1000 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼焊接接頭微觀組織與力學(xué)性能分析

杜天宇，張才華，史根豪，白瑞召

(1.河鋼集團(tuán)邯鋼公司生產(chǎn)制造部，河北 邯鄲 056000； 2.河鋼集團(tuán)邯鋼公司技術(shù)中心，河北 邯鄲 056000；3.河鋼集團(tuán)邯鋼公司邯寶冷軋廠，河北 邯鄲 056000)

近年來(lái)，隨著輕量化概念的提出，各大汽車主機(jī)廠對(duì)車身輕量化、車身安全性、汽車節(jié)能減排環(huán)保格外重視。鋼鐵作為汽車行業(yè)的重要材料，主要用于結(jié)構(gòu)件、加強(qiáng)件、內(nèi)外面板件和懸掛組件，為了滿足汽車減重以及擁有良好的安全性能，一些復(fù)相鋼、相變誘導(dǎo)塑性鋼、QP鋼、雙相鋼等高強(qiáng)塑積的先進(jìn)高強(qiáng)鋼逐漸得到汽車行業(yè)的關(guān)注。其中高強(qiáng)雙相鋼以復(fù)合材料概念為設(shè)計(jì)理念，將強(qiáng)韌的馬氏體或貝氏體引入到高延性的鐵素體基體中，從而起到強(qiáng)化的作用，這種特殊的組織特征決定了雙相鋼具有強(qiáng)度高、屈強(qiáng)比低、初始加工硬化速率高，強(qiáng)度和延性匹配好的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于汽車車身結(jié)構(gòu)件和加強(qiáng)件[1-3]。以往生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)焊接研究對(duì)退火后冷軋成品研究較多，對(duì)退火前的冷硬態(tài)焊接研究較少[4-10]。此外，工業(yè)搭接焊屬于電阻焊，電阻焊特性是與焊接鋼中的成分、規(guī)格有很強(qiáng)的相關(guān)性，其焊縫及熱影響區(qū)的組織復(fù)雜。因此本文對(duì)1000 MPa級(jí)超高強(qiáng)鋼HC550/980DP進(jìn)行了退火前狀態(tài)的工業(yè)搭接焊接試驗(yàn)，通過(guò)觀察焊接接頭的形貌特征，結(jié)合力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果，分析了焊縫及焊接熱影響區(qū)微觀組織及力學(xué)性能的關(guān)系，以期為工業(yè)生產(chǎn)超高強(qiáng)鋼搭接焊提供一定依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料成分及性能

試驗(yàn)材料為未退火的酸軋冷硬卷，牌號(hào)HC550/980DP，厚度1.2 mm，試驗(yàn)材料的化學(xué)成分如表1所示，其余為Fe及不可避免的雜質(zhì)元素，HC550/980DP冷硬態(tài)力學(xué)性能如表2所示。

表1 試驗(yàn)材料化學(xué)成分 單位：%

表2 冷硬態(tài)HC550/980DP性能

1.2 焊接工藝參數(shù)

采用某鋼廠TMEIC型號(hào)窄搭接焊機(jī)，其焊輪尺寸直徑320 mm，厚度20 mm，將兩塊試板互相重疊裝配成搭接接頭，進(jìn)行五組焊接溫度1150 ℃滾動(dòng)焊接試驗(yàn)，其搭接焊的工藝參數(shù)搭接量、補(bǔ)償量、焊接速度、焊接壓力、焊接電流設(shè)定如表3 所示。

表3 試驗(yàn)材料焊接工藝參數(shù)

1.3 試驗(yàn)檢測(cè)

對(duì)焊縫進(jìn)行杯突試驗(yàn)，并將焊接良好的典型焊接試樣按照國(guó)標(biāo)采用線切割制成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，在 INSPEK TABLE100型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行接頭拉伸實(shí)驗(yàn)；從焊縫截取一定長(zhǎng)度的樣品制作金相試樣，使用德國(guó)ZEISS公司所產(chǎn)的型號(hào)Axiovert200 MAT金相顯微鏡觀察焊縫及熱影響區(qū)的微觀組織形貌；使用顯微硬度計(jì)對(duì)試樣焊縫進(jìn)行維氏硬度檢測(cè)，從母材一側(cè)沿著焊縫方向每隔0.2 mm進(jìn)行加載至另一側(cè)母材，加載載荷500 g，加載時(shí)間20 s；并利用ZEISS ULTRA55掃描電子顯微鏡觀察組織及拉伸斷口形貌。

2 焊接試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 焊縫宏觀形貌分析及檢驗(yàn)

