熱沖壓成形鋼與雙相鋼點(diǎn)焊接頭組織及顯微硬度分析

孟根巴根，趙 光，許 曉，林 果

(唐山鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司，河北 唐山 063016)

近年來，隨著人們對(duì)能源和環(huán)境危機(jī)的重視，作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)的汽車工業(yè)發(fā)展遇到了新的瓶頸，輕量化作為降低油耗和廢氣排放的主要措施應(yīng)運(yùn)而生。作為輕量化的有效手段，各種成形性佳、強(qiáng)度高的先進(jìn)高強(qiáng)鋼受到廣泛關(guān)注[1-2]。

熱成形鋼因其超高強(qiáng)度、極佳塑性成形性、高能量吸收率和高尺寸精度的優(yōu)點(diǎn)已為成為提高汽車碰撞性能和車身減輕的主要應(yīng)用材料，也是目前汽車車身所用強(qiáng)度最高的材料?，F(xiàn)有數(shù)據(jù)來看，熱成形鋼在汽車車身制造中的應(yīng)用比例逐漸增多，用量還有持續(xù)增強(qiáng)的趨勢(shì)[3-5]。

汽車白車身制造過程中各個(gè)零部件間的最主要連接方式是電阻點(diǎn)焊，一輛汽車上5000～6000個(gè)焊點(diǎn)質(zhì)量的好壞直接影響車身的各項(xiàng)性能[6-7]。承載汽車安全性的主要結(jié)構(gòu)件的材料為熱成形超高強(qiáng)度鋼，與其連接的材料多為雙相鋼。熱沖壓成形用鋼的內(nèi)部組織為細(xì)小的板條馬氏體，因此其強(qiáng)度和硬度都很高，但由于其碳當(dāng)量較高，因此在焊接過程中會(huì)遇到一系列問題。本文以1.8 mm厚T1500HS熱成形鋼和1.3 mm 厚DP600雙相鋼焊點(diǎn)為研究對(duì)象，分析了不同焊接工藝下點(diǎn)焊接頭的組織及顯微硬度變化，以期為科技研究和生產(chǎn)加工提供理論支撐和經(jīng)驗(yàn)參考。

1 試驗(yàn)材料及焊接工藝

1.1 試驗(yàn)材料

本研究所采用的試驗(yàn)材料為河鋼唐鋼生產(chǎn)的熱成形鋼T1500HS和冷軋退火雙相鋼DP600，其主要成分和拉伸性能分別列于表1和表2中。從中可以看出兩個(gè)鋼種的化學(xué)成分和力學(xué)性能存在較大差異，因而其點(diǎn)焊連接存在一定的挑戰(zhàn)性。

表1 試驗(yàn)鋼種的化學(xué)成分(wt%)

表2 試驗(yàn)鋼種的拉伸性能

1.2 焊接工藝

電阻點(diǎn)焊的工藝參數(shù)如表3所示，參數(shù)中電極壓力、焊接時(shí)間、冷卻時(shí)間、保持時(shí)間和脈沖數(shù)保持不變，而僅改變焊接電流的大小。焊點(diǎn)接頭由線切割沿橫截面加工后鑲嵌為測(cè)試樣品，宏觀形貌由Axio Scope A1體視顯微鏡觀察，顯微組織由 Axio-Lab.A1-W-1金相顯微鏡測(cè)試并采用Tukon2500 硬度計(jì)測(cè)試焊點(diǎn)接頭的顯微硬度。

表3 焊接工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 接頭顯微組織特征

兩種不等厚異種鋼板使用電阻點(diǎn)焊方式進(jìn)行連接，通過分析焊接接頭的組織特征和性能來評(píng)價(jià)其焊接性。焊點(diǎn)接頭由焊核區(qū)(FZ)、熱影響區(qū)(HAZ)和母材區(qū)(BM)三個(gè)區(qū)域構(gòu)成，其中焊核為母材金屬在焊接過程中受熱熔化再經(jīng)冷卻凝固形成，熱影響區(qū)經(jīng)歷的熱循環(huán)低于金屬熔點(diǎn)，但組織較母材已發(fā)生了改變，母材區(qū)未經(jīng)歷焊接熱循環(huán)，組織未發(fā)生轉(zhuǎn)變。圖1為焊點(diǎn)接頭T1500HS側(cè)宏觀形貌，同雙相鋼DP600比，熱成形鋼T1500HS具有更高的電阻率和熱導(dǎo)率，所以其熱影響區(qū)寬度更大。

