高強(qiáng)鋼激光搭接焊接接頭組織及顯微硬度

劉慶永 杜雁冰 郭 健 夏明生

(唐山鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，河北 唐山 063016)

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高強(qiáng)鋼激光搭接焊接接頭組織及顯微硬度

劉慶永 杜雁冰 郭 健 夏明生

(唐山鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，河北 唐山 063016)

采用光纖激光器對(duì)汽車工業(yè)中常用的雙相鋼HC450/780DPD+Z和低合金高強(qiáng)鋼HC420LA進(jìn)行激光搭接焊試驗(yàn)，探索焊縫附近微觀組織和顯微硬度轉(zhuǎn)變，并研究不同焊接速度對(duì)焊縫顯微硬度的影響。結(jié)果表明，焊縫附近微觀組織主要包括熔化區(qū)、熱影響區(qū)和母材三部分。焊接速度一定時(shí)，從母材到焊縫，HC420LA的顯微硬度變化趨勢(shì)為先增加后保持不變，HC450/780DPD+Z的顯微硬度變化趨勢(shì)為先增加后減小再保持不變。而隨著焊接速度的增加，HC420LA焊縫顯微硬度先增加后保持不變，HC450/780DPD+Z焊縫顯微硬度先增加后減小。

激光焊 搭接 焊接速度 顯微硬度

0 序 言

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，汽車輕量化逐漸成為當(dāng)前趨勢(shì)，在保證汽車性能不受影響和安全舒適駕駛的前提下，減輕車身重量，進(jìn)而降低油耗、節(jié)約成本。雙相鋼與低合金高強(qiáng)鋼等具有輕質(zhì)、高強(qiáng)特點(diǎn)，在汽車領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用[1]。

穩(wěn)定高效的焊接工藝是汽車輕量化的保證，而激光焊在降低車身重量、提高生產(chǎn)效率、改善焊接效果等方面具有較大優(yōu)勢(shì)[2]。激光焊實(shí)現(xiàn)了小區(qū)域內(nèi)的快速加熱和冷卻，熱影響區(qū)位置不同由于受熱程度不同組織形貌也不同，導(dǎo)致材料硬度也不同，同時(shí)在不同焊接速度下，焊縫中心顯微硬度也會(huì)發(fā)生變化。

針對(duì)上述方面，文中以汽車車身常用材料雙相鋼HC450/780DPD+Z和低合金高強(qiáng)鋼HC420LA作為研究對(duì)象，進(jìn)行不同焊接速度下高強(qiáng)鋼激光焊接研究，探索焊接接頭顯微硬度的變化規(guī)律，同時(shí)分析在某焊接溫度下形成接頭的組織形貌和顯微硬度的變化情況。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)選用材料為唐山鋼鐵集團(tuán)高強(qiáng)汽車板生產(chǎn)線生產(chǎn)的高強(qiáng)鍍鋅雙相鋼板HC450/780DPD+Z(以下簡(jiǎn)寫為DP780+Z)和低合金高強(qiáng)鋼HC420LA，其中DP780+Z厚度為0.9 mm，鋅層厚度為100 g/m2，HC420LA厚度為1.0 mm。兩種材料的主要化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見表1、表2，兩種材料的組織形貌分別如圖1a～1b所示，其中雙相鋼DP780+Z主要由白色的多邊形鐵素體和深灰色的馬氏體島組成，高強(qiáng)鋼HC420LA主要由白色的鐵素體基體和彌散分布的碳化物組成。

表1 DP780+Z和HC420LA主要化學(xué)成分(%)

表2 DP780+Z和HC420LA的力學(xué)性能

采用SLCWF-X0610型激光切焊一體機(jī)進(jìn)行焊接試驗(yàn)，接頭采用搭接形式，經(jīng)前期試驗(yàn)摸索，以厚板HC420LA為上板、薄板DP780+Z為下板，可以有更好的焊接效果[3]。激光焊接工藝參數(shù)主要包括激光功率、焊接速度、離焦量、搭接間隙等，試驗(yàn)中激光功率選取2 000 W，激光焦點(diǎn)位于鋼板表面以下(即負(fù)離焦)，數(shù)值選取板厚的1/4～1/3之間[4]，搭接間隙為0 mm，同時(shí)重點(diǎn)調(diào)節(jié)焊接速度，分析焊接速度對(duì)焊縫成形和顯微硬度等的影響。具體的焊接參數(shù)如表3所示。

