低碳視野下無鍍層熱成形鋼的激光拼焊研究

王舟 李昭 龐佳琛 陳震 王建鋒

作者簡介：王舟（1994—），男，博士學位，研究方向為結(jié)構(gòu)用先進金屬材料。

參考文獻引用格式：

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WANG Z， LI Z， PANG J C， et al. Research on Laser Welding of Coating-free Thermoformed Steel with Low Carbon Vision[J]. Automobile Technology & Material， 2024（6）： 36-43.

摘要：研究了低碳足跡的無鍍層熱成形鋼激光拼焊及其與鋁硅鍍層熱成形鋼之間的激光拼焊，結(jié)果表明：無鍍層熱成形鋼可在沒有預剝離或填絲的條件下與自身或鋁硅鍍層熱成形鋼焊接獲得高質(zhì)量的激光拼焊焊縫，在單向拉伸試驗中，拉伸斷裂均發(fā)生在遠離焊縫位置；在缺口沖擊試驗中，無鍍層鋼與鋁硅鍍層鋼之間的焊縫沖擊功維持在基材沖擊功的86%。無鍍層鋼與鋁硅鍍層鋼之間焊縫的微觀組織主要為馬氏體和少量因鋁硅熔入焊縫形成的鐵素體。焊縫硬度與鋁硅鍍層鋼基材相當，未發(fā)現(xiàn)軟區(qū)。最后，結(jié)合熱力學及相轉(zhuǎn)變動力學計算，分析了無鍍層鋼與鋁硅鍍層鋼之間獲得高質(zhì)量激光拼焊焊縫的機理：無鍍層熱成形鋼稀釋了熔入焊縫中鋁硅的濃度，避免因高溫形成大量富鋁硅的脆性鐵素體；無鍍層鋼中添加的合金元素Cr可以提高焊縫的淬透性，在熱沖壓冷卻過程中獲得全馬氏體微觀組織，保證焊縫強度。

關(guān)鍵詞：熱成形鋼 汽車用高強鋼 激光拼焊 微觀組織

中圖分類號：U466? ? 文獻標志碼：B? ? DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240103

Research on Laser Welding of Coating-free Thermoformed Steel

with Low Carbon Vision

Wang Zhou， Li Zhao， Pang Jiachen， Chen Zhen， Wang Jianfeng

（General Motors China Science Lab， Shanghai 201206）

Abstract： This article studied laser welding of the coating-free press hardened steels （CFPHS） with low carbon footprint and laser welding of aluminum-silicon coating press hardened steels （CFPHS）. The study shows that both CFPHS-to-CFPHS and CFPHS-to-AlSi-coated PHS do not require filler wire and laser ablation. Both weldments demonstrate good tensile ductility， with fracture occurring away from the weld seam. Besides， CFPHS-to-AlSi-coated PHS shows high Charpy V-notch impact toughness of 86% of bulk metal. Furthermore， microstructure analysis was conducted on CFPHS-to-AlSi-coated PHS： Microstructure of weld zone is mainly martensite with very small amount of ferrite， consistent with the hardness being as high as bulk metal. Finally， thermodynamics and phase transformation kinetics were used to study the weld seam between CFPHS and AlSi-coated PHS： （1） CFPHS reduces the Al and Si content from coating contamination during weld fusion， avoiding or reducing the formation of brittle AlSi-rich ferrite at high temperatures; （2） Cr alloying improves the hardenability of the weld seam， thus full martensitic microstructure can be obtained during die quenching of hot forming， which guarantees the high hardness of the weld seam.

Key words： Thermoformed steel， Automotive high strength steel， Laser welding， Microstructure

1 前言

隨著全社會對環(huán)境保護的日益關(guān)注，汽車產(chǎn)業(yè)不斷追求低碳化[1-3]。汽車產(chǎn)業(yè)碳排放的主要來源包括礦石開采、金屬冶煉及加工、零件制造、車輛組裝、車輛行駛、報廢及回收等。在不久的未來，電動汽車以及清潔能源的推廣可大幅降低車輛行駛中的碳排放，而碳排放的主要來源將集中在原材料開采、金屬冶煉及材料加工。

對回收金屬進行保級或升級的再生利用，有助于實現(xiàn)“地球礦山”向“城市礦山”的轉(zhuǎn)變，避免在原材料開采過程中造成碳排放與環(huán)境破壞，同時也可以通過電爐短流程工藝等技術(shù)降低金屬冶煉及材料加工過程中的碳排放[4-6]。然而，在冶煉過程中提高回收金屬比例需要從材料設(shè)計出發(fā)，開發(fā)與再生材料兼容的鋼鐵或鋁合金材料[4，7-9]。

