激光拼焊門內(nèi)板沖壓開裂失效分析

王有祿 祝洪川 吳青松

（武鋼研究院 湖北 武漢：430080）

激光拼焊板技術(shù)主要指的是將不同厚度、材質(zhì)及不同表面涂層的鋼板拼接在一起，隨后進(jìn)行沖壓成型的一種新技術(shù)方法。為提高車身強(qiáng)度、減輕汽車重量、降低汽車制造和運(yùn)行成本提供了條件。拼焊板因其顯著的優(yōu)越性，已被各大車廠廣泛應(yīng)用于車身各個(gè)主要零部件的制造。但是，由于選材，拼焊技術(shù)等原因，激光拼焊板在沖壓各類零件時(shí)易出現(xiàn)焊縫區(qū)域開裂的現(xiàn)象。在沖壓過程中焊縫區(qū)域開裂是拼焊板零件沖壓成形的主要質(zhì)量問題之一，觀察發(fā)現(xiàn)，某車型前門內(nèi)板拼焊件采用DC05鋼種不等厚拼焊，沖壓開裂存在兩種情況：一是焊縫開裂，即沿焊縫中間開裂；二是焊縫附近開裂，即薄板側(cè)距離焊縫5mm內(nèi)局部開裂；本文針對激光拼焊門內(nèi)板成形不穩(wěn)定，將分別對兩種不同的開裂情況進(jìn)行具體的分析及提出相應(yīng)的解決措施。

1 焊縫開裂原因分析

對焊接焊縫進(jìn)行外觀檢驗(yàn)，通過肉眼和放大鏡直接觀察焊縫表面，發(fā)現(xiàn)焊縫表面存在針孔現(xiàn)象，本次分析中選取了7個(gè)含針孔的焊縫，對其進(jìn)行杯凸和微觀分析。

1.1 杯凸試驗(yàn)

有針孔的焊縫在杯凸試驗(yàn)時(shí)在氣孔處斷裂，見圖1（a）。沒有氣孔的正常焊縫在非焊縫區(qū)開裂，如圖1（b）。

圖1 焊縫杯凸試驗(yàn)

1.2 微觀分析

為進(jìn)一步判斷造成焊縫針孔的原因，需要對焊縫針孔做進(jìn)一步的顯微組織分析。

1.2.1 正面微觀分析

選取2個(gè)針孔焊縫樣片做正面微觀分析，利用掃面電鏡分析，形貌特征如圖2（a，c）。從形貌特征來看，焊縫針孔周圍的組織未發(fā)現(xiàn)異常，為確定其成分，利用能譜儀進(jìn)行組織成分確定，見圖2（b，d）。

從成分分析結(jié)果來看，圖2（a）中所選區(qū)域主要成分為84.8%的Fe，15.2%的 O；而圖3（c）中所選區(qū)域主要成分為100%的Fe；未見其他成分。

1.2.2 截面微觀分析

對5個(gè)試樣氣孔附近橫截面做金相顯微分析，圖3（a）～（e）所示為氣孔斷面圖?？梢姡╝）～（c）號試樣的氣孔很淺，為針狀氣孔，其直徑大小為50－100微米，附近沒有發(fā)現(xiàn)明顯異樣，見圖3（a）～（c）。

圖2 針孔正面微觀分析

圖3中（d）、（e）試樣的氣孔為大型氣孔，呈球狀，直徑大小在500微米左右，附近發(fā)現(xiàn)一條沿軋制方向（垂直焊縫）分布的夾雜物帶，見圖3（d，e）。

圖3 針孔截面微觀分析

對該夾雜物帶（見圖4）所示，進(jìn)行能譜分析確定其成分，分析結(jié)果如表1。

表1 夾雜帶成分

圖4 夾雜物帶

由以上分析可見，鋼板中的夾雜帶主要為煉鋼保護(hù)渣（煉鋼保護(hù)渣的標(biāo)志性成份是Na、Ca、Mg）和部分的脫氧殘?jiān)ㄒ徊糠盅趸铮D4（b）中取點(diǎn)在氣孔附近的小坑，這個(gè)小坑是夾渣和氣孔交接的部分，夾渣還沒有完全燒蝕。

激光焊接不填充材料，不會引進(jìn)新的雜質(zhì)，焊縫化學(xué)成分一般不會發(fā)生變化。圖3（a）～（c）可以看出氣孔很淺，而且周圍沒有明顯的雜質(zhì)，可能是鋼板表面的油污、鐵銹以及較小的夾雜導(dǎo)致，可以通過調(diào)整焊接參數(shù)，如降低焊接速度、調(diào)整保護(hù)氣等降低氣孔的產(chǎn)生率。每個(gè)大氣孔附近則發(fā)現(xiàn)了夾雜帶，圖3d e 成分主要是煉鋼保護(hù)渣和氧化物。低熔沸點(diǎn)的夾渣會在激光的作用下劇烈蒸發(fā)，導(dǎo)致焊縫金屬不能填滿而形成孔洞。