焊接完成后，采用金相顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察，觀察前采用硝酸-酒精溶液(飽和硝酸水溶液4 mL，酒精96 mL)進(jìn)行試樣腐蝕。使用顯微硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)量，施加力1.96 N，加載時(shí)間15 s，加載速率為25 N/s，硬度測(cè)試點(diǎn)分別距上層表面和下層表面0.4 mm，在垂直焊縫方向上均勻分布，具體示意圖如圖2所示。

圖1 DP780+Z和HC420LA的微觀組織形貌

表3 激光焊接工藝參數(shù)

圖2 顯微硬度取點(diǎn)示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 激光焊接接頭組織和顯微硬度

激光焊接過(guò)程中，焊縫區(qū)域組織在激光的作用下快速的熔化凝固，形成熔化區(qū)(如圖3中A區(qū)域)，焊縫兩側(cè)區(qū)域受激光的熱量影響發(fā)生有規(guī)律的組織變化形成熱影響區(qū)(如圖3中B區(qū)域)，母材(如圖3中C區(qū)域)在焊接過(guò)程中不發(fā)生變化，激光焊接接頭總體形貌如圖3所示。圖中所選接頭的激光焊接工藝參數(shù)為：激光功率2 000 W、離焦量-0.5 mm、搭接間隙0 mm、焊接速度2.1 m/min。

圖3 激光焊接接頭組織形貌

對(duì)上板HC420LA熱影響區(qū)附近組織進(jìn)行放大觀察，如圖4a所示。為了更好的觀察焊縫的組織形態(tài)，對(duì)焊縫和熱影響區(qū)進(jìn)行如圖所示的分區(qū)，可以看出焊接后的熔化區(qū)(FZ)和熔合區(qū)(FB)主要為粗大的板條馬氏體，熱影響區(qū)粗晶區(qū)(CGHAZ)主要為馬氏體和少量殘余奧氏體，熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)(FGHAZ)則為細(xì)小的馬氏體和殘余奧氏體。粗晶區(qū)與細(xì)晶區(qū)差別有兩點(diǎn)：一是粗晶區(qū)的馬氏體含量比細(xì)晶區(qū)高，原因是粗晶區(qū)靠近焊縫區(qū)域溫度較高，形成馬氏體較多；二是粗晶區(qū)的晶粒尺寸比細(xì)晶區(qū)大，這是由于粗晶區(qū)溫度較高，奧氏體化較充分，奧氏體晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大，晶粒較大。臨界熱影響區(qū)(ICHAZ)為少量馬氏體、細(xì)小的鐵素體和游離分布的滲碳體，低溫?zé)嵊绊憛^(qū)(LTHAZ)組織變化不明顯，與母材(BM)類似，為白色的鐵素體和游離分布的滲碳體。

對(duì)下板DP780+Z熱影響區(qū)附近組織進(jìn)行放大觀察，如圖4b所示，可以看出與HC420LA熱影響區(qū)組織分布方式大體相同，但因?yàn)槟覆某煞植町?，熱影響區(qū)組織仍有一定差別。焊接后的熔化區(qū)(FZ)和熔合區(qū)(FB)主要為粗大的馬氏體，熱影響區(qū)粗晶區(qū)(CGHAZ)和熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)(FGHAZ)主要為馬氏體、鐵素體和殘余奧氏體，其中粗晶區(qū)馬氏體含量較多且晶粒較粗大，臨界熱影響區(qū)(ICHAZ)組織為鐵素體、殘余奧氏體和少量馬氏體，低溫?zé)嵊绊憛^(qū)(LTHAZ)與母材(BM)組織相同，都為鐵素體和馬氏體，但低溫?zé)嵊绊憛^(qū)經(jīng)過(guò)了一次快速升溫降溫的類“回火”過(guò)程，因此帶狀組織相比母材有一定程度的緩解。

