tab.3 The technical parameters of the pulsed laser

將對(duì)接拼焊后試板的焊接接頭，經(jīng)剪切后制成的金相試樣用4%硝酸酒精腐蝕后，在Olympus BX5金相顯微鏡下觀察顯微組織并照相;利用HV－1000型顯微硬度計(jì)對(duì)焊接接頭進(jìn)行顯微硬度分布的測(cè)定;按照GB/T228－2002金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，將對(duì)接拼焊后試板制成橫向和縱向拉伸試樣，在Zwick/Roell Z100型拉力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，并利用JEOL JSM－6490LV型掃描電子顯微鏡觀察其斷口形貌;依據(jù)GB/T4156－2007金屬材料薄板和薄帶埃里克森杯突試驗(yàn)方法，在Zwick/Roell Bup600型杯突試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行焊接接頭的杯突試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 焊接接頭的組織

三種不同脈沖激光功率下的焊接接頭的橫截面形貌與焊縫組織如圖1所示。比較圖1左圖的三種不同脈沖激光功率下焊接接頭橫截面形貌可知，隨著脈沖激光功率的不斷提高，形成的焊接接頭基本上沒(méi)有宏觀缺陷產(chǎn)生，但是其熱影響區(qū)的寬度增加較為明顯。另經(jīng)顯微組織分析可知，當(dāng)脈沖激光功率為80 W時(shí)，其焊縫中形成的組織主要是大量板條馬氏體+少量上貝氏體組織，如圖1a右圖所示;當(dāng)脈沖激光功率增大到120 W時(shí)，焊縫組織中上貝氏體組織的數(shù)量有所增加，如圖1b右圖所示;隨著脈沖激光功率進(jìn)一步增大至160 W時(shí)，焊縫組織中除了形成大量上貝氏體外，開(kāi)始出現(xiàn)少量側(cè)板條鐵素體，而板條馬氏體的數(shù)量有所減少，如圖1c右圖所示。分析認(rèn)為，由于在較低脈沖頻率的較小脈沖激光功率條件下，形成的焊縫熔池金屬在冷卻凝固過(guò)程中，由于高溫作用時(shí)間較短，使得固溶的C原子來(lái)不及充分?jǐn)U散而大量溶入到奧氏體中，同時(shí)母材中含有一定數(shù)量的合金元素Cr，在高溫下也大部分溶入到奧氏體中，使得其淬透性大大提高，經(jīng)快速冷卻后得到大量馬氏體，此時(shí)焊縫組織主要為高韌性的低碳板條馬氏體。隨著脈沖頻率的提高使得脈沖激光功率的增大，由于形成的焊縫熔池金屬在高溫停留時(shí)間相對(duì)延長(zhǎng)，冷卻速度相對(duì)降低，C和合金元素可以進(jìn)行短距離的充分?jǐn)U散，因此在界面會(huì)形成很高的碳濃度峰值進(jìn)而形成一種貝氏體型組織;同時(shí)隨著脈沖激光功率的進(jìn)一步增大，在高溫停留時(shí)間進(jìn)一步的增加，使得高溫鐵素體的形成時(shí)間縮短，因此，又有利于在晶界處側(cè)板條鐵素體組織的形成，導(dǎo)致隨后冷卻形成馬氏體組織的數(shù)量有所減少，顯然焊接接頭熱影響區(qū)的寬度和焊縫組織的不同主要與脈沖頻率改變的不同激光功率條件所引起的熱輸入變化有關(guān)。

圖1 不同脈沖激光功率下的焊接接頭橫截面形貌和焊縫顯微組織Fig.1 Cross－ section morphology and weld microstructure of pluse laser welding joints under different laser power

2.2 焊接接頭的硬度分布

三種不同脈沖激光功率條件下焊接接頭的顯微硬度分布比較如圖2所示。在不同脈沖激光功率下，整個(gè)焊接接頭的硬度分布曲線均呈“馬鞍狀”分布規(guī)律，其中焊縫的硬度顯著高于母材，并在熔合區(qū)附近出現(xiàn)焊接接頭的硬度最高值。其主要原因是因?yàn)樵谶M(jìn)行脈沖激光焊接的過(guò)程中，由于受到高能量密度激光的熱輸入高溫加熱作用，使得焊縫金屬中的合金元素產(chǎn)生少量的燒損和汽化蒸發(fā)，導(dǎo)致固溶強(qiáng)化作用有所減弱，因此焊縫區(qū)的硬度較熔合區(qū)有所降低，脈沖激光功率越高熱輸入越大，降低的幅度也就越大。

