不同回火溫度對(duì)不等厚鋼板B340LA/B1500HS激光焊接頭組織性能的影響

肖康 劉鵬 閆豐剛 閆東方 胡嘉穎 孫思宇

摘要：利用掃描電子顯微鏡、維氏硬度計(jì)、微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)等測(cè)試手段對(duì)不等厚B340LA/B1500HS異種高強(qiáng)鋼薄板激光焊焊接接頭經(jīng)回火處理前后的顯微組織與性能進(jìn)行試驗(yàn)分析。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)低溫回火后，焊縫組織轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體，經(jīng)過(guò)高溫回火后，焊縫組織轉(zhuǎn)變?yōu)閹в邪鍡l馬氏體形態(tài)的回火索氏體，當(dāng)回火溫度為550 ℃時(shí)，回火索氏體轉(zhuǎn)變基本完成;B340LA側(cè)熱影響區(qū)隨著回火溫度升高，板條馬氏體消除，轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體組織;B1500HS側(cè)熱影響區(qū)經(jīng)過(guò)低溫回火處理后，消除了粗大組織，成分更加均勻，提高了該區(qū)域的韌性;經(jīng)過(guò)高溫回火處理后，鐵素體組織轉(zhuǎn)變?yōu)榘鍡l馬氏體組織。回火處理后，接頭硬度下降幅度不大，焊縫附近硬度過(guò)渡略平緩，有利于焊縫韌性的提高。通過(guò)高溫回火，焊接接頭的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度下降，塑性顯著上升，有利于提高焊接接頭的使用性能。

關(guān)鍵詞：異種鋼;激光焊;回火處理;不等厚材料;接頭組織

中圖分類號(hào)：TG457.11 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）07-0091-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.07.14

0 前言

減輕汽車車身質(zhì)量、降低燃料消耗和減少汽車尾氣排放及提高汽車安全性是汽車發(fā)展的三大方向[1]。當(dāng)今汽車材料技術(shù)發(fā)展以輕量化與環(huán)保為主要方向，在保證汽車車體強(qiáng)度、剛度、模態(tài)以及碰撞性能的前提下，盡可能地減輕汽車的整體質(zhì)量，這就要求在車身上大規(guī)模運(yùn)用高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金、塑料和復(fù)合材料[2-5]。高強(qiáng)鋼具有強(qiáng)度高、質(zhì)量好、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)于鎂、鋁等傳統(tǒng)的輕質(zhì)合金材料，具有抗沖擊性能強(qiáng)、能大幅降低質(zhì)量-強(qiáng)度比率等特點(diǎn)[6-7]，因此被廣泛應(yīng)用于汽車制造及航空航天等領(lǐng)域。

激光焊接技術(shù)應(yīng)用于很多領(lǐng)域，尤其在汽車行業(yè)，激光焊接相比于傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊和熔焊的優(yōu)勢(shì)在于：焊縫較窄，可減少搭接寬度以節(jié)約材料并且減輕車身質(zhì)量;其熱影響區(qū)窄、變形小，可減輕高強(qiáng)鋼焊接熱影響區(qū)的軟化問(wèn)題;激光焊接加熱速度和冷卻溫度都很快，焊縫晶粒較小，焊縫金屬具有更好的強(qiáng)度;使用范圍廣，激光的能量密度高，可以焊接很多難焊材料，對(duì)異種材料的焊接、不等厚度材料的焊接，也能取得良好的焊接效果;易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化[8]。

但高強(qiáng)鋼合金系統(tǒng)復(fù)雜、淬硬性較大，焊接時(shí)易產(chǎn)生冷裂紋，并且超高強(qiáng)鋼強(qiáng)度級(jí)別高，焊接過(guò)程中容易導(dǎo)致包括焊接熱影響區(qū)在內(nèi)的接頭脆化。因此，防止焊接冷裂紋產(chǎn)生和確保焊接接頭具有優(yōu)良的力學(xué)性能是該系列鋼材焊接技術(shù)的關(guān)鍵。文中采用CO2激光焊對(duì)不等厚B340LA/B1500HS鋼進(jìn)行對(duì)接焊，通過(guò)對(duì)焊接接頭進(jìn)行回火熱處理，分析高溫和低溫回火處理對(duì)接頭組織性能的影響，主要分析接頭焊縫、熱影響區(qū)的顯微組織及力學(xué)性能，將為該結(jié)構(gòu)后續(xù)沖壓一體成型研究提供參考。