近年來，熱成形鋼在白車身中的應用廣泛，通過高溫成形及淬火，在獲得高強度的同時，避免了冷成形高強鋼的回彈、低成形性等問題[10-12]。22MnB5鋼是最常見的熱成形鋼，淬火后強度可達到1 500 MPa以上[10-12]，但需要通過Ti元素固定N元素，以保證B元素的淬透性提升效果，因此，在22MnB5鋼的冶煉過程中，需要嚴格控制N含量，以避免形成粗大的TiN顆粒，影響材料韌性[12-13]。因此，在22MnB5的冶煉生產(chǎn)過程中需要限制廢鋼比例。

近年來，某主機廠提出了無鍍層熱成形鋼（Coating Free Press Hardened Steel，CFPHS），通過調(diào)控Cr和Si含量，能夠在熱成形加熱過程中抑制表面脫碳與氧化，同時在冷卻過程中獲得高淬透性[14-15]。因為不需要添加B元素，無鍍層熱成形鋼可以很好地與廢鋼兼容。目前，已有鋼廠采用50%廢鋼，并結(jié)合電爐短流程工藝生產(chǎn)出了無鍍層熱成形鋼，該材料在熱成形后抗拉強度高于1 600 MPa，彎曲角大于55o。

本文主要研究了無鍍層熱成形鋼的激光拼焊工藝。熱成形鋼的激光拼焊主要通過在熱成形前對不同強度級別或厚度的材料進行拼焊連接，隨后通過熱成形獲得一體式門環(huán)、B柱等零件[16-17]。激光拼焊在低碳化方面的優(yōu)勢主要有：通過強度與厚度組合，實現(xiàn)輕量化，節(jié)省原材料；通過科學落料，減少加工廢料，提高材料利用率；一體化成形減少工藝環(huán)節(jié)。

傳統(tǒng)鋁硅鍍層熱成形鋼在激光拼焊時，鍍層熔入焊縫造成脆化，需要激光剝離或填絲。而無鍍層鋼之間的激光拼焊理論上不存在鍍層污染問題。另一方面，無鍍層鋼與鋁硅鍍層熱成形鋼之間的激光拼焊有利于發(fā)揮其各自在低碳、低成本、力學性能、耐腐蝕性能等方面的優(yōu)勢。因此，本文對無鍍層鋼之間以及無鍍層鋼與鋁硅鍍層鋼之間的激光拼焊展開研究。

2 材料與方法

2.1 材料

本文采用的無鍍層熱成形鋼為冷軋退火態(tài)，厚度為1.4 mm，成分如表1所示。采用的鋁硅鍍層熱成形鋼為冷軋退火態(tài)22MnB5，鍍層面密度為75 g/m2，厚度為1.4 mm。本文采用厚度及強度相近的材料進行激光拼焊，可以更好地從材料角度進行分析，為不同厚度及強度組合的應用提供參考。

用于激光焊接的料片長度為150 mm、寬度為100 mm，焊接邊為激光切割，激光焊接后料片長度為200 mm、寬度為150 mm。激光焊接功率為4～6 kW，焊接速度為55～85 mm/s，離焦量為-15～15 mm，未進行填絲或鍍層剝離。

采用平板模對激光焊接后料片進行模擬熱沖壓。模擬熱沖壓前保溫溫度為930 ℃，保溫時間為340 s，保護氣氛為氮氣。隨后進行模擬烘烤處理，保溫溫度為170 ℃，保溫時間為20 min。

無鍍層熱成形鋼的基材標注為CF-BM（Coating Free-Base Metal），鋁硅鍍層熱成形鋼的基材標注為AlSi-BM（AlSi-Coated-Base Metal），無鍍層熱成形鋼自身的激光拼焊焊縫標注為CF-to-CF，無鍍層熱成形鋼與鋁硅鍍層熱成形鋼之間的拼焊焊縫標注為CF-to-AlSi。

2.2 力學性能

采用線切割制備單向拉伸樣品，樣品尺寸參照ASTM E8/E8M-22 Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials，平行段長度為50 mm。激光拼焊樣品的焊縫位置盡可能保持在平行段中央，單向拉伸速度為3 mm/min。

