帶電頂鍛時間對高強鋼閃光對焊接頭組織及性能影響研究

郗晨瑤， 宣兆志， 孫大千＊， 王杰功， 宋國山， 郭 冉

（1.吉林大學 汽車材料教育部重點實驗室，吉林 長春 130025；2.興民鋼圈股份有限公司，山東 龍口 265700）

0 引 言

隨著能源危機和環(huán)境污染問題的日益加劇，汽車輕量化已成為汽車工業(yè)重要的發(fā)展戰(zhàn)略［1］。汽車車輪作為高速旋轉的非承載部件，其輕量化效果比其它零部件更為顯著。目前，商用車主要使用鋼制車輪［2－3］，提高車輪用鋼的強度是車輪輕量化最直接、有效的方法。車輪輪輞的焊接主要采用閃光對焊方法。高強鋼輪輞焊接存在的主要問題是：焊后在滾形、擴孔等成型過程中焊縫易產(chǎn)生裂紋甚至開裂，嚴重影響產(chǎn)品質量、生產(chǎn)效率及制造成本。根據(jù)文獻［4］的研究結果，閃光對焊參數(shù)是影響接頭力學性能的重要因素。帶電頂鍛時間（St）是閃光對焊主要的焊接參數(shù)之一。但迄今為止，關于St影響的研究還相對較少。文中主要研究帶電頂鍛時間對RS590CL高強鋼閃光接頭微觀組織及力學性能的影響規(guī)律，旨在為優(yōu)化焊接參數(shù)、改善輪輞焊接質量提供必要的理論依據(jù)和試驗數(shù)據(jù)。

1 試驗材料、方法及設備

1.1 試驗材料

試驗采用4.5mm厚的RS590CL高強鋼板作為母材，試板尺寸為280mm×100mm×4.5mm。RS590CL鋼的主要化學成分見表1。

表1 RS590CL鋼的主要化學成分

組織主要為鐵素體（F）＋少量貝氏體（B），其抗拉強度和延伸率分別為590MPa和29%。

1.2 試驗方法及設備

焊接前利用鋼絲刷對試板表面進行清理，而后鉆孔固定熱電偶，采用UNB－800型閃光對焊機進行焊接試驗。在閃光留量δf＝12mm、頂鍛留量δu＝5.5mm、頂鍛壓力Fu＝5MPa條件下，通過改變帶電頂鍛時間（St＝0.3、0.4、0.5、0.6、0.7s）研究其對焊接熱循環(huán)、接頭微觀組織及力學性能的影響規(guī)律。焊后采用線切割機垂直焊縫方向切取接頭金相試樣和彎曲試樣，彎曲試樣尺寸為90mm×15mm×4.5mm。

試驗采用熱點偶和RX4008BJL型溫度記錄儀測試接頭的熱循環(huán)曲線。使用OLYMPUS SZ61型體式顯微鏡、OLS3000型激光共聚焦顯微鏡及JEM－2100F型透射電子顯微鏡研究接頭的宏觀結構和微觀組織。使用MH－3型顯微硬度計測試接頭的硬度分布，加載力200g，加載時間10s。使用WAW－600C型萬能試驗機進行接頭正彎曲試驗，壓輥直徑8mm，夾鉗距離25mm；彎曲角180°，以4個彎曲試樣的表面裂紋長度的平均值評定接頭的彎曲性能。

2 試驗結果與分析

2.1 閃光對焊接頭的組織結構特點

RS590CL高強鋼閃光對焊接頭的宏觀結構和微觀組織如圖1所示。

研究結果表明，接頭主要由界面區(qū)、過熱區(qū)、重結晶區(qū)和不完全重結晶區(qū)構成（圖1（a））。界面區(qū)的焊接熱循環(huán)峰值溫度接近固相線；過熱區(qū)、重結晶區(qū)和不完全重結晶區(qū)的峰值溫度分別為1 300℃～固相線、Ac3～1 300℃、Ac1～Ac3。由圖1（b）可見，在合適的焊接參數(shù)條件下，界面區(qū)無疏松、縮孔、裂紋等缺陷及明顯界面結合特征；界面區(qū)和過熱區(qū)主要為上貝氏體（B）＋少量的鐵素體（F），且晶粒明顯粗化；距界面區(qū)越近，過熱區(qū)的晶粒粗化越加明顯。重結晶區(qū)由于經(jīng)歷二次重結晶相變其晶粒明顯細化（圖1（c））。在不完全重結晶區(qū)可看到未經(jīng)重結晶相變的鐵素體相（圖1（d））。基于閃光對焊接頭各區(qū)經(jīng)歷的焊接熱循環(huán)及微觀組織特點，界面區(qū)是接頭力學性能最薄弱的區(qū)域。

圖1 RS590CL高強鋼閃光對焊接頭的微觀組織

采用透射電鏡（TEM）研究發(fā)現(xiàn)，在界面區(qū)和過熱區(qū)均存在高密度的位錯，并可看到纏結位錯的亞結構特征，如圖2所示。

圖2 閃光對焊接頭界面區(qū)、過熱區(qū)的TEM像

閃光對焊過程主要包括閃光和頂鍛兩個階段。在閃光階段，工件端部溫度逐漸升高形成液態(tài)金屬層，在一定深度上金屬塑性增加，且奧氏體晶粒粗化；閃光加熱后頂鍛的主要作用是封閉工件端面液態(tài)金屬過梁爆破后留下的火口，擠出端面的液態(tài)金屬及氧化夾雜物，使?jié)崈舻乃苄越饘倬o密接觸，并使焊接區(qū)（特別是界面區(qū)）產(chǎn)生一定的塑性變形，位錯密度明顯增大，導致發(fā)生動態(tài)再結晶。動態(tài)再結晶主要在具有高密度位錯的亞晶界處形核，并通過吞并相鄰的亞晶長大［5］，在界面處形成共同的奧氏體晶粒。動態(tài)再結晶完成后繼續(xù)加熱將發(fā)生再結晶和晶粒長大。在焊接快冷條件下，長大的奧氏體晶粒轉變?yōu)榇只腂組織。因此，閃光對焊主要是通過動態(tài)再結晶在界面處形成共同的晶粒實現(xiàn)可靠的連接。促進動態(tài)再結晶、控制晶粒長大有利于改善接頭的組織及力學性能。