1 試驗(yàn)材料及工藝

試驗(yàn)材料分別為低合金高強(qiáng)鋼B340LA和超高強(qiáng)鋼B1500HS，其化學(xué)成分如表1所示。B340LA鋼板尺寸180 mm×40 mm×1.2 mm，B1500HS鋼板尺寸為180 mm×40 mm×1.6 mm。焊接時(shí)接頭采用對(duì)接形式，如圖1所示。

焊接設(shè)備為XSL-MKH-10000 CO2激光器，功率1.9 kW，氬氣流量1.5 L/min，焊接速度1.5 m/min，離焦量為10 mm。熱處理工藝為低溫回火和高溫回火且爐冷，加熱溫度分別為250 ℃低溫回火與550 ℃高溫回火，保溫1 h。采用濃度為4%的硝酸酒精溶液腐蝕表面，腐蝕時(shí)間5～6 s，用無(wú)水乙醇清洗表面后用吹風(fēng)機(jī)吹干以進(jìn)行組織觀察。熱處理前后的試樣利用掃描電子顯微鏡、顯微硬度計(jì)及拉伸試驗(yàn)機(jī)等對(duì)不同熱處理?xiàng)l件下的焊接接頭成形、顯微組織及硬度分布等進(jìn)行試驗(yàn)，分析不同工藝參數(shù)條件下接頭的組織結(jié)構(gòu)及性能。測(cè)試分析中采用HVS-1000顯微硬度計(jì)、COXEM EM-30 Plus 掃描電子顯微鏡及WDW-100微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。

2 結(jié)果與討論

2.1 顯微組織分析

采用掃描電子顯微鏡觀察回火處理前、250 ℃低溫回火和550 ℃高溫回火處理后的焊接接頭顯微組織。回火處理前焊接接頭顯微組織如圖2所示。圖2a為回火處理前接頭B340LA側(cè)微觀組織，該組織由鐵素體和少量珠光體組成，鐵素體呈等軸形態(tài)分布，且組織間有碳化物析出。圖2b為未回火處理前焊縫的微觀組織，主要由鐵素體和馬氏體組成。由于激光焊的瞬時(shí)加熱與薄板焊接導(dǎo)致的冷卻速度極大，使得碳無(wú)法及時(shí)擴(kuò)散，從而形成針狀馬氏體和魏氏體組織。

由圖2c可知，B1500HS側(cè)接頭組織仍為軋制態(tài)等軸鐵素體，且有少量的粒狀碳化物。

250 ℃低溫回火處理后焊接接頭的顯微組織如圖3所示。B340LA側(cè)鐵素體尺寸變小，顯然經(jīng)歷了再結(jié)晶過(guò)程;焊縫區(qū)針狀馬氏體逐漸分解變粗，形成回火馬氏體，并且在晶界處富集了一些碳化物;B1500HS晶粒尺寸變化不大，但是析出相增多，于晶界處富集。

550 ℃回火處理后焊接接頭不同位置的微觀形貌如圖4所示。經(jīng)高溫回火后，B340LA側(cè)鐵素體基體的回復(fù)再結(jié)晶過(guò)程結(jié)束，晶粒尺寸增大;焊縫區(qū)的馬氏體組織減少，等軸鐵素體增多，并且經(jīng)過(guò)高溫回火后，滲碳體和鐵素體形成回火索氏體，為焊縫主要組織;B1500HS側(cè)組織未發(fā)生顯著的變化，這是因?yàn)闊崽幚頊囟仍贏c1以下，鐵素體基體的再結(jié)晶過(guò)程結(jié)束。