熱成形鋼T1500HS母材淬火后為完全的馬氏體組織(M)(圖1b和圖2a)。而熱影響區(qū)根據(jù)焊接過程中經(jīng)歷的不同熱循環(huán)分為 HAZ1、HAZ2、HAZ3三個(gè)區(qū)域(圖1中c、d、e)?？拷覆牡臒嵊绊憛^(qū)HAZ1(圖1c和圖2b)在焊接過程中所經(jīng)歷的峰值溫度低于Ac1，組織未達(dá)到奧氏體狀態(tài)，僅發(fā)生回火轉(zhuǎn)變形成回火馬氏體。與其相鄰的熱影響區(qū)HAZ2(圖1d和圖2c)經(jīng)歷熱循環(huán)的最高溫度則處于Ac1～ Ac3兩相區(qū)之間，部分馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，冷卻后形成鐵素體和馬氏體的混合組織，鐵素體在光學(xué)顯微鏡下顏色較亮，在圖1d區(qū)域的熱影響區(qū)HAZ2同其他區(qū)域可以很容易區(qū)分開來。靠近焊核區(qū)的熱影響區(qū)HAZ3焊接熱循環(huán)的最高值則高于Ac3而低于金屬的熔點(diǎn)，該區(qū)組織在焊接時(shí)會(huì)完全奧氏體化，并在隨后的快速冷卻過程中轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的馬氏體組織(圖1e和圖2d)。至于焊核區(qū)(圖1f和圖2e)，組織熱循環(huán)溫度高于金屬熔點(diǎn)，焊接過程中組織轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，隨后冷卻形成典型的柱狀晶結(jié)構(gòu)[8]。

圖1 點(diǎn)焊接頭T1500HS側(cè)宏觀形貌

焊點(diǎn)雙相鋼DP600側(cè)各區(qū)域宏觀形貌如圖3所示。DP600的母材組織為鐵素體和馬氏體混合組織(圖3b和圖4a)。其熱影響區(qū)與T1500HS一側(cè)類似，也分為HAZ1、HAZ2和HAZ3三個(gè)區(qū)域，只是各個(gè)區(qū)域的組織構(gòu)成和形貌有所差別?？拷覆牡腍AZ1熱影響區(qū)熱循環(huán)最高溫度低于Ac1，組織中馬氏體發(fā)生回火轉(zhuǎn)變，鐵素體變化不大，最終組織為鐵素體+回火馬氏體的混合組織(圖3c和圖4b)。熱循環(huán)最高溫度處于Ac1～Ac3之間的熱影響區(qū)HAZ2(圖3d和圖4c)一部分組織發(fā)生了相變重結(jié)晶，成為晶粒細(xì)小的鐵素體和馬氏體，而另一部分鐵素體未被奧氏體化，受熱成長(zhǎng)為粗大的鐵素體。所以該區(qū)域晶粒大小不一組織不均勻?？拷负说臒嵊绊憛^(qū)HAZ3(圖3e和圖4d)熱循環(huán)最高溫度高于Ac3，組織完全奧氏體化后，快速冷卻為細(xì)小的馬氏體和少量鐵素體組織。而高于金屬熔點(diǎn)的焊核區(qū)域(圖3f和圖4e)組織則為熔化后快速凝固形成的粗大板條馬氏體。

(a)母材 (b)HAZ1

(c)HAZ2 (d)HAZ3

(e)熔合區(qū)圖2 點(diǎn)焊接頭T1500HS側(cè)顯微組織

2.2 接頭顯微硬度分析

焊點(diǎn)接頭的顯微硬度測(cè)試位置如圖5中的綠色虛線所示，選取1#、2#、3#和4#四個(gè)不同工藝條件下的焊點(diǎn)來表征焊接參數(shù)變化對(duì)接頭顯微硬度分布的影響，各個(gè)焊點(diǎn)顯微硬度分布曲線見圖6-焊點(diǎn)顯微硬度分布曲線。