圖2 不同脈沖激光功率下的焊接接頭橫截面形貌和焊縫顯微組織Fig.2 Cross－section morphology and weld microstructure of pluse laser welding joints under different laser power

進(jìn)一步比較可知，在脈沖激光功率大于120 W時(shí)，焊縫區(qū)的硬度有所下降，在熱影響區(qū)近母材處出現(xiàn)硬度也下降，即產(chǎn)生所謂軟化區(qū)。分析認(rèn)為這是由于在較大脈沖激光功率的焊接熱輸入條件下，熱影響區(qū)雙相組織中的馬氏體受到焊接熱循環(huán)的熱作用下發(fā)生回火，鐵素體發(fā)生再結(jié)晶長(zhǎng)大，由此導(dǎo)致出現(xiàn)熱影響區(qū)軟化現(xiàn)象［5］。

2.3 焊接接頭的拉伸性能

經(jīng)觀察三種不同脈沖激光功率下的焊接接頭橫向試樣拉伸結(jié)果顯示均斷裂于母材，且斷口與拉伸方向成45°，同時(shí)焊縫兩側(cè)的母材均發(fā)生了不同程度的頸縮現(xiàn)象，而在焊接接頭處基本上沒(méi)有產(chǎn)生頸縮現(xiàn)象。經(jīng)掃描電鏡觀察其斷口形貌為大量大而深的拋物線形韌窩，是一種明顯的韌性斷裂，如圖3a所示;而焊接接頭縱向試樣拉伸試驗(yàn)結(jié)果在斷口處均呈現(xiàn)出閃電狀斷裂特征，無(wú)明顯縮頸。掃描電鏡觀察結(jié)果顯示其斷口形貌同樣為韌性斷裂，而相比于圖3a的斷口形貌其韌窩顯的較淺而小，但多為等軸狀韌窩，如圖3b所示。

圖3 拉伸試樣宏觀斷裂形貌和斷口SEM形貌(2號(hào)試樣)Fig.3 Macroscopic fracture morphology and SEM microstructure of Welding joint under tensile sample(2#)

三種不同脈沖激光功率下焊接接頭的橫向和縱向拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。經(jīng)分析比較可知，與母材相比，拼焊板的延伸率有一定程度下降，其次加工硬化指數(shù)也略有降低，橫向拉伸的延伸率約為母材延伸率的87.9% ～88.9%;而縱向拉伸的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度與母材相比有較大幅度提高。由于高強(qiáng)度焊接接頭的存在，在縱向拉伸過(guò)程中限制了材料的延展性，得到延伸率約為母材延伸率的81.3% ～88.9%。進(jìn)一步比較還可以發(fā)現(xiàn)，脈沖激光功率大的3號(hào)試樣其縱向拉伸的延伸率和加工硬化指數(shù)都相對(duì)較低，這是由于在較大脈沖激光功率的焊接熱輸入條件下形成的焊縫與熱影響區(qū)都較寬，并且焊縫中存在大量的上貝氏體和沿晶界分布的鐵素體不利組織，不但強(qiáng)度低而且限制了材料的延展性。

表4 不同脈沖激光功率下焊接接頭的橫向和縱向拉伸試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 The cupping test results of pluse laser welding joints under different laser power

由拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，三種不同脈沖激光功率下焊接接頭的橫向、縱向拉伸試驗(yàn)曲線與雙相鋼母材一樣仍表現(xiàn)出連續(xù)屈服的特征，說(shuō)明脈沖激光焊接接頭的存在并沒(méi)有在本質(zhì)上改變靜態(tài)拉伸時(shí)的無(wú)明顯屈服的特征，這與加工硬化指數(shù)并沒(méi)有較大幅度下降有關(guān)［6］。結(jié)合表4試驗(yàn)結(jié)果分析還可知，延伸率較大的焊接接頭試樣其加工硬化指數(shù)數(shù)值也較大，說(shuō)明在較小脈沖激光功率條件下獲得的焊接接頭有高的延伸率和加工硬化指數(shù)，在沖壓變形過(guò)程中，可使得變形區(qū)各部分的變形程度趨于均勻，致使總體變形程度增大，這對(duì)于沖壓成型非常有利;而在較大脈沖激光功率條件下，由于得到較寬的熱影響區(qū)并且焊縫中不利組織的產(chǎn)生影響了延伸率與加工硬化指數(shù)，進(jìn)而對(duì)焊接接頭的塑性和變形程度的均勻性產(chǎn)生一定影響。

