搭接間隙對鍍鋅鋼板激光焊接接頭組織性能的影響

(唐山鋼鐵集團有限責任公司技術(shù)中心，河北 唐山 063016)

搭接間隙對鍍鋅鋼板激光焊接接頭組織性能的影響

劉慶永孟根巴根杜雁冰

(唐山鋼鐵集團有限責任公司技術(shù)中心，河北 唐山 063016)

采用光纖激光器對汽車工業(yè)中常用的高強鍍鋅鋼板(HC450/780DPD+Z)進行激光搭接焊試驗，探索搭接間隙對于焊縫處微觀組織、力學性能的影響，并對某搭接間隙下形成焊縫處的微觀組織結(jié)構(gòu)和顯微硬度變化進行觀察分析。結(jié)果表明，隨著搭接間隙的增加，焊縫處熔化區(qū)形狀逐漸從“束腰型”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸蓖残汀?，焊縫的抗剪強度也呈現(xiàn)先增加后下降的現(xiàn)象。

雙相鋼激光搭接焊搭接間隙拉剪

0 序 言

隨著汽車制造業(yè)的發(fā)展，激光焊接的應用越來越廣泛。有研究顯示，激光焊可以更好地實現(xiàn)車身輕量化，從而達到降低成本的目的，激光焊的單邊、非接觸式焊接方式可以比電阻焊雙邊、接觸式的焊接方式具有更小的搭接寬度。如果最大程度的應用激光焊，每輛車可以節(jié)約40 kg的鋼材，同時激光焊還具有焊接速度快、焊縫強度高、焊縫和熱影響區(qū)窄、熱變形小等優(yōu)點[1]。

為了汽車車身減重以及增強車身材料的抗腐性能，高強鍍鋅雙相鋼板得到了廣泛使用。但在焊接過程中發(fā)現(xiàn)，雙相鋼表面的鋅層會對焊接造成很大影響，如采用電阻點焊，鋅層將先期融化形成鋅環(huán)，使焊接處電流密度減小，同時鋅層與銅電極反應污染電極，降低電極壽命，并且鋅層電阻率低，接觸電阻小，焊接時容易產(chǎn)生飛濺、裂紋、氣孔等缺陷[2]；如采用激光搭接焊，則在搭接處存在鍍鋅層的汽化，會產(chǎn)生焊接氣孔和飛濺等缺陷。

因此，鍍鋅板的激光搭接焊試驗可通過在搭接處制造搭接間隙實現(xiàn)鋅蒸汽的溢出，從而得到組織和性能較為良好的焊接接頭，同時探索搭接間隙對焊縫組織、性能的影響，并找出相應的變化規(guī)律，為客戶提供優(yōu)化的工藝參數(shù)。

1 試驗材料與方法

試驗選用材料為唐鋼高強汽車板生產(chǎn)線生產(chǎn)的高強鍍鋅雙相鋼板HC450/780DPD+Z(以下簡寫為DP780+Z)，厚度為0.9 mm，其中鋅層厚度的兩面三點平均值為100 g/m2，材料的主要化學成分和力學性能見表1和表2。材料的組織形貌主要由白色的多邊形鐵素體(F)和深灰色的馬氏體島(M)組成，如圖1所示。

表1 DP780+Z主要化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

表2 DP780+Z的力學性能

圖1 DP780+Z微觀組織形貌

采用SLCWF-X0610型激光切焊一體機進行焊接試驗；采用ROFIN FL光纖激光器產(chǎn)生激光，其額定功率為2 000 W；采用OLYMPUS-PMG3金相顯微鏡觀察焊縫顯微組織；采用Anton Paar MHT-10顯微硬度計測定焊接接頭硬度分布；采用Zwick Roell/Z100型拉力試驗機進行拉剪試驗；采用SIGMA-HD型掃描電子顯微鏡觀察斷口。

接頭設(shè)計采用搭接方式，試樣尺寸規(guī)格為100 mm×30 mm×0.9 mm，搭接間隙使用墊片控制，接頭形式如圖2所示。試樣放置好之后使用特定夾具夾緊，以防止試樣在焊接過程中由于熱應力的作用產(chǎn)生移位[3]。