2.2 回火對(duì)激光焊接頭硬度分布影響

為進(jìn)一步分析組織變化對(duì)接頭性能的影響，采用顯微硬度計(jì)對(duì)激光焊焊接接頭區(qū)域的硬度分布進(jìn)行試驗(yàn)分析。以焊縫為中心向B340LA及B1500HS側(cè)延伸，共取11個(gè)測(cè)試點(diǎn)，間隔0.5 mm，在測(cè)試點(diǎn)的垂直方向取3個(gè)硬度值并取其平均值。試驗(yàn)載荷25 gf，加載時(shí)間 10 s，硬度分布曲線如圖5所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，回火前后硬度分布趨勢(shì)基本一致，均在焊縫處出現(xiàn)硬度最大值。回火前硬度最大值為373.8 HV，回火后硬度最大值為366.8 HV，略有下降。這說(shuō)明經(jīng)過(guò)回火處理后焊縫組織受到了一定程度的軟化;熱影響區(qū)的硬度沒(méi)有太大變化，說(shuō)明了兩側(cè)熱影響區(qū)組織不僅是由高硬組織變?yōu)檩^軟的組織，還通過(guò)熱處理細(xì)化了晶粒，使得組織的硬度有所增加。

2.3 回火對(duì)激光焊接頭抗拉強(qiáng)度的影響

利用線切割切取拉伸試驗(yàn)用試樣進(jìn)行550 ℃高溫回火，保溫1 h，隨爐冷卻。將試樣夾持在試驗(yàn)機(jī)上，通過(guò)向微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)WDW-100輸入?yún)?shù)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試樣尺寸如圖6所示，回火前后焊接接頭的拉伸試驗(yàn)結(jié)果分別如表2、表3所示。

對(duì)比表2與表3可知，試樣經(jīng)過(guò)550 ℃的高溫回火處理后，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度明顯下降，而斷后延伸率得到了提高，這說(shuō)明經(jīng)過(guò)高溫回火后板條馬氏體組織逐漸發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶，有碳化物析出，馬氏體板條逐漸軟化并形成回火索氏體，使抗拉強(qiáng)度降低。高溫回火后，析出的合金化合物有聚集長(zhǎng)大傾向，當(dāng)析出物與基體脫離共格關(guān)系逐漸聚集長(zhǎng)大時(shí)，基體的內(nèi)應(yīng)力會(huì)減小，有助于提高鋼的塑韌性，這有利于保證該板用于汽車結(jié)構(gòu)板時(shí)后續(xù)的鍛壓效果，提高了成品率以及汽車的服役年限。

3 結(jié)論

（1）焊接接頭回火處理前，B340LA/B1500HS鋼經(jīng)激光焊焊接成形，但由于激光焊具有較高的能量密度，且焊接速度較快，冷卻速度較快，過(guò)冷度相對(duì)較大，在熱影響區(qū)和焊縫區(qū)容易產(chǎn)生粗大的馬氏體和魏氏體組織，因此焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的硬度較高。

（2）焊接接頭經(jīng)過(guò)回火處理后，微觀組織發(fā)生顯著變化。低溫回火后，焊縫組織轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體;高溫回火后，焊縫組織轉(zhuǎn)變?yōu)閹в邪鍡l馬氏體形態(tài)的回火索氏體;當(dāng)回火溫度達(dá)到550 ℃時(shí)，回火索氏體轉(zhuǎn)變基本完成。且B340LA側(cè)熱影響區(qū)隨著回火溫度升高，板條馬氏體消除，轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體組織;B1500HS側(cè)熱影響區(qū)經(jīng)過(guò)回火處理后，晶粒尺寸變化不大，但是析出相增多，有助于提高鋼的塑韌性。

（3）焊接接頭經(jīng)過(guò)高溫回火處理后，接頭硬度下降幅度不大，焊縫附近硬度過(guò)渡略平緩，焊接接頭的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度下降，塑韌性得到了一定的提高，有利于保證該接頭用于汽車結(jié)構(gòu)時(shí)的后續(xù)沖壓工藝，提高了成品率以及汽車的服役年限。

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