圖3 點(diǎn)焊接頭DP600側(cè)宏觀形貌

(a)母材 (b)HAZ1

(c)HAZ2 (d)HAZ3

(e)熔合區(qū)圖4 點(diǎn)焊接頭DP600側(cè)顯微組織

圖5 焊點(diǎn)顯微硬度測(cè)試位置

從圖6中可以看出，在焊點(diǎn)的熱成形鋼一側(cè)，不同的焊接電流情況下，焊核區(qū)域和母材的硬度值均在470 HV左右，無(wú)明顯差異，這是由于兩個(gè)區(qū)域都為相同的馬氏體組織結(jié)構(gòu)。但是在四種不同的焊接電流下焊點(diǎn)的焊核區(qū)顯微硬度值有明顯的變化，在四種電流參數(shù)下，隨著焊接電流的增加焊核區(qū)硬度也增大。這是由于材料凝固收縮不一樣導(dǎo)致產(chǎn)生了焊核偏移到熱成形鋼側(cè)，而且在焊接熱輸入較大的情況下，馬氏體組織的顯微硬度主要受碳當(dāng)量的影響，焊核處形成了晶粒粗大的板條馬氏體，因此造成了電流越大焊核區(qū)硬度越高。

所有焊接工藝條件下T1500HS一側(cè)的熱影響區(qū)均出現(xiàn)了明顯的軟化區(qū)域，其硬度均值在320 HV左右，明顯低于其母材金屬的470 HV。根據(jù)B. WANG 等人研究，熱成形鋼軟化區(qū)形成的主要原因是該區(qū)馬氏體組織回火和不完全的奧氏體冷卻形成的鐵素體所致[9-10]，由圖2中的b和c可以看出，T1500HS的熱影響區(qū)HAZ1和HAZ2分別出現(xiàn)了回火馬氏體和馬氏體+鐵素體的混合組織，所以可以判定焊點(diǎn)T1500HS一側(cè)的熱影響區(qū)軟化發(fā)生在這兩個(gè)區(qū)域。而靠近焊核的 HAZ3 區(qū)域形成了細(xì)小均勻的馬氏體組織，所以其硬度較母材有了大幅提升，也成為整個(gè)接頭中硬度最高的區(qū)域?？拷鼰嵊绊憛^(qū)的焊核部位由于冷速很快形成了粗大的板條馬氏體，碳元素基本固溶于其組織中，所以其顯微硬度稍高于母材，而接近焊核中心部位的焊核區(qū)金屬由于和DP600成分混合碳當(dāng)量下降，所以其硬度也有所降低。

在焊點(diǎn)的DP600雙相鋼一側(cè)，其顯微硬度自母材、熱影響區(qū)到焊核逐漸增大。母材的組織為鐵素體和馬氏體混合組織，因而其硬度較低(僅為220 HV左右)，越靠近焊核中心，熱影響區(qū)組織在焊接過程中經(jīng)歷的最高熱循環(huán)物濃度越大，轉(zhuǎn)變后的組織馬氏體含量越多，因而硬度也越高。

圖6 顯微硬度分布

3 結(jié)論

1)焊點(diǎn)自母材、熱影響區(qū)到焊核區(qū)域，T1500HS一側(cè)的顯微組織依次為：馬氏體(BM)、回火馬氏體(HAZ1)、鐵素體+馬氏體(HAZ2)、細(xì)晶馬氏體(HAZ3)、板條狀馬氏體(FZ)；DP600一側(cè)依次為：鐵素體+少量馬氏體(BM)、鐵素體+馬氏體(HAZ1)、細(xì)小鐵素體+馬氏體(HAZ2)、馬氏體+少量鐵素體(HAZ3)、板條狀馬氏體(FZ)；

2)焊點(diǎn)DP600一側(cè)的顯微硬度自母材、熱影響區(qū)到焊核中心，顯微硬度逐漸增大，而在T1500HS一側(cè)則呈現(xiàn)先減小后升高再下降的趨勢(shì)，熱影響區(qū)出現(xiàn)了明顯軟化現(xiàn)象，焊核中心部位由于和DP600成分混合硬度值也較母材有所下降。