DP540雙相鋼閃光對焊接頭的組織與硬度研究

潘 華 丁 凱 霍世宗 趙炳戈 吳 岳 高玉來

(1.寶山鋼鐵股份有限公司研究院汽車用鋼研究所,上海 201900; 2.汽車用鋼開發與應用技術國家重點實驗室,上海 201900; 3.省部共建高品質特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室,上海 200444; 4.上海市鋼鐵冶金新技術開發應用重點實驗室,上海 200444;5.上海大學材料科學與工程學院,上海 200444)

近幾十年來，經濟的不斷發展造成了能源和環境的矛盾日益突出。為了貫徹政府的節能減排政策，追求輕量化、節能、環保及安全性等指標已成為現今汽車制造業發展的主要方向。相關研究表明，汽車自重下降10%可降低油耗6%～8%[1]，通過降低汽車自重達到減排的目的是最有效的途徑之一。目前，降低汽車自重的途徑主要有兩種，一種是采用鋁合金、復合材料等輕質材料[2]，但由于其造價昂貴、成形性差等原因，難以在中低端車型中廣泛應用；另一種是采用先進高強鋼[3- 5](advanced high strength steel, AHSS)，主要包括相變誘導塑性鋼、馬氏體鋼、熱成型鋼、孿晶誘導塑性鋼和雙相鋼等。

雙相鋼具有加工成本低、屈強比低、延性好等特點，已成為汽車制造業廣泛采用的鋼種之一，本文汽車車輪的重要部件輪輞的材料即為雙相鋼。重型卡車的輪輞大多采用閃光對焊技術，閃光對焊技術具有效率高、成本低等優點，廣泛應用于多個領域[6- 7]。輪輞焊接后，接頭的組織不均勻性大大提高，且焊接參數的調整直接影響整個焊接接頭的性能[8]。有學者[9- 10]研究了540/590 MPa級車輪鋼閃光對焊后接頭的組織，發現焊接件的熱影響區由于熱輸入不同，組織形態會有較大的差異。Xi等[11]在研究閃光對焊的焊接接頭的組織與力學性能的關系時，同樣發現接頭中存在多個特征區域，并且提出，由于焊接熱的影響而產生的再結晶會嚴重影響整個接頭的拉伸性能。因此，對閃光對焊的雙相鋼焊接接頭組織與性能的關聯性研究尤為重要。

本文對DP540雙相鋼進行了閃光對焊，采用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡、顯微硬度計等研究了對焊接頭的組織與顯微硬度之間的關系，分析了化學成分不同的兩種焊接接頭的組織形態與顯微硬度之間的關聯性，為DP540雙相鋼在輪輞上的安全應用提供參考。

1 試驗材料與方法

試驗材料為先進高強度DP540雙相鋼，具體成分如表1所示。由表1可以看出，1號和2號試樣成分中主要是硅和錳含量有差異。在雙相鋼中，硅可以提高鐵素體的連續性，抑制鏈狀馬氏體的形成，從而使馬氏體區域難以產生裂紋，提高其韌性。祝志峰等[12]研究了硅對雙相鋼組織和性能的影響，發現提高硅含量后雙相鋼中鐵素體的硬度也提高，拉伸性能也有所提高。李勝利等[13]發現，提高錳含量可以降低雙相鋼的再結晶溫度。鈮和鈦等微合金化元素的添加具有細晶強化和固溶強化的作用[14]。

對兩種成分的DP540雙相鋼采用相同的工藝焊接，圖1為從焊接件上截取的用于檢驗顯微組織和顯微硬度的試樣的外觀。將試樣磨、拋后用4%硝酸酒精溶液腐蝕，用蔡司Imager A2m光學金相顯微鏡和JSM- 6700F掃描電鏡檢驗顯微組織，用MH- 5L顯微硬度計測定硬度，試驗力為200 g。

表1 DP540雙相鋼的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of the DP540 dual- phase steel (mass fraction) %