圖2 試樣尺寸與接頭形式

激光搭接焊工藝參數(shù)主要包括激光功率、焊接速度、離焦量、搭接間隙等。由于Zn的沸點較低為908 ℃，鍍鋅板在搭接焊過程中搭接處表面Zn層會汽化破壞焊縫，使得搭接間隙對焊縫組織影響尤其嚴重[4]，故文中主要探索了搭接間隙對焊縫組織和性能的影響。通過前期探索性試驗選取如下工藝參數(shù)，見表3。

表3 DP780+Z激光焊接工藝參數(shù)

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 焊縫微觀組織結(jié)構(gòu)

焊接接頭區(qū)域主要由中心熔化區(qū)、兩側(cè)熱影響區(qū)和母材區(qū)域組成，焊縫的上下表面寬度即指熔化區(qū)的上、下寬度，分別用a,b表示，尺寸因子σ為下寬度b與上寬度a的比值;a0表示焊縫上表面熔化區(qū)與熱影響區(qū)寬度之和;b0表示焊縫下表面熔化區(qū)與熱影響區(qū)寬度之和;c為焊縫的搭接處寬度;w1,w2表示上下表面熱影響區(qū)的寬度;h1,h2表示焊縫的上下表面余高，定義焊縫凸出板材為正，凹陷為負。焊縫接頭區(qū)域示意圖如圖3所示，焊縫接頭組織形貌如圖4所示。

圖3 焊縫接頭區(qū)域示意圖

圖4 不同搭接間隙的焊縫接頭組織形貌

從圖4可以看出，隨著搭接間隙的增加，熔化區(qū)組織形貌逐漸從“束腰型”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸蓖残汀?。當搭接間隙為0時，鋅蒸汽無法從搭接間隙處溢出，轉(zhuǎn)而從焊縫處溢出，從而使焊縫處出現(xiàn)明顯氣孔；當存在搭接間隙時，焊縫組織形貌較好，焊縫內(nèi)部沒有出現(xiàn)氣孔，且隨著搭接間隙的增加，焊縫上表面凹陷逐漸加大，這是由于板材在焊接過程中迅速熔化并且對搭接間隙進行補充，從而使上表面凹陷。

不同搭接間隙得到的接頭形狀尺寸見表4，可以看到，隨著搭接間隙的增加，焊縫的上表面寬度a先增加后減小，焊縫的下表面寬度b先減小后增加，焊縫的搭接處寬度c逐漸變大，尺寸因子σ先減小后增加，上下表面的余高都由正轉(zhuǎn)負，上表面熱影響區(qū)寬度略有增加，下表面熱影響區(qū)寬度變化不大。

對圖4中標出的區(qū)域組織進行放大觀察，如圖5所示。從焊縫中心向母材的組織變化依次為熔化區(qū)(FZ)、熔合線(FB)、熱影響區(qū)粗晶區(qū)(CGHAZ)、熱影響區(qū)細晶區(qū)(FGHAZ)、臨界熱影響區(qū)(ICHAZ)、低溫熱影響區(qū)(LTHAZ)和母材(BM)。其中熔化區(qū)(FZ)主要由指向焊縫中心的柱狀晶組成，這是由于在焊接過程中熔化區(qū)形成熔池，在快速冷卻時，熔融金屬依附于周圍半熔化固體表面非自發(fā)形核，并以柱狀晶形態(tài)向焊縫中間生長，形成交互結(jié)晶。熔合線(FB)為在激光焊接過程中熔化區(qū)與非熔化區(qū)的分界線，即臨界熔化區(qū)域。熱影響區(qū)(HAZ)則由于距離焊縫遠近不同、受熱程度差異較大也分為熱影響區(qū)粗晶區(qū)、熱影響區(qū)細晶區(qū)、臨界熱影響區(qū)和低溫熱影響區(qū)幾部分。

