多材料匹配激光拼焊方案高溫拉伸特性分析

齊建群， 杜雁冰， 許曉

(河鋼股份有限公司唐山分公司，河北 唐山 063000)

0 前言

熱成形技術已廣泛應用于汽車零部件制造，其具有強度高、輕量化作用顯著等特性，但同時也存在焊接性和韌性差等問題，在應用時為滿足碰撞安全法規(guī)與吸能要求，必須在設計時引入其他輔助零部件予以解決。因此，很多改進的熱成形技術已開始應用，例如模具分區(qū)淬火、補丁板熱成形、差厚板熱成形、激光拼焊熱成形等技術。其中，隨著激光焊的普及和成本降低，同種或異種材料激光拼焊技術愈發(fā)成熟，劉成杰等[1]、錢法余[2]、He等人[3]及邵天巍等人[4]均進行了同種材質的激光拼焊性能研究；異種材料激光拼焊接頭軟化問題是其最大的難點，龔濤等人[5]、韋春華等人[6]、甘洪巖等人[7]、薛松等人[8]及Guo等人[9]分別通過改善焊接工藝，得到焊接效果良好的異種鋼拼焊接頭。異種材料激光拼焊熱成形技術是指不同材質進行激光拼焊，熱成形后獲得不同性能分區(qū)的工藝方法，其具備軟區(qū)焊接性可根本改善，可實現(xiàn)差厚板效果等優(yōu)點[10-11]。

目前國內主要鋼生產企業(yè)均開發(fā)出了相應的熱成形鋼，但多集中在1 300 MPa級別，對于1 300 MPa以上的熱成形鋼如何搭配低強度鋼材的應用技術研究較少，文中采用HC340LA，HC340/590DP分別與22MnB5進行激光拼焊，通過分析高溫拉伸斷后伸長率與高溫抗拉強度，簡單快捷地對材料高溫成形特性進行優(yōu)劣評價，揭示了含有熱成形鋼的異種材料拼焊后高溫成形特點，從而確定了多強度梯度激光拼焊熱成形的工藝可行性，得到了450 MPa,600 MPa級與1 500 MPa級2種高低搭配熱成形組合方案。

1 試驗

1.1 試驗準備

試驗材料為連續(xù)退火鋼板HC340LA，HC340/590DP，22MnB5，厚度均為1.2 mm，材料的主要化學成分見表1。

表1 化學成分(質量分數(shù)，%)

采用普瑞瑪SLCWF-X0610激光焊機對鋼板進行激光拼焊；采用美國DSI熱模擬試驗機GLEEBLE 3500對樣板進行高溫拉伸試驗。

采用低功率與適當焊接速度，光束焦點向低碳當量材料方向偏移，焊接工藝參數(shù)見表2。

表2 焊接工藝參數(shù)表

1.2 試驗方案

通過點焊機將熱電偶絲焊在試件中部表面，用于監(jiān)控試件溫度。由于熱模擬試驗中采用電阻加熱，試件長度方向溫度分布不均勻，以試件中心為對稱軸呈現(xiàn)軸對稱分布，為達到溫度的準確控制，選用圖1所示的試樣類型，該試樣類型能夠確保高溫區(qū)全部集中在測量段，溫度偏差小于5 ℃。

圖1 高溫拉伸試樣形式

試驗溫度制度示意圖如圖2所示。試驗溫度制度為以15 ℃/s的加熱速率加熱到700 ℃，然后以5 ℃/s的加熱速率加熱到950 ℃，保溫3 min,以6 ℃/s的冷卻速率分別冷至930 ℃，900 ℃,870 ℃，保溫10 s，而后采用0.1 mm/s的拉伸速度開展測試。

圖2 試驗溫度示意圖

2 結果與討論

試驗主要提取均勻塑性應變極限點之前的應力應變曲線用于研究，對于超出該段的變形部分，一般采用對塑性段進行數(shù)學計算予以延伸。對于高溫拉伸的斷后伸長率，采用手工測量的方式予以測定。

2.1 高溫拉伸斷后伸長率比較

2.1.1HC340LA與22MnB5匹配

HC340LA與22MnB5激光拼焊拉伸試樣全部斷在了HC340LA一側且遠離熱影響區(qū)，說明焊縫在高溫拉伸變形時不是最危險區(qū)域，高溫拉伸前焊縫區(qū)由于激光拼焊的作用，獲得了2種材料熔合的成分與特定熔合區(qū)、熱影響區(qū)組織，其在高溫加熱后拉伸時，保持了一定的強度與韌性。斷后伸長率數(shù)值見表3，從表3上看焊縫區(qū)域材料的斷后伸長率明顯低于2種母材，HC340LA的斷后伸長率最高，22MnB5的次之，焊縫區(qū)域最低，但這種差距隨著加熱溫度的升高在減小，在900 ℃以上基本處于一個數(shù)量級。22MnB5母材隨加熱溫度升高斷后伸長率呈現(xiàn)下降的趨勢。