2.4 焊接接頭的杯突成型性能

母材和不同脈沖激光功率條件下的杯突試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。經(jīng)觀察母材經(jīng)杯突試驗(yàn)后其裂紋的形成和擴(kuò)展是沿著平行于軋制方向而發(fā)生撕裂，形成的裂紋形貌如圖4a所示，測(cè)定的杯突值為7.75 mm。而不同脈沖激光功率條件下經(jīng)杯突試驗(yàn)后其形成的裂紋位置呈現(xiàn)出兩種特征，分別如圖4b、圖4c所示。圖4b形成的裂紋垂直于焊縫并向母材擴(kuò)展;圖4c形成的裂紋平行于焊縫并沿著焊縫擴(kuò)展。經(jīng)仔細(xì)觀察未發(fā)現(xiàn)有在熱影響軟化區(qū)開(kāi)裂的情況，這主要與軟化程度較小對(duì)變形過(guò)程的影響不大有關(guān)。

三種不同激光功率條件下的杯突值與裂紋形成的位置如表5所示。比較表5杯突試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，以形成的裂紋垂直于焊縫的試樣其杯突值相對(duì)較大。分析認(rèn)為，對(duì)于焊接接頭在杯突試驗(yàn)外力作用下的變形過(guò)程中，由于焊縫兩側(cè)的母材金屬平均分配變形過(guò)程中的應(yīng)變，使得焊縫在變形過(guò)程中保持中心線位置而不發(fā)生移動(dòng);另外根據(jù)焊縫組織分析，在較小脈沖激光功率條件下主要形成的板條馬氏體數(shù)量較多，使得焊縫得到明顯強(qiáng)韌化，此時(shí)焊接接頭的杯突性能主要受高強(qiáng)度焊縫的限制，最終當(dāng)應(yīng)變超出焊縫的變形極限而未達(dá)到母材成形極限情況下產(chǎn)生裂紋并垂直于焊縫向母材擴(kuò)展，形成如圖4b所示情況;對(duì)于在較大脈沖激光功率條件下，不但使焊縫組織的晶粒較粗大，而且形成大量上貝氏體和沿晶界分布的鐵素體，大大降低了焊縫的成型極限。在外力作用下，裂紋易在上貝氏體和鐵素體層片中產(chǎn)生并沿其間擴(kuò)展，使得焊縫在變形過(guò)程中，在遠(yuǎn)低于其成型極限的情況下提前出現(xiàn)裂紋。此時(shí)焊縫的強(qiáng)化并不是影響焊接接頭成形性下降的最主要因素，而主要是低塑韌性的不利組織造成了焊接接頭成形能力的下降，導(dǎo)致杯突值較低，形成如圖4c所示裂紋沿平行于焊縫擴(kuò)展的情況。一般來(lái)說(shuō)，焊接接頭的杯突試驗(yàn)值達(dá)到母材的75%，且產(chǎn)生裂紋是垂直于焊縫方向即為合格［7］。由表5的試驗(yàn)結(jié)果可知，除了脈沖激光功率為160 W的3號(hào)試樣外，其杯突值都在85%～88%。

表5 不同脈沖激光功率下焊接接頭的杯突試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Cupping test results of pluse laser welding joints under different laser power

圖4 不同工作模式下的原邊電流波形Fig.4 The fracture morphology after cupping test of pluse laser welding joints under different laser power

3 結(jié)論

(1)在較低的脈沖激光功率條件下形成的焊接接頭熱影響區(qū)較窄，焊縫區(qū)組織主要為板條馬氏體和少量上貝氏體組織;而在較高的脈沖激光功率條件下形成的焊接接頭，熱影響區(qū)較寬并且焊縫中出現(xiàn)較多的上貝氏體和少量側(cè)板條鐵素體組織。

(2)不同脈沖激光功率下形成的焊接接頭顯微硬度分布呈“馬鞍狀”;隨著脈沖激光功率增大，熱影響區(qū)開(kāi)始出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。

(3)不同脈沖激光功率條件下形成的焊接接頭，經(jīng)橫向和縱向拉伸試驗(yàn)后的加工硬化指數(shù)和延伸率較母材都有所降低，但縱向拉伸強(qiáng)度較母材有較大幅度提高;橫向拉伸斷裂部位均在母材，斷口與拉伸方向成45°，縱向拉伸斷裂部位斷口均呈閃電狀。

(4)不同脈沖激光功率下形成的焊接接頭，經(jīng)杯突成型性試驗(yàn)共出現(xiàn)兩種類(lèi)型的斷裂形式，當(dāng)產(chǎn)生的裂紋呈垂直于焊縫的形式其成型性較好，并且杯突值略低于母材;在脈沖激光功率為160 W時(shí)，裂紋平行于焊縫產(chǎn)生，此時(shí)杯突值大大降低。

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