600MPa級汽車用高強鋼激光焊接工藝研究

戴玉芬,張 武

(1.安徽冶金科技職業學院 安徽馬鞍山 243041;2.馬鋼(合肥)板材有限責任公司 安徽合肥 230000)

隨著全球能源匱乏和環境污染日益嚴重,汽車輕量化成為汽車發展的主要方向。雙相鋼含有鐵素體和馬氏體兩相組織，被廣泛應用于汽車制造行業。激光焊接技術作為工藝領域的亮點技術，已被廣泛應用于汽車制造領域。

武漢鋼鐵集團研究院研究了高Al冷軋雙相鋼激光焊接性能，它認為，在合適的焊接工藝條件下，高AL冷軋雙相鋼具有良好的激光焊接性能[1]。湖南化工職業技術學院研究了ST14和DP600的激光拼焊性能，經試驗表明，隨著脈沖頻率的增加，焊縫熔深、寬度和熱影響區寬度均增加[2]。西京學院應用正交試驗方法對980MPa級雙相鋼激光焊機工藝參數進行優化，并進行數值模擬研究，結果表明，當激光功率為1100 W,焊接速度為7 mm/s時，焊接接頭形貌于數值仿真結果具有較好的一致性[3]。現以先進高強鋼DP600為研究對象，用SW500脈沖激光焊機對其進行焊接，探索了不同工藝下焊縫的成形質量。

1 試驗材料與方法

試驗材料為1.5 mm厚汽車用先進高強鋼DP600，材料的化學成分如表1所示，金相組織如圖1所示為鐵素體+馬氏體雙相組織。采用線切割將板料裁剪成尺寸為200 mm*400 mm的焊接樣片，并采用砂紙對待焊表面進行打磨至平整，并用酒精對待焊處進行清洗。

表1 DP600的化學成分 wt.%

圖1 DP600母材的微觀組織

采用型號為SW500脈沖激光焊接，在不同焊接電壓、脈沖頻率、脈沖寬度、焊接速度及離焦量下對試樣進行對接焊，工藝窗口如表2所示。采用HV-1000型顯微硬度計，對焊接接頭進行顯微硬度分析。從焊縫中心到母材每隔0.3 mm測量一個硬度值。

2 試驗結果與分析

2.1 不同焊接工藝下的焊縫形貌

為研究焊縫內部質量，根據表2中的結果，確定對成形中焊透且飛濺嚴重的第6組，未焊透第15組，剛好熔透、焊縫成形良好的16組，焊透、正面成形不良的第23組，以及焊透、輕微飛濺的第28組等五組焊接工藝下的焊縫形貌進行分析。如圖2a、2d、2f所示，在上述工藝參數下由于焊接過程中飛濺比較嚴重，焊縫出現嚴重的未填滿缺陷。如圖2b所示，在該工藝下焊縫出現未焊透缺陷；如圖2c所示，焊縫完全熔透，且無明顯可見的缺陷。如圖2e所示，焊縫中心存在一個氣孔，這是由于熔池在冷卻的過程中，氣體沒有完全逸出，隨著熔池的冷卻而被保留下來，焊縫中氣孔的存在將嚴重影響焊縫的性能。根據焊縫外觀質量及焊縫形貌縫隙，可以確定在第16組為較佳的工藝參數。

表2 焊接實驗參數表

圖2 不同焊接工藝下的焊縫形貌：a為第6組，b為第15組，c為第16組，d為第23組，e為第27組

焊縫正面表面處焊縫最寬為2.1 mm，背面焊縫寬度最窄為1.1 mm。因此，采用脈沖激光單面焊雙面成形焊接時，焊縫的正面寬度大約為背面寬度的兩倍。從總體上看，脈沖激光焊接形成的焊縫比較窄，而且熱影響區也沒有普通焊接方法焊后出現的四大區域之分。

2.2 典型焊接接頭的金相組織

圖3a為第16組工藝參數下焊接接頭的熱影響區微觀形貌，由圖可以看出，焊接接頭明顯的分為等軸晶區、粗晶區和細晶區。在激光焊接過程中，由于激光加熱的范圍集中，溫度極高，溫度梯度大，熱量主要靠傳導作用向外擴散，對于薄板焊接則焊縫冷卻速度極快，致使熱影響區組織在焊接重熔冷卻結晶過程中得以細化。從圖中仍能看到部分有方向性的柱狀晶存在，當然絕大部分的一次結晶組織都被二次相變所掩蓋。

圖3 焊接接頭的微觀組織：a熱影響區，b焊縫中心

計算得出焊縫兩側熱影響區寬度大致相同約為0.38 mm，細晶區寬度約為0.27 mm，細晶區占整個熱影響區的71%左右。即脈沖激光焊接的熱影響區相對較窄，而且細晶區占整個熱影響區的大部分。

圖3b為焊縫中心焊核區顯微組織。由圖可以看出，焊縫組織主要為貝氏體和馬氏體。焊縫中存在一定數量的板條馬氏體，它是焊縫金屬在連續快速冷卻的條件下形成的，其顯微組織由許多成群的板條組成，各板條群中板條大致平行且方向一致，這種組織不僅具有較高的強度，同時也具有一定的韌性。

2.3 典型焊接接頭的顯微硬度分布

對第15組及16組工藝參數下的焊接接頭進行顯微硬度測試，結果如圖4所示。結果表明，母材硬度在180 HV左右，焊縫中心區域顯微硬度最高在225 HV左右。從母材到焊縫中心，焊接接頭的顯微硬度逐漸增大。主要是由于激光焊接冷卻速度快，在焊縫中心形成等軸晶轉變為貝氏體和馬氏體后硬度明顯提高。

3 結論

采用SW500脈沖激光器可以對1.55 mm厚的DP600鋼板進行焊接。

激光焊接的焊縫比較窄，而且熱影響區也沒有普通焊接方法焊后出現的四大區域之分。

圖4 激光焊接接頭硬度分布

母材硬度在180 HV左右，焊縫中心區域顯微硬度最高在225 HV左右。

確定出DP600焊接的較佳工藝參數，即：焊接電壓295 V、脈沖頻率17 Hz、脈沖寬度12 ms、焊接速度250 mm/min、離焦量0 mm。