2.1.1 宏觀形貌

采取上述工藝制得的焊縫宏觀形貌如圖1、圖2所示。圖中可以看出，采取序號(hào)1、2工藝制得的焊縫試樣宏觀上由于搭接量小、補(bǔ)償量不足導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)側(cè)邊部出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，如圖1(a)所示。序號(hào)3工藝制得的焊縫試樣出現(xiàn)操作側(cè)沿焊縫開(kāi)裂，主要是壓力小導(dǎo)致，如圖1(b)所示。序號(hào)4工藝制得的焊縫試樣由于電流過(guò)大出現(xiàn)焊穿現(xiàn)象，如圖1(c)所示；采取序號(hào)5工藝制得焊縫宏觀形貌良好，未出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的缺陷，如圖2所示。

(a)驅(qū)動(dòng)側(cè)邊部出現(xiàn)開(kāi)裂

圖2 焊縫宏觀良好形貌

2.1.2 杯突實(shí)驗(yàn)

對(duì)工藝5制得的宏觀形貌良好的焊縫進(jìn)行杯突試驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，杯突沖口宏觀表現(xiàn)成形性良好，未延焊縫方向平行開(kāi)裂，形貌垂直于焊縫或呈開(kāi)花狀破裂，根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)焊接質(zhì)量的判定原則：開(kāi)裂處不在焊縫上，或者是開(kāi)裂處與焊縫呈現(xiàn)垂直的狀態(tài)，表明焊接合格。

圖3 焊縫合格

2.2 焊縫微觀組織形貌分析

HC550/980DP雙相鋼是通過(guò)熱軋后冷軋獲得的冷硬態(tài)超高強(qiáng)鋼，焊接過(guò)程的快速加熱和快速冷卻會(huì)使得母材中的鐵素體和珠光體組織發(fā)生變化。在焊接過(guò)程中，熔池中熱量傳遞主要以對(duì)流為主，而在焊接熱影響區(qū)熱量傳遞主要以熱傳導(dǎo)為主，因此在焊接試板中距離熱源中心不同距離的位置所經(jīng)歷的熱循環(huán)不同。采用焊接試驗(yàn)工藝5參數(shù)條件下HC550/980DP焊接接頭金相組織如圖4、圖5所示。從圖4中可以觀察到搭接焊接頭由焊縫區(qū)(WZ)、熱影響區(qū)(HAZ)和未發(fā)生相變的母材(BM)組成，其中WZ與HAZ、HAZ與BM的分界明顯。

圖4 焊縫接頭形貌

圖5(a)可觀察母材明顯呈軋制態(tài)，組織為鐵素體和珠光體組織。相比于母材組織，由圖4和圖5(b)可以看出，焊縫中心微觀組織主要由粗大的板條馬氏體組成，部分區(qū)域呈現(xiàn)柱狀晶形態(tài)，沿著最大溫度梯度方向(近似垂直于熔合線)分布。在焊接過(guò)程中由于焊縫的冷卻速度極快，因此在快速冷卻時(shí)形成了粗大的板條馬氏體組織。隨距焊縫中心線距離不斷增加，馬氏體含量逐漸減少，并開(kāi)始出現(xiàn)貝氏體和少量的鐵素體組織。

雙相鋼焊接接頭熱影響區(qū)主要可分為粗晶區(qū)、細(xì)晶區(qū)和兩相區(qū)，金相下的微觀組織形貌分別見(jiàn)圖 5(c)圖 5(d)所示，掃描下的微觀組織形貌見(jiàn)圖6(a)和圖6(b)。由圖可知，粗晶熱影響區(qū)靠近焊縫，離焊點(diǎn)中心熱源較近，在熱循環(huán)過(guò)程中峰值溫度遠(yuǎn)高于 Ac3且接近于固相線，并且在 Ac3以上停留時(shí)間較長(zhǎng)，奧氏體晶粒顯著長(zhǎng)大，另一方面由于高溫停留時(shí)間長(zhǎng)，碳有足夠的時(shí)間在奧氏體中擴(kuò)散使奧氏體中的碳分布均勻化，所以在焊接后快速冷卻過(guò)程中，形成了粗大的板條馬氏體和貝氏體組織。

(a)母材組織

由于母材在焊前是冷硬態(tài)，帶鋼溫度較低，細(xì)晶區(qū)離焊點(diǎn)中心熱源較遠(yuǎn)，在焊接熱循環(huán)過(guò)程中峰值溫度略高于Ac3，在此區(qū)域內(nèi)的組織發(fā)生了相變重結(jié)晶過(guò)程，且高溫停留時(shí)間較短，組織來(lái)不及長(zhǎng)大，冷卻后得到的是細(xì)小的板條馬氏體和貝氏體，明顯不同于冷變形后軋制態(tài)的母材組織。在圖5(d)和圖6(b)中還可以看到少量的等軸狀鐵素體，說(shuō)明此區(qū)域內(nèi)發(fā)生了不完全重結(jié)晶過(guò)程，即峰值溫度在 Ac1～Ac3之間，升溫溫度超過(guò) Ac1后，母材中的一部分珠光體或鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變，但由于其峰值溫度沒(méi)有達(dá)到完全奧氏體化的溫度，所以在冷卻過(guò)程中形成了細(xì)小的板條馬氏體和貝氏體，而另一部分則未發(fā)生相變，以初始組織保留下來(lái)，共同組成了兩相區(qū)。