表3 HC340LA與22MnB5高溫拉伸斷后伸長率

2.1.2HC340/590DP與22MnB5匹配

HC340/590DP與22MnB5均是以C，Mn，Si為核心成分的鋼材，前者C低于后者，而Mn，Si高于后者。在各測試溫度，激光拼焊區(qū)域均斷裂在HC340/590DP一側，說明焊縫不是高溫拉伸的薄弱區(qū)，滿足熱成形激光拼焊基本要求，而且焊縫區(qū)域的斷后伸長率基本上大于等于22MnB5對應段的斷后伸長率，材料成形匹配良好。由表4可知HC340/590DP在各個測試溫度斷后伸長率差別不大，熱成形性良好。22MnB5母材隨加熱溫度升高斷后伸長率呈現(xiàn)下降的趨勢。

表4 HC340/590DP與22MnB5拼焊斷后伸長率

經(jīng)對比表3與表4可知，2種激光拼焊匹配方案，HC340/590DP與22MnB5匹配焊接獲得的斷后伸長率值更高，優(yōu)于HC340LA與22MnB5匹配焊接方案。

2.2 高溫拉伸曲線分析

GLEEBLE設備進行高溫拉伸時，試樣安裝是通過兩端的螺栓孔用螺栓進行固定的，這種裝夾方式勢必存在一定的可移動間隙，引發(fā)在拉伸試驗中的位移測量精度不高，材料的彈性段影響尤其嚴重，這種位移會造成彈性段的曲線斜率失真。分析高溫拉伸曲線，全塑段高溫拉伸曲線由于剔除了彈性段試驗誤差的干擾，曲線的一致性大幅改善，規(guī)律性更加明顯。

2.2.1HC340LA與22MnB5匹配

HC340LA與22MnB5匹配高溫拉伸曲線如圖3、圖4、圖5所示，其中圖3為HC340LA鋼材在3種溫度下的高溫拉伸曲線， 圖4為22MnB5鋼材在3種溫度下的高溫拉伸曲線，圖5為HC340LA鋼材與22MnB5激光拼焊后在3種溫度下的高溫拉伸曲線。

圖4 22MnB5鋼試樣高溫拉伸曲線

材料的高溫變形分為應變硬化和穩(wěn)態(tài)變形2個階段，在其熱變形中同時存在加工硬化和動態(tài)軟化的過程。在變形開始階段，流變應力隨應變的增加迅速上升，位錯不斷增殖，位錯間相互作用增大位錯運動阻力，同時由于應變較小，晶內儲存能較小，動態(tài)回復軟化過程難以進行，加工硬化處于主導地位，由圖3～圖5曲線趨勢可以看出，無論母材和焊縫區(qū)域都顯示出了材料的高溫拉伸抗力隨應變的增加而逐漸增大。當應力達到峰值以后，進入穩(wěn)態(tài)變形階段，隨著應變不斷增大，晶內儲存能逐漸升高，動態(tài)軟化和位錯增殖引起的應變硬化逐步趨向平衡。當流變應力達到峰值以后，由于拉伸件內部的微孔洞在晶界處形核、長大直至匯聚形成微小裂紋，導致最終拉伸件斷裂破壞。

圖3 HC340LA鋼試樣高溫拉伸曲線

圖5 HC340LA+22MnB5激光拼焊后高溫拉伸曲線

在拉伸速度一定的前提下，隨著溫度的升高，材料熱激活作用增強，臨界剪切應力減小，位錯運動的阻力減小，金屬的原子平均動能和擴散速率增加，在這些因素的綜合作用下，材料的應力隨溫度升高而減小。由圖3～圖5可以看出，無論母材和焊縫都顯示出了材料的高溫拉伸最大抗力隨溫度的提升而降低的規(guī)律。

從絕對數(shù)值上看，每個溫度段，材料的高溫拉伸最大抗力均體現(xiàn)出22MnB5>焊接區(qū)域>HC340LA的趨勢，而這種差別隨著溫度的提高減小，在930 ℃時幾乎處于同一水平，如圖6所示。HC340LA與22MnB5激光拼焊區(qū)域在低溫段雖然斷裂在母材上，但由于變形的不協(xié)調性，會造成該區(qū)域成形能力有所下降，如采用該匹配進行熱成形零部件設計要注意低溫段塑性下降的影響，保證成形溫度大于900 ℃，對發(fā)揮材料的最大成形能力較為有利。