表4 各組激光搭接焊焊縫形狀尺寸 mm

通過分析接頭組織可知，熔化區(qū)和熔合線主要為粗大的板條馬氏體，熱影響區(qū)粗晶區(qū)和熱影響區(qū)細晶區(qū)主要為鐵素體，較多的馬氏體及少量殘余滲碳體，臨界熱影響區(qū)主要為鐵素體、馬氏體和殘余奧氏體，低溫熱影響區(qū)與母材組織類似，都為鐵素體和馬氏體。其中熔化區(qū)和熔合線為母材熔化和半熔化的區(qū)域，在激光焊高冷卻速度的作用下形成板條狀馬氏體。熱影響區(qū)粗晶區(qū)和細晶區(qū)并沒有熔化，但是經(jīng)歷了完全奧氏體化過程，并且由于粗晶區(qū)靠近熔化區(qū)，溫度較高，奧氏體化較為充分，使得晶粒較細晶區(qū)更大。臨界熱影響區(qū)只經(jīng)歷了部分奧氏體化過程，所以在冷卻過程組織中形成少量的馬氏體和殘余奧氏體。低溫熱影響區(qū)溫度在Ac1點以下，無相變發(fā)生，但可以看到帶狀組織的含量和取向有一定變化，猜測原因可能是由于鐵素體和馬氏體在快速的熱循環(huán)下發(fā)生了含量和組織的轉(zhuǎn)變。

圖5 焊縫接頭顯微組織

2.2 焊接工藝對接頭硬度的影響

焊接接頭各區(qū)域微觀組織不同，從而導致各區(qū)域的顯微硬度也不同，為了分析接頭顯微硬度的變化規(guī)律，選取搭接間隙為0.2 mm對應的接頭組織進行三個方向上的顯微硬度測試，接頭組織形貌和顯微硬度測試結(jié)果如圖6所示。

顯微硬度的測試方向分別如圖6a中路徑a、路徑b和路徑c所示，觀察圖6b和圖6c可知，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的顯微硬度基本呈左右對稱的趨勢，焊縫處顯微硬度較高，一般在450～500 HV之間，沒有出現(xiàn)明顯的軟化區(qū)。

下面就三個不同方向顯微硬度的變化進行具體分析。觀察圖6b可知，從母材到熱影響區(qū)，顯微硬度先增大后減小，這是由于金屬在熱影響區(qū)發(fā)生重結(jié)晶，在空氣中冷卻得到馬氏體以及少量的殘余奧氏體，所以硬度變大，但當距離焊縫較近時，進入熱影響區(qū)粗晶區(qū)，晶粒組織過大，引起硬度下降。當進入熔化區(qū)后，組織變成了板條狀馬氏體，因此硬度與粗晶區(qū)持平。在整個熔化區(qū)內(nèi)，顯微硬度變化不大，但在焊縫中心處，硬度偏低，推測原因為：上板的焊縫中心區(qū)域為直接受熱點，焊接過程完成后最后凝固，并且由于冷卻速度太快，這可能導致組織中的殘余奧氏體含量較高，從而硬度偏低。

圖6c中路徑b的顯微硬度變化趨勢與路徑a接近，但焊縫中心區(qū)域的顯微硬度與兩側(cè)熱影響區(qū)變化不大，其原因可能是由于下板中心熱量相比上板偏低，焊縫中心凝固較快，沒有出現(xiàn)較多殘余奧氏體，從而與熱影響區(qū)硬度接近。觀察圖6d發(fā)現(xiàn)，顯微硬度從上板到下板整體呈增加趨勢，其原因可能為由于下板接收的激光熱輸入比上板少，冷卻速度也較上板快，殘余奧氏體含量相對較低，所以顯微硬度略有上升。

圖6 顯微硬度測試結(jié)果

2.3 焊接工藝對接頭拉剪性能的影響

使用焊接試件進行拉剪試驗時，由前期焊接試樣的斷裂情況可知，標準試樣一般斷裂在遠離焊縫的母材區(qū)，而非標準試樣斷裂在焊縫熱影響區(qū)。標準試樣只能說明在此焊接條件下接頭的抗剪能力大于母材，而非標準試樣所承受的最大抗剪切載荷才真實反應了的焊接狀況，因此，制備非標準試樣來評價焊縫的抗拉剪能力[1]，選取搭接部分的激光焊縫長度為12 mm，焊縫布置方式如圖7所示。

圖7 激光搭接焊焊縫布置方式

不同搭接間隙得到的激光焊縫的力學性能數(shù)值見表5。可以看到，隨著搭接間隙的增加，搭接寬度先緩慢增加，當搭接間隙達到0.3 mm時，搭接面積大幅增加，從而導致搭接面積也呈現(xiàn)先緩慢增加后大幅增加的趨勢。而隨著搭接間隙的增加，焊縫能承受的拉剪載荷也逐漸增加。通過計算可知，焊縫能承受的拉剪應力呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，當搭接間隙為0.2 mm時，激光焊縫的抗剪強度數(shù)值最大，達到了823.2 MPa。