(a)粗晶區(qū)

2.3 硬度試驗(yàn)

使用顯微硬度計(jì)對(duì)工藝5的焊縫試樣進(jìn)行維氏硬度分析，硬度結(jié)果如圖7所示，以焊縫中心為對(duì)稱軸硬度值呈近似對(duì)稱分布。圖中可以看出，母材的硬度值為420～435 HV，焊縫區(qū)出現(xiàn)了顯著的硬化，平均值為452 HV。結(jié)合上述組織觀察發(fā)現(xiàn)，焊縫區(qū)主要為板條馬氏體組織。焊接過(guò)程中能量大，帶鋼熔融后，由于冷速快，很容易生成硬脆的馬氏體組織，體現(xiàn)出極高的硬度。而在帶鋼的熱影響區(qū)則出現(xiàn)了硬度值低于母材的現(xiàn)象，且距離焊縫中心越遠(yuǎn)，硬度值逐漸升高，直至達(dá)到母材硬度值。結(jié)合上述組織表征可以得出，粗晶區(qū)由于其組織粗大，硬度明顯低于焊縫中心，而細(xì)晶區(qū)和兩相區(qū)由于其組織的細(xì)化，硬度逐漸升高。

圖7 顯微硬度

2.4 力學(xué)性能及斷口分析

2.4.1 拉伸性能

對(duì)工藝5的焊縫拉伸試樣進(jìn)行了三次拉伸試驗(yàn)，拉伸性能結(jié)果如表4所示，宏觀斷裂位置見(jiàn)圖8。從表4中可以看出，三組試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)穩(wěn)定，抗拉強(qiáng)度約為1274 MPa，低于母材抗拉強(qiáng)度80 MPa左右，延伸率約為2%。從圖8中看出斷裂位置在焊接熱影響區(qū)的粗晶區(qū)，結(jié)合粗晶區(qū)組織粗大的特征，說(shuō)明此區(qū)域?yàn)楹附咏宇^的薄弱環(huán)節(jié)，容易引起斷裂。

表4 拉伸性能

圖8 母材及焊接接頭拉伸試樣的典型斷裂位置

2.4.2 斷口分析

對(duì)焊縫拉伸樣試樣的斷口形貌進(jìn)行SEM觀察，能清晰地看到細(xì)密的韌窩和連續(xù)的裂紋，見(jiàn)圖9 和圖 10。從圖中可以看出，拉伸斷口上出現(xiàn)了韌窩形貌和解理裂紋形貌，說(shuō)明在拉伸過(guò)程中展現(xiàn)了韌性斷裂和脆性斷裂兩種特征。試樣在正應(yīng)力(垂直于斷面的最大主應(yīng)力)的均勻作用下，在某些缺陷位置或粗大晶粒的晶界處產(chǎn)生局部的應(yīng)力集中，從而形成大量的微孔，微孔逐漸長(zhǎng)大直至合并，進(jìn)而形成裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展。

圖9 脆性斷裂形貌分析

圖10 韌性斷裂形貌分析

3 結(jié)論

(1)HC550/980DP冷硬雙相高強(qiáng)鋼在搭接量1.04 mm、補(bǔ)償量1.15 mm、焊接速度12.8 m/min、焊接壓力18 kN、焊接溫度1150 ℃、焊接電流15.9 A焊接參數(shù)條件下有良好的焊接性，焊縫宏觀形貌良好。

(2)HC550/980DP焊縫接頭由焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材組成。焊縫中心微觀組織主要由板條馬氏體組成，焊縫熱影響區(qū)主要?jiǎng)澐譃榇志^(qū)、細(xì)晶區(qū)和兩相區(qū)，粗晶區(qū)的組織主要由粗大的板條馬氏體和貝氏體構(gòu)成，而細(xì)晶區(qū)和兩相區(qū)的組織則出現(xiàn)了少量的鐵素體。受焊接熱循環(huán)過(guò)程的影響，焊縫中心表現(xiàn)出較高硬度，平均值約452 HV，而熱影響區(qū)硬度則呈現(xiàn)軟化現(xiàn)象。

(3)試驗(yàn)焊接參數(shù)下HC550/980DP焊縫拉伸試樣的抗拉強(qiáng)度低于母材抗拉強(qiáng)度約80 MPa，延伸率相差不大，拉伸過(guò)程中展現(xiàn)了韌性斷裂和脆性斷裂兩種特征。