綜上分析，可確定帶鋼種有夾雜物致使激光拼焊質(zhì)量不佳，焊縫存在針孔。進(jìn)而導(dǎo)致門內(nèi)板沖壓焊縫開裂?？蛇m當(dāng)調(diào)整焊接參數(shù)，以消除針狀氣孔產(chǎn)生的可能性。并提高鋼質(zhì)純凈度，以免形成大氣孔。

2 焊縫附近區(qū)域開裂原因分析

2.1 材料性能

對材料取樣分別進(jìn)行了化學(xué)成分檢測和力學(xué)性能拉伸試驗(yàn)，以確保材料的質(zhì)量滿足要求。

2.1.1 化學(xué)成分試驗(yàn)

提取2份兩種材料試樣進(jìn)行化學(xué)成分試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果在DC05鋼種成分要求范圍之內(nèi)，表明兩種母材的化學(xué)成分是合格的。

2.1.2 材料微觀組織分析

對開裂批次的焊縫區(qū)域取樣做微觀組織對比分析，為了找到開裂批次拼焊板與未開裂批次拼焊板的差異，同樣將未開裂批次拼焊板進(jìn)行金相組織分析：直接取焊縫附近同一區(qū)域開裂和未開裂試樣鑲嵌磨制，經(jīng)硝酸酒精侵蝕后觀察：未開裂試樣的組織與開裂試樣的組織均為鐵素體，晶粒度約為Ⅱ8.0級，開裂試樣組織可見明顯的形變特征，如圖5所示。

2.1.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

取樣進(jìn)行拉伸力學(xué)性能檢測。拉伸曲線如圖6所示，拉伸性能結(jié)果見表2。

表2 材料性能

圖5 微觀組織對比分析

圖6 材料拉伸曲線

結(jié)果顯示屈服強(qiáng)度145MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)到305MPa，延伸率在45%以上，材料實(shí)際力學(xué)性能均在要求范圍之內(nèi)，且控制穩(wěn)定。

2.2 FLD （成形極限圖，F(xiàn)orming Limit Diagram）分析

對于激光拼焊門內(nèi)板來講，由于焊縫兩邊母材的厚度不同，所以焊縫在塑性變形中向厚板側(cè)不均勻移動，引起薄板側(cè)產(chǎn)生過量減薄變形，如圖7所示：焊縫區(qū)域附近，A區(qū)、B區(qū)薄側(cè)的減薄率遠(yuǎn)高于厚側(cè)，存在不均勻變形。焊縫在移動過程中焊縫及熱影響區(qū)組織成分與母材相比會發(fā)生變化，由此一來，整個(gè)沖壓成型過程將導(dǎo)致拼焊板成型性能不但下降、而且困難。

圖7 FLD檢測結(jié)果

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)：由于拼焊板兩側(cè)母材在成形過程中的變形流動差異性，弱側(cè)母材的變形遠(yuǎn)大于強(qiáng)側(cè)母材，焊縫明顯有向強(qiáng)側(cè)母材側(cè)位移的現(xiàn)象。拼焊板焊縫兩側(cè)母板的差異性使得在實(shí)際沖壓成形中，兩側(cè)的變形不均勻性使變形大量集中于弱側(cè)母材，拼焊零件的成形能力大大降低造成零件弱側(cè)母材距焊縫5mm內(nèi)局部開裂。

綜上可見，提高厚側(cè)材料的流動性是解決該問題的關(guān)鍵所在。通過調(diào)整模具沖壓參數(shù)、并將厚側(cè)材料優(yōu)化為沖壓成形性能更好的DC06鋼種試驗(yàn)，沖壓幾批次未見焊縫附近區(qū)域薄板側(cè)開裂。

3 結(jié)論

（1）由于鋼制純凈度不高，含有夾雜帶，造成焊接過程焊縫產(chǎn)生針孔，是造成沖壓過程中焊縫開裂的主要原因；

（2）拼焊板焊縫兩側(cè)母板的差異性使得在實(shí)際沖壓成形中焊縫兩側(cè)的變形不均勻性使變形大量集中于弱側(cè)母材，拼焊零件的成形能力大大降低是造成焊縫附近區(qū)域開裂的主要原因；

（3）針對兩種不同的開裂位置及原因，制定可行的方案，開裂問題得以解決。

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