DP540雙相鋼閃光對(duì)焊接頭的組織與硬度研究

潘 華 丁 凱 霍世宗 趙炳戈 吳 岳 高玉來(lái)

(1.寶山鋼鐵股份有限公司研究院汽車用鋼研究所,上海 201900; 2.汽車用鋼開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 201900; 3.省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200444; 4.上海市鋼鐵冶金新技術(shù)開發(fā)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200444;5.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200444)

近幾十年來(lái)，經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展造成了能源和環(huán)境的矛盾日益突出。為了貫徹政府的節(jié)能減排政策，追求輕量化、節(jié)能、環(huán)保及安全性等指標(biāo)已成為現(xiàn)今汽車制造業(yè)發(fā)展的主要方向。相關(guān)研究表明，汽車自重下降10%可降低油耗6%～8%[1]，通過降低汽車自重達(dá)到減排的目的是最有效的途徑之一。目前，降低汽車自重的途徑主要有兩種，一種是采用鋁合金、復(fù)合材料等輕質(zhì)材料[2]，但由于其造價(jià)昂貴、成形性差等原因，難以在中低端車型中廣泛應(yīng)用；另一種是采用先進(jìn)高強(qiáng)鋼[3- 5](advanced high strength steel, AHSS)，主要包括相變誘導(dǎo)塑性鋼、馬氏體鋼、熱成型鋼、孿晶誘導(dǎo)塑性鋼和雙相鋼等。

雙相鋼具有加工成本低、屈強(qiáng)比低、延性好等特點(diǎn)，已成為汽車制造業(yè)廣泛采用的鋼種之一，本文汽車車輪的重要部件輪輞的材料即為雙相鋼。重型卡車的輪輞大多采用閃光對(duì)焊技術(shù)，閃光對(duì)焊技術(shù)具有效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域[6- 7]。輪輞焊接后，接頭的組織不均勻性大大提高，且焊接參數(shù)的調(diào)整直接影響整個(gè)焊接接頭的性能[8]。有學(xué)者[9- 10]研究了540/590 MPa級(jí)車輪鋼閃光對(duì)焊后接頭的組織，發(fā)現(xiàn)焊接件的熱影響區(qū)由于熱輸入不同，組織形態(tài)會(huì)有較大的差異。Xi等[11]在研究閃光對(duì)焊的焊接接頭的組織與力學(xué)性能的關(guān)系時(shí)，同樣發(fā)現(xiàn)接頭中存在多個(gè)特征區(qū)域，并且提出，由于焊接熱的影響而產(chǎn)生的再結(jié)晶會(huì)嚴(yán)重影響整個(gè)接頭的拉伸性能。因此，對(duì)閃光對(duì)焊的雙相鋼焊接接頭組織與性能的關(guān)聯(lián)性研究尤為重要。

本文對(duì)DP540雙相鋼進(jìn)行了閃光對(duì)焊，采用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡、顯微硬度計(jì)等研究了對(duì)焊接頭的組織與顯微硬度之間的關(guān)系，分析了化學(xué)成分不同的兩種焊接接頭的組織形態(tài)與顯微硬度之間的關(guān)聯(lián)性，為DP540雙相鋼在輪輞上的安全應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為先進(jìn)高強(qiáng)度DP540雙相鋼，具體成分如表1所示。由表1可以看出，1號(hào)和2號(hào)試樣成分中主要是硅和錳含量有差異。在雙相鋼中，硅可以提高鐵素體的連續(xù)性，抑制鏈狀馬氏體的形成，從而使馬氏體區(qū)域難以產(chǎn)生裂紋，提高其韌性。祝志峰等[12]研究了硅對(duì)雙相鋼組織和性能的影響，發(fā)現(xiàn)提高硅含量后雙相鋼中鐵素體的硬度也提高，拉伸性能也有所提高。李勝利等[13]發(fā)現(xiàn)，提高錳含量可以降低雙相鋼的再結(jié)晶溫度。鈮和鈦等微合金化元素的添加具有細(xì)晶強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化的作用[14]。

對(duì)兩種成分的DP540雙相鋼采用相同的工藝焊接，圖1為從焊接件上截取的用于檢驗(yàn)顯微組織和顯微硬度的試樣的外觀。將試樣磨、拋后用4%硝酸酒精溶液腐蝕，用蔡司Imager A2m光學(xué)金相顯微鏡和JSM- 6700F掃描電鏡檢驗(yàn)顯微組織，用MH- 5L顯微硬度計(jì)測(cè)定硬度，試驗(yàn)力為200 g。