2.2 帶電頂鍛時間對接頭組織的影響

在閃光對焊的頂鍛階段，為了防止接口氧化，在端面接口閉合前，并不馬上切斷電流［6］，頂鍛階段的通電時間稱之為帶電頂鍛時間（St）。St＝0、0.4s條件下測得的焊接熱循環(huán)曲線如圖3所示。

圖3 帶電頂鍛時間0、0.4s條件下的熱循環(huán)曲線

結果表明，帶電頂鍛時間（St）主要影響相變點以上（≥900℃）的高溫停留時間（tH）和冷卻速度（vC）。St由0s增至0.4s，tH由4.0s增至5.2s；vC由115.2℃／s降至88.5℃／s。

不同帶電頂鍛時間條件下接頭界面區(qū)和過熱區(qū)的微觀組織如圖4所示。

由圖可見，界面區(qū)和過熱區(qū)主要為貝氏體（B）＋鐵素體（F）；隨著St增加，界面區(qū)和過熱區(qū)的晶粒粗化，界面區(qū)的鐵素體量明顯增加。

圖4 不同St條件下界面區(qū)和過熱區(qū)的微觀組織

根據(jù)熱循環(huán)的研究結果，隨著St增加，tH及焊接熱輸入量增加，這有利于動態(tài)再結晶的進行，但也促進動態(tài)再結晶后奧氏體晶粒的長大，導致界面區(qū)和過熱區(qū)的晶粒粗化。界面區(qū)的鐵素體量明顯增加主要與接頭冷卻速度降低、奧氏體晶粒粗化及界面形成貧碳層［7］等因素有關。

2.3 帶電頂鍛時間對接頭力學性能影響

不同帶電頂鍛時間條件下RS590CL高強鋼閃光對焊接頭的硬度分布，如圖5所示。

圖5 不同帶電頂鍛時間下接頭的硬度分布

試驗結果表明，接頭的硬度分布是不均勻的，與重結晶區(qū)、不完全重結晶區(qū)相比，界面區(qū)和過熱區(qū)的硬度明顯升高，這主要歸因于該區(qū)存在大量的B組織。此外，界面區(qū)和過熱區(qū)存在高密度的位錯對硬度的升高也是有貢獻的。帶電頂鍛時間（St）由0.3s增至0.7s，接頭硬度有降低的趨勢。這主要與界面區(qū)、過熱區(qū)的晶粒粗化和界面區(qū)的鐵素體量增加有關。

研究發(fā)現(xiàn)，閃光對焊接頭彎曲180°，裂紋萌生于彎曲外表面，并主要沿界面區(qū)擴展如圖6所示。

圖6 閃光對焊接頭的彎曲裂紋形貌

這表明界面區(qū)是接頭彎曲性能最薄弱的區(qū)域。帶電頂鍛時間（St）對接頭彎曲裂紋長度影響的試驗結果如圖7所示。

圖7 帶電頂鍛時間對彎曲裂紋長度的影響

St＝0.3s時，接頭彎曲180°無裂紋；隨著St增加，裂紋長度增加，當St增至0.5s時，裂紋長度達到最大值0.92mm；進一步增加St至0.7s時，裂紋長度明顯減小。St對接頭彎曲性能的影響主要與焊接熱循環(huán)及接頭微觀組織的變化有關。St＝0.3s時，熱循環(huán)高溫停留時間（tH）相對較短，不僅有利于促進再結晶在界面處形成共同的晶粒，而且一定程度上抑制了晶粒的長大，因此明顯改善接頭的彎曲性能；隨著St增加，tH增加，界面區(qū)和過熱區(qū)晶粒粗化，導致接頭彎曲性能降低；St＝0.7s時，接頭彎曲性能提高主要歸因于界面區(qū)鐵素體量增加改善接頭的變形能力。因此，優(yōu)化閃光對焊參數(shù)（St）是改善接頭彎曲性能的有效途徑。在本試驗條件下，選擇St＝0.3s、0.7s更有利于改善接頭的彎曲性能。

3 結 語

1）RS590CL高強鋼閃光對焊接頭主要由界面區(qū)、過熱區(qū)、重結晶區(qū)和不完全重結晶區(qū)構成。界面區(qū)和過熱區(qū)主要為貝氏體＋少量鐵素體，其突出特點是晶粒明顯粗化，并含有高密度的位錯。閃光對焊主要是通過動態(tài)再結晶在界面處形成共同的晶粒實現(xiàn)可靠的連接。促進動態(tài)再結晶、控制晶粒長大有利于改善接頭的組織及性能。

2）帶電頂鍛時間對焊接熱循環(huán)及接頭組織具有明顯的影響。隨著帶電頂鍛時間增加，界面區(qū)和過熱區(qū)的晶粒粗化，界面區(qū)鐵素體量增加，這主要歸因于熱循環(huán)高溫停留時間增加和冷卻速度降低。

3）帶電頂鍛時間對閃光對焊接頭的硬度和彎曲性能具有明顯的影響。隨著帶電頂鍛時間增加，接頭硬度有降低的趨勢，選擇合適的帶電頂鍛時間（0.3、0.7s）有利于明顯改善接頭的彎曲性能。

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