表5 DP780+Z激光搭接焊接頭力學性能

圖8為不同搭接間隙得到的激光焊縫的斷口形貌。其中，編號1～4分別對應搭接間隙為0～0.3 mm的接頭，圖8b為圖8a中局部區(qū)域的放大圖?？梢钥吹?，當搭接間隙小于0.2 mm時，搭接面積較小，焊縫斷在上下板的搭接位置，即熔化區(qū)斷裂；當搭接間隙為0.3 mm時，由于搭接面積較大，承載能力增加，焊縫斷于焊縫附近熱影響區(qū)。

為了對焊縫斷口進行微觀組織分析，選取圖8b中的3號試樣進行掃描電鏡觀察(圖9)。該焊接試樣是由于熔化區(qū)受到剪切力作用而斷裂，通過對斷口進行組織放大可以發(fā)現(xiàn)，斷裂位置出現(xiàn)大量韌窩，表現(xiàn)出一定的塑性，臨近的熱影響區(qū)在拉伸、壓縮等應力作用出現(xiàn)大量的裂紋，所以當搭接面積較小時，熔化區(qū)承載能力不夠，小于附近熱影響區(qū)承載極限，接頭斷裂在熔化區(qū)，此種情況對應搭接間隙為0～0.2 mm的情況；而當搭接面積較大，熔化區(qū)承載能力較大，超過附近熱影響區(qū)材料的承載極限時，焊縫則會在熱影響區(qū)發(fā)生斷裂，對應搭接間隙為0.3 mm的情況。

圖8 不同搭接間隙激光焊縫斷口形貌

圖9 搭接間隙為0.3 mm的激光焊縫斷口組織形貌

3 結(jié) 論

(1)在激光搭接焊中，搭接間隙對焊縫組織形貌影響較大，搭接間隙過小，焊縫出現(xiàn)孔洞缺陷；搭接間隙過大，焊縫凹陷較為嚴重，搭接間隙以0.1～0.2 mm為宜。

(2)焊縫區(qū)域組織：從焊縫中心向母材依次為熔化區(qū)(FZ)、熔合線(FB)、熱影響區(qū)粗晶區(qū)(CGHAZ)、熱影響區(qū)細晶區(qū)(FGHAZ)、臨界熱影響區(qū)(ICHAZ)、低溫熱影響區(qū)(LTHAZ)和母材(BM)。

(3)DP780+Z激光搭接焊試樣顯微硬度呈左右對稱分布，都沒有軟化區(qū)，但上下板分布狀況略有不同，從母材到熱影響區(qū)再到焊縫區(qū)，上板顯微硬度為先增加后下降，下板顯微硬度則逐漸增加。沿焊縫中心測量顯微硬度也顯示，下板顯微硬度較上板略大。焊縫區(qū)硬度區(qū)間為450～500 HV，母材硬度區(qū)間為250～300 HV。

(4)對焊縫進行拉剪性能試驗，當搭接間隙≤0.2 mm時，試樣在焊縫處切斷，當搭接間隙達到0.3 mm時，試樣在焊縫附近處斷裂。且隨著搭接間隙的增加，接頭的搭接面積和抗拉剪載荷逐漸增大，抗剪強度先增加后減小，當搭接間隙為0.2 mm時，接頭的抗剪強度最大，為823.2 MPa。

[1] Wu Q. Research on laser welding of vehicle body[J]. Optics & Laser Technical, 2008, 40: 420-426.

[2] 顧春影. 白車身激光焊接單元設(shè)計與搭接焊接頭性能研究[D]. 長沙: 湖南大學碩士學位論文, 2009.

[3] 梁 行,姜云祿,陳懷寧,等.SUS301L不銹鋼激光搭接焊工藝參數(shù)對焊縫形貌的影響[J].焊接,2017(7):23-28.

[4] 夏明生, 孟根巴根, 梅淑文,等. 鍍鋅板的激光搭接焊性能[J]. 汽車工藝與材料, 2011(11): 35-39.

TG456.70

2017-05-31

劉慶永，1990年出生，碩士。主要從事激光焊接、電阻焊接的試驗研究和分析。已發(fā)表2篇論文。