圖6 材料高溫拉伸溫度與高溫抗拉強度關系圖

2.2.2HC340/590DP與22MnB5匹配

HC340/590DP,22MnB5及焊縫區(qū)域高溫拉伸曲線也體現(xiàn)出高溫抗拉強度隨溫度升高而降低的趨勢，如圖7、圖8所示(22MnB5的高溫拉伸曲線如圖4所示)。而且高溫抗拉強度的差距也隨著溫度升高而減小，在870 ℃時HC340/590DP高溫抗拉強度最高，焊縫區(qū)域和22MnB5基本一致，如圖9所示。這點HC340/590DP與HC340LA差異較大，對比圖6與圖9易知，2種激光拼焊匹配方案，從不同溫度的高溫抗拉強度差值來看，雙相鋼HC340/590DP與熱成形鋼的匹配效果要好于低合金高強鋼HC340LA與熱成形鋼的匹配效果，材料本身與焊縫的差異較小，這與22MnB5與HC340/590DP的成分設計中硅錳強化元素的接近，硅錳強化效果的一致性相關。

圖7 HC340/590DP鋼試樣高溫拉伸曲線

圖8 HC340/590DP+22MnB5激光拼焊后高溫拉伸曲線

圖9 材料高溫拉伸溫度與高溫抗拉強度關系

2.3 高溫拉伸特性本構方程的擬合與分析

通過高溫拉伸試驗獲得的高溫拉伸曲線包含有材料本身與焊縫的高溫成形特性，與冷成形類似，其用于仿真分析對實際成形有一定的參考意義。要將試驗所獲得高溫拉伸曲線應用于數(shù)值仿真計算，必須將其方程化，并將其延長至全應變階段。目前業(yè)內采用較多的本構方程為Hockett-Sherby方程，具體如式(1)所示，也可對試驗曲線進行一些適當擬合得到所需要的本構方程，經(jīng)多次嘗試，將Hockett-Sherby方程進行適當修正可以完成彈塑段的擬合，收斂性良好，擬合方程如式(2)所示[12-15]。

σH-S=σs-(σs-σy)·exp(-(k·ε)n)

(1)

σE-P=σ1-σ2·exp(-(k·ε)n)

(2)

以930 ℃的HC340/590DP與22MnB5材料高溫拉伸曲線為例，各鋼材及焊縫區(qū)域的擬合曲線如圖10、圖11、圖12所示。

圖10 HC340/590DP試樣高溫拉伸擬合曲線

圖11 HC340/590DP與22MnB5匹配試樣高溫拉伸擬合曲線

圖12 22MnB5試樣高溫拉伸擬合曲線

經(jīng)計算，擬合方程的系數(shù)見表5。經(jīng)實際驗證，擬合方程應用于數(shù)值仿真計算，與實際成形情況符合度較好。

表5 高溫拉伸曲線擬合方程系數(shù)表

3 結論

(1)從高溫斷后伸長率上看，HC340/590DP>HC340LA>22MnB5，塑性均滿足成形需要。焊接會降低各種匹配下焊縫區(qū)域的成形能力，斷裂均發(fā)生在變形抗力低的材料一側，且遠離焊縫。HC340LA在870 ℃時斷后伸長率低于20%，應用時要予以關注。2種激光拼焊匹配方案，HC340/590DP與22MnB5匹配焊接獲得的斷后伸長率更高，優(yōu)于HC340LA與22MnB5匹配焊接方案。

(2)材料的高溫抗拉強度隨溫度的提升而降低，匹配材料間的高溫抗拉強度差別隨著溫度的提高而減小，在930 ℃時鋼材差距很小。HC340LA與22MnB5匹配焊接的高溫抗拉強度排序為22MnB5>(22MnB5+ HC340LA)>HC340LA， HC340/590DP與22MnB5匹配焊接時焊縫與22MnB5高溫抗拉強度基本一致，從不同溫度的高溫抗拉強度差值來看，雙相鋼HC340/590DP與熱成形鋼的匹配效果要好于低合金高強鋼HC340LA與熱成形鋼的匹配效果。

(3)在應變速率0.1 mm/s條件下，以930 ℃的HC340/590DP與22MnB5材料匹配焊接獲得的高溫拉伸曲線為例，經(jīng)擬合計算獲得了材料本身與焊縫的擬合方程，可應用于激光拼焊熱成形零部件設計參考。