圖1 1號和2號焊接試樣的外觀Fig.1 Appearance of the two types of specimens

2 結果與討論

2.1 顯微組織

1號和2號焊接試樣的焊縫中心及熱影響區的顯微組織如圖2和圖3所示。從兩塊焊接試樣的宏觀形貌可以看出，試樣有5個焊接特征區，分別為焊縫中心區、粗晶區、細晶區、過回火區和母材。Xi等[15]研究了閃光對焊焊接工藝參數對RS590CL鋼焊接接頭組織和性能的影響，發現焊接接頭同樣有幾個特征區域，且各個特征區域的寬度隨著焊接工藝參數的改變而變化。焊縫中心區組織主要是粗大的鐵素體和板條馬氏體， 粗晶區的鐵素體較粗大，細晶區由于經歷了再結晶，晶粒較細小，過回火區受焊接熱的影響較小，部分發生再結晶，部分晶粒仍然保持母材區域的軋制狀態。兩種試樣特征區域的組織分別如圖2(b～e)(對應圖2(a)的B～E區域)和圖3(b～e)(對應圖3(a)的B～E區域)所示。通過對比兩種試樣的顯微組織可以發現，1號試樣的焊縫中心區板條馬氏體量較多，2號試樣焊縫中心區雖然板條馬氏體量較少，但鐵素體內有細小的二次相，焊接過程中，由于焊接熱的影響，焊接區域奧氏體化，并在快速冷卻過程中，碳等合金元素從基體中析出，形成二次相碳化物。同樣，2號試樣鐵素體內也有細小的二次相。細小二次相的存在可提高粗大鐵素體在拉伸試驗過程中的抗變形能力[16]。熱影響區的組織表明，2號試樣的晶粒及島狀馬氏體的尺寸均小于1號試樣，細小的晶粒及二次相可同時提高基體的韌性和強度。1號和2號試樣焊縫母材區域的組織如圖4所示。從圖4可以看出，1號試樣的鐵素體和馬氏體尺寸均明顯大于2號試樣。白山等[17]研究了硅對雙相鋼回復和再結晶的影響，發現，硅可以顯著延緩雙相鋼的回復及再結晶過程，使再結晶后的鐵素體平均晶粒尺寸減小，除了合金元素的作用，熱處理工藝的差異也會產生晶粒尺寸的差異[18]。Nouri等[19]研究了硅在雙相鋼中的作用，發現提高硅含量可減少雙相鋼中的馬氏體量，因此，1號和2號試樣在化學成分上的差異可能是導致其組織存在差異的原因。

圖2 1號試樣焊接接頭的顯微組織Fig.2 Microstructures of the welded joint for the specimen No.1

此外，還采用掃描電鏡研究了兩種試樣焊縫特征區域的組織特征，發現，兩種試樣的組織差異主要發生在焊縫中心區、粗晶區及母材區。由于焊縫中心區的組織特征與粗晶區相似，因此對試樣的顯微組織觀察主要集中在粗晶區和母材區。圖5和圖6分別為1號和2號試樣粗晶區和母材區的顯微組織。圖5表明，兩種試樣的粗晶區均為粗大的鐵素體和馬氏體雙相組織，值得注意的是，2號試樣粗晶區的鐵素體內有較明顯的二次相粒子，結合能譜分析可知，該二次相為島狀馬氏體，1號試樣粗晶區中鐵素體內未發現有明顯的二次相。對比兩種試樣母材區的微觀組織發現，1號試樣母材區有尺寸較大的塊狀馬氏體，而2號試樣的馬氏體較為細小。同時，1號試樣的塊狀馬氏體為板條結構，鐵素體也較2號試樣粗大，2號試樣母材區域的鐵素體內有細小的二次相。Sodjit等[20]研究了雙相鋼組織與應變強化行為的關系，認為細小的鐵素體、適當體積分數的島狀馬氏體可有效提高雙相鋼的強度。Bergstr?m等[21]認為， 不同強度級別的雙相鋼的屈服應力差別與鐵素體的晶粒尺寸以及馬氏體的分布有關。

圖3 2號試樣焊接接頭的顯微組織Fig.3 Microstructures of the welded joint for the specimen No.2

圖4 試樣焊接接頭母材區的顯微組織Fig.4 Microstructures in base metal zone of the welded joint of the specimens

圖5 試樣焊縫粗晶區的顯微組織Fig.5 Microstructures in the coarse grain zone of weld of the specimens

圖6 焊接試樣母材區域顯微組織Fig.6 Microstructures in the base metal of weld of the specimens

2.2 硬度

圖7為1號和2號試樣焊接接頭的顯微硬度分布。圖7表明，兩種試樣的焊縫中心硬度最高，1號試樣母材區的顯微硬度為150～180 HV0.2，波動較大，這與1號試樣母材區尺寸較大的塊狀馬氏體有關。2號試樣的母材區顯微硬度為150～165 HV0.2，波動程度明顯低于1號試樣，細小的馬氏體和鐵素體組織是該區域顯微硬度波動較小的主要原因。兩種試樣的粗晶區為硬度的過渡區，1號試樣的顯微硬度從焊縫中心的最高值190 HV0.2迅速降低至180 HV0.2以下，并且粗晶區硬度波動較大。而2號試樣粗晶區至細晶區的硬度過渡較為平緩，這與該區域的鐵素體內有島狀馬氏體有關。

圖7 試樣焊接接頭的顯微硬度分布Fig.7 Microhardness distribution in the welded joint of the specimens

3 結論

(1)閃光對焊的DP540雙相鋼焊接接頭共有5個特征區域，分別為焊縫中心區域、粗晶區、細晶區、過回火區和母材區。1號和2號試樣的焊縫中心區、粗晶區和母材區均存在較大的組織差異。

(2)1號和2號試樣焊縫中心區的硬度均最高，從焊縫中心到熱影響區，1號試樣的硬度較明顯下降，2號試樣的硬度則是緩慢降低。1號試樣的母材區硬度較高且波動較大。

(3)2號試樣焊縫中心區及粗晶區有含島狀馬氏體的鐵素體，1號試樣則沒有明顯的含二次相的鐵素體，因此2號試樣具有更好的抗變形性能，島狀馬氏體的存在是2號試樣硬度緩慢降低的主要原因。兩種試樣母材區的硬度差異則與其中的馬氏體形態有關。因此，為了達到力學性能要求，應精確控制DP540雙相鋼的化學成分，以優化DP540雙相鋼閃光對焊接頭的組織形態。