圖4 接頭組織(1-FZ；2-FB；3-CGHAZ；4-FGHAZ；5-ICHAZ；6-LTHAZ；7-BM)

使用Fe-C相圖可以對(duì)焊縫及熱影響區(qū)各分區(qū)顯微組織變化進(jìn)行解釋。各分區(qū)組織不同的原因就是受熱程度不同，不同區(qū)域加熱和冷卻過(guò)程的區(qū)別導(dǎo)致了組織形態(tài)上的差異，具體焊接接頭分區(qū)與Fe-C相圖對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖5所示[5]，圖中1～7區(qū)域分別對(duì)應(yīng)焊縫、熱影響區(qū)和母材各分區(qū)。

熔化區(qū)為母材受激光加熱熔化的區(qū)域，熔化后快速凝固形成了大量的板條馬氏體組織。熔合區(qū)為母材金屬臨界熔化區(qū)域，為δ鐵素體和液相共存，冷卻后也形成了板條馬氏體組織。熱影響區(qū)粗晶區(qū)和熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)沒(méi)有達(dá)到熔融狀態(tài)，但經(jīng)歷了完全奧氏體化過(guò)程，冷卻后形成一部分馬氏體和殘余奧氏體。臨界熱影響區(qū)經(jīng)歷了部分奧氏體化過(guò)程，冷卻后組織為母材組織加少量馬氏體和殘余奧氏體。低溫?zé)嵊绊憛^(qū)不會(huì)發(fā)生相轉(zhuǎn)變，組織種類基本與母材相同，但由于經(jīng)歷了一次熱循環(huán)，形態(tài)上有可能與母材出現(xiàn)差別。

圖5 單次熱循環(huán)接頭分區(qū)與Fe-C相圖對(duì)應(yīng)關(guān)系[5]

由于焊縫、熱影響區(qū)、母材等各分區(qū)組織和成分不同，所以顯微硬度也不同，為了得到明顯的顯微硬度變化趨勢(shì)，需要各分區(qū)內(nèi)有盡可能多的顯微硬度點(diǎn)，所以選取表1中焊接速度最小的1號(hào)試樣焊接接頭進(jìn)行顯微硬度分析，圖中兩條線分別顯示上板HC420LA和下板DP780焊縫附近的顯微硬度變化，將顯微硬度點(diǎn)的位置與各分區(qū)相對(duì)應(yīng)，如圖6所示。

圖6 HC420LA和DP780+Z激光焊接接頭顯微硬度與組織分區(qū)對(duì)應(yīng)關(guān)系

從圖6中可以看出，HC420LA與DP780在焊接接頭處顯微硬度趨勢(shì)變化有較大差異，對(duì)HC420LA顯微硬度進(jìn)行觀察可知，低溫?zé)嵊绊憛^(qū)為軟化區(qū)，硬度相比母材有一定程度的下降。從臨界熱影響區(qū)到熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)，隨著組織中馬氏體含量增加，顯微硬度一直增加，進(jìn)入到粗晶區(qū)之后，由于晶粒粗大，硬度稍有下降。到達(dá)熔合區(qū)和熔化區(qū)之后，由于板條馬氏體的大量生成，材料顯微硬度有了較大提升。對(duì)DP780+Z顯微硬度觀察可知，由于低溫?zé)嵊绊憛^(qū)緩解了母材帶狀組織的影響，所以低溫?zé)嵊绊憛^(qū)顯微硬度比母材高。從臨界熱影響區(qū)到熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)，DP780+Z的變化趨勢(shì)與HC420LA相同，都是由于馬氏體含量的增加，硬度逐漸變大。進(jìn)入粗晶區(qū)后，由于晶粒粗大，顯微硬度下降，并且由于DP780+Z的含碳量0.17高于HC420LA的含碳量0.077，組織淬硬性更好，所以DP780+Z熱影響區(qū)硬度比HC420LA高。進(jìn)入焊縫后，兩母材金屬熔化混合，液態(tài)金屬總體的碳含量處在0.17到0.077之間，組織淬硬性也在兩母材之間，所以焊縫處顯微硬度相比DP780+Z熱影響區(qū)硬度有所下降，比HC420LA熱影響區(qū)硬度有所上升。