表1 DP540雙相鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the DP540 dual- phase steel (mass fraction) %

圖1 1號(hào)和2號(hào)焊接試樣的外觀Fig.1 Appearance of the two types of specimens

2 結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

1號(hào)和2號(hào)焊接試樣的焊縫中心及熱影響區(qū)的顯微組織如圖2和圖3所示。從兩塊焊接試樣的宏觀形貌可以看出，試樣有5個(gè)焊接特征區(qū)，分別為焊縫中心區(qū)、粗晶區(qū)、細(xì)晶區(qū)、過回火區(qū)和母材。Xi等[15]研究了閃光對(duì)焊焊接工藝參數(shù)對(duì)RS590CL鋼焊接接頭組織和性能的影響，發(fā)現(xiàn)焊接接頭同樣有幾個(gè)特征區(qū)域，且各個(gè)特征區(qū)域的寬度隨著焊接工藝參數(shù)的改變而變化。焊縫中心區(qū)組織主要是粗大的鐵素體和板條馬氏體， 粗晶區(qū)的鐵素體較粗大，細(xì)晶區(qū)由于經(jīng)歷了再結(jié)晶，晶粒較細(xì)小，過回火區(qū)受焊接熱的影響較小，部分發(fā)生再結(jié)晶，部分晶粒仍然保持母材區(qū)域的軋制狀態(tài)。兩種試樣特征區(qū)域的組織分別如圖2(b～e)(對(duì)應(yīng)圖2(a)的B～E區(qū)域)和圖3(b～e)(對(duì)應(yīng)圖3(a)的B～E區(qū)域)所示。通過對(duì)比兩種試樣的顯微組織可以發(fā)現(xiàn)，1號(hào)試樣的焊縫中心區(qū)板條馬氏體量較多，2號(hào)試樣焊縫中心區(qū)雖然板條馬氏體量較少，但鐵素體內(nèi)有細(xì)小的二次相，焊接過程中，由于焊接熱的影響，焊接區(qū)域奧氏體化，并在快速冷卻過程中，碳等合金元素從基體中析出，形成二次相碳化物。同樣，2號(hào)試樣鐵素體內(nèi)也有細(xì)小的二次相。細(xì)小二次相的存在可提高粗大鐵素體在拉伸試驗(yàn)過程中的抗變形能力[16]。熱影響區(qū)的組織表明，2號(hào)試樣的晶粒及島狀馬氏體的尺寸均小于1號(hào)試樣，細(xì)小的晶粒及二次相可同時(shí)提高基體的韌性和強(qiáng)度。1號(hào)和2號(hào)試樣焊縫母材區(qū)域的組織如圖4所示。從圖4可以看出，1號(hào)試樣的鐵素體和馬氏體尺寸均明顯大于2號(hào)試樣。白山等[17]研究了硅對(duì)雙相鋼回復(fù)和再結(jié)晶的影響，發(fā)現(xiàn)，硅可以顯著延緩雙相鋼的回復(fù)及再結(jié)晶過程，使再結(jié)晶后的鐵素體平均晶粒尺寸減小，除了合金元素的作用，熱處理工藝的差異也會(huì)產(chǎn)生晶粒尺寸的差異[18]。Nouri等[19]研究了硅在雙相鋼中的作用，發(fā)現(xiàn)提高硅含量可減少雙相鋼中的馬氏體量，因此，1號(hào)和2號(hào)試樣在化學(xué)成分上的差異可能是導(dǎo)致其組織存在差異的原因。

圖2 1號(hào)試樣焊接接頭的顯微組織Fig.2 Microstructures of the welded joint for the specimen No.1

此外，還采用掃描電鏡研究了兩種試樣焊縫特征區(qū)域的組織特征，發(fā)現(xiàn)，兩種試樣的組織差異主要發(fā)生在焊縫中心區(qū)、粗晶區(qū)及母材區(qū)。由于焊縫中心區(qū)的組織特征與粗晶區(qū)相似，因此對(duì)試樣的顯微組織觀察主要集中在粗晶區(qū)和母材區(qū)。圖5和圖6分別為1號(hào)和2號(hào)試樣粗晶區(qū)和母材區(qū)的顯微組織。圖5表明，兩種試樣的粗晶區(qū)均為粗大的鐵素體和馬氏體雙相組織，值得注意的是，2號(hào)試樣粗晶區(qū)的鐵素體內(nèi)有較明顯的二次相粒子，結(jié)合能譜分析可知，該二次相為島狀馬氏體，1號(hào)試樣粗晶區(qū)中鐵素體內(nèi)未發(fā)現(xiàn)有明顯的二次相。對(duì)比兩種試樣母材區(qū)的微觀組織發(fā)現(xiàn)，1號(hào)試樣母材區(qū)有尺寸較大的塊狀馬氏體，而2號(hào)試樣的馬氏體較為細(xì)小。同時(shí)，1號(hào)試樣的塊狀馬氏體為板條結(jié)構(gòu)，鐵素體也較2號(hào)試樣粗大，2號(hào)試樣母材區(qū)域的鐵素體內(nèi)有細(xì)小的二次相。Sodjit等[20]研究了雙相鋼組織與應(yīng)變強(qiáng)化行為的關(guān)系，認(rèn)為細(xì)小的鐵素體、適當(dāng)體積分?jǐn)?shù)的島狀馬氏體可有效提高雙相鋼的強(qiáng)度。Bergstr?m等[21]認(rèn)為， 不同強(qiáng)度級(jí)別的雙相鋼的屈服應(yīng)力差別與鐵素體的晶粒尺寸以及馬氏體的分布有關(guān)。

圖3 2號(hào)試樣焊接接頭的顯微組織Fig.3 Microstructures of the welded joint for the specimen No.2

圖4 試樣焊接接頭母材區(qū)的顯微組織Fig.4 Microstructures in base metal zone of the welded joint of the specimens

圖5 試樣焊縫粗晶區(qū)的顯微組織Fig.5 Microstructures in the coarse grain zone of weld of the specimens

圖6 焊接試樣母材區(qū)域顯微組織Fig.6 Microstructures in the base metal of weld of the specimens

2.2 硬度

圖7為1號(hào)和2號(hào)試樣焊接接頭的顯微硬度分布。圖7表明，兩種試樣的焊縫中心硬度最高，1號(hào)試樣母材區(qū)的顯微硬度為150～180 HV0.2，波動(dòng)較大，這與1號(hào)試樣母材區(qū)尺寸較大的塊狀馬氏體有關(guān)。2號(hào)試樣的母材區(qū)顯微硬度為150～165 HV0.2，波動(dòng)程度明顯低于1號(hào)試樣，細(xì)小的馬氏體和鐵素體組織是該區(qū)域顯微硬度波動(dòng)較小的主要原因。兩種試樣的粗晶區(qū)為硬度的過渡區(qū)，1號(hào)試樣的顯微硬度從焊縫中心的最高值190 HV0.2迅速降低至180 HV0.2以下，并且粗晶區(qū)硬度波動(dòng)較大。而2號(hào)試樣粗晶區(qū)至細(xì)晶區(qū)的硬度過渡較為平緩，這與該區(qū)域的鐵素體內(nèi)有島狀馬氏體有關(guān)。

圖7 試樣焊接接頭的顯微硬度分布Fig.7 Microhardness distribution in the welded joint of the specimens

3 結(jié)論

(1)閃光對(duì)焊的DP540雙相鋼焊接接頭共有5個(gè)特征區(qū)域，分別為焊縫中心區(qū)域、粗晶區(qū)、細(xì)晶區(qū)、過回火區(qū)和母材區(qū)。1號(hào)和2號(hào)試樣的焊縫中心區(qū)、粗晶區(qū)和母材區(qū)均存在較大的組織差異。

(2)1號(hào)和2號(hào)試樣焊縫中心區(qū)的硬度均最高，從焊縫中心到熱影響區(qū)，1號(hào)試樣的硬度較明顯下降，2號(hào)試樣的硬度則是緩慢降低。1號(hào)試樣的母材區(qū)硬度較高且波動(dòng)較大。

(3)2號(hào)試樣焊縫中心區(qū)及粗晶區(qū)有含島狀馬氏體的鐵素體，1號(hào)試樣則沒有明顯的含二次相的鐵素體，因此2號(hào)試樣具有更好的抗變形性能，島狀馬氏體的存在是2號(hào)試樣硬度緩慢降低的主要原因。兩種試樣母材區(qū)的硬度差異則與其中的馬氏體形態(tài)有關(guān)。因此，為了達(dá)到力學(xué)性能要求，應(yīng)精確控制DP540雙相鋼的化學(xué)成分，以優(yōu)化DP540雙相鋼閃光對(duì)焊接頭的組織形態(tài)。