2.2 焊接速度對(duì)接頭顯微硬度的影響

HC420LA和DP780+Z在不同焊接速度下得到的接頭顯微硬度分別如圖7a和圖7b所示，為了便于觀察圖形，省略了一些中間焊接速度下生成焊縫的顯微硬度。

圖7 焊接速度對(duì)激光焊接接頭顯微硬度的影響

從圖中可以看出，焊接速度對(duì)焊縫顯微硬度的影響主要在兩個(gè)方面：其一，隨著焊接速度的增加，焊縫、熱影響區(qū)等各區(qū)域?qū)挾让黠@減小；其二，HC420LA和DP780+Z焊縫熔化區(qū)顯微硬度均隨焊接速度改變而發(fā)生變化。

不同焊接速度下得到的焊縫顯微硬度如圖8所示，隨著焊接速度的增加，上板HC420LA焊縫顯微硬度先增加后保持不變，推測(cè)原因?yàn)楹附铀俣冗^(guò)低時(shí)，焊縫處過(guò)熱，晶粒長(zhǎng)大明顯，硬度偏低。隨著焊接速度的增加，下板DP780+Z焊縫顯微硬度總體呈先增加后降低趨勢(shì)，推測(cè)原因?yàn)楹附铀俣冗^(guò)低時(shí)，焊縫處過(guò)熱，晶粒過(guò)大，硬度較低，焊接速度過(guò)高時(shí)，焊縫處熱量不足，馬氏體含量下降，硬度下降。

圖8 不同焊接速度對(duì)HC420LA和DP780+Z焊縫顯微硬度的影響

3 結(jié) 論

(1)接頭焊縫及熱影響區(qū)附近組織形貌的變化可以用Fe-C相圖進(jìn)行解釋：熔化區(qū)(FZ)為母材受熱熔化后重新凝固的組織；熔合區(qū)(FB)代表液相與固相的交界處；熱影響區(qū)粗晶區(qū)(CGHAZ)與熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)(FGHAZ)經(jīng)歷了完全奧氏體化過(guò)程；臨界熱影響區(qū)(ICHAZ)經(jīng)歷了部分奧氏體化過(guò)程；低溫?zé)嵊绊憛^(qū)(LTHAZ)經(jīng)歷類“回火”過(guò)程；母材(BM)保持不變。

(2)HC420LA與DP780+Z激光焊接接頭顯微硬度分布不同，從母材到焊縫，HC420LA顯微硬度變化趨勢(shì)為先增加后保持不變，DP780+Z顯微硬度變化趨勢(shì)為先增加后下降之后保持不變，且兩種母材在焊縫處的顯微硬度基本相同。

(3) 隨著焊接速度的增加， HC420LA焊縫處顯微硬度先增加后保持不變；DP780+Z焊縫處顯微硬度先增加后減小。

[1] 于 群. 車用雙相鋼DP780的激光焊接接頭組織性能研究[D]. 北京: 北京工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010．

[2] 胡 唯，張延松. 焊接速度對(duì)高強(qiáng)鋼激光焊熱影響區(qū)軟化的影響[J]. 熱加工工藝，2013，42(9): 166-167.

[3] 顧春影，陳根余，梅麗芳，等. 車身零部件的激光搭接焊與電阻點(diǎn)焊對(duì)比分析[J]. 熱加工工藝,2011，40(17): 136-138.

[4] 馬東升. 超高強(qiáng)度鋼激光焊接工藝與接頭力學(xué)性能[J]. 電焊機(jī)，2011,41(12): 35-36.

[5] 崔金鵬．高強(qiáng)度鋼激光焊接的材料機(jī)理研究[D]. 上海: 上海交通大學(xué)碩士論文，2009.

2017-02-17

TG456.7

劉慶永，1990年出生，碩士。主要從事激光焊接、電阻焊接的試驗(yàn)研究和分析,已發(fā)表論文1篇，已申請(qǐng)專利5項(xiàng)。