缺口沖擊試樣亦采用線切割制備，取樣位置與樣品尺寸如圖1所示，焊縫位于缺口處，在至少2塊激光拼焊后的料片上取至少4片試樣，以確保試驗結(jié)果可重復。

2.3 顯微分析

顯微試樣采用熱鑲嵌，砂紙由粗至細依次打磨至P2500，隨后分別采用含3 μm與1 μm金剛石懸浮顆粒的拋光液進行拋光，最后采用濃度為3%的硝酸溶液進行腐蝕。采用光學顯微鏡（Optical Microscope，OM）觀察焊縫結(jié)構(gòu)，區(qū)分熔核區(qū)、熱影響區(qū)及基材；采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡（Field Emission Scanning Electron Microscope，F(xiàn)ESEM）分析焊縫位置的微觀組織，同時利用能量散射光譜儀（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy，EDS）分析焊縫位置的合金元素分布。

采用維氏硬度表征基材與焊縫之間的硬度變化，加載力為4.90 N，停留時間為10 s，壓痕間距約為150 μm。

2.4 熱力學與相轉(zhuǎn)變動力學模擬

利用ThermalCalc軟件進行熱力學計算，得到不同化學成分下的奧氏體化轉(zhuǎn)變溫度A3，進而分析焊縫位置處高溫富鋁硅鐵素體的形成趨勢。

利用JMatPro軟件進行相轉(zhuǎn)變動力學計算，得到連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變（Ontinuous Cooling Transformation Curve，CCT）曲線，進而分析焊縫位置處不同合金元素對熱沖壓冷卻過程中鐵素體轉(zhuǎn)變的影響，即對淬透性的影響。

3 試驗結(jié)果

3.1 力學性能

3.1.1 單向拉伸

圖2為激光拼焊試樣的拉伸結(jié)果。由圖2a可知，焊縫試樣抗拉強度能夠保持在1 600 MPa以上、均勻延伸率能夠保持在6%以上，焊縫及其附近未發(fā)生開裂。無鍍層熱成形鋼與鋁硅鍍層熱成形鋼的基材及其激光拼焊試樣見圖2b[16]，拼焊試樣的抗拉強度與鋁硅鍍層熱成形鋼基材的抗拉強度接近，焊縫及其附近未發(fā)生開裂。而據(jù)文獻報道[18-20]，鋁硅鍍層熱成形鋼與其自身的激光拼焊試樣會在拉伸過程的彈性段發(fā)生開裂，斷裂位置位于焊縫，必須進行鍍層剝離、填絲或其他特殊處理。

需要注意的是，由于鋁硅鍍層熱成形鋼的強度較低，拼焊試樣塑性變形主要集中在鋁硅鍍層熱成形鋼一側(cè)，因此，均勻延伸率約為鋁硅鍍層熱成形鋼的一半。在分析過程中，不應直接比較拼焊試樣的延伸率與基材延伸率。

綜上，無論是無鍍層鋼與其自身的拼焊焊縫還是無鍍層鋼與鋁硅鍍層鋼之間的拼焊焊縫，熱成形后均表現(xiàn)出優(yōu)異的單向拉伸性能。下文將進一步分析無鍍層鋼與鋁硅鍍層鋼之間的拼焊焊縫。

3.1.2 缺口沖擊

相比單向拉伸，缺口沖擊可以更好地評價熱成形鋼激光拼焊焊縫的韌性[21]。由圖3的示波沖擊曲線可知，無鍍層熱成形鋼與鋁硅鍍層熱成形鋼之間焊縫的沖擊曲線與鋁硅鍍層熱成形鋼的基材接近。

表2為沖擊過程中的最大載荷、最大載荷位置的沖擊功、總沖擊功。其中，最大載荷位置的沖擊功主要表征裂紋起裂所需的能量，而總沖擊功則包含了裂紋起裂與擴展所需的總能量?？梢钥闯?，拼焊焊縫的最大載荷與最大載荷位置的沖擊功與鋁硅鍍層熱成形鋼的基材接近，而總沖擊功則略微下降至（3.5±0.4） J/mm，約為鋁硅鍍層熱成形鋼基材的85%，遠高于文獻[14]中提出的2.0 J/mm的脆性斷裂標準值。

3.2 顯微分析

3.2.1 焊縫顯微組織

熱成形后對無鍍層熱成形鋼與鋁硅鍍層熱成形鋼之間焊縫的顯微組織進行分析，發(fā)現(xiàn)其主要組織為馬氏體，如圖4所示，圖中白色虛線標注了典型的原奧氏體晶粒。熔合區(qū)的原奧氏體晶粒尺寸略小于基材，可能是由于焊接過程中的快速冷卻導致晶粒細化。同時，在熔合區(qū)與鋁硅鍍層熱成形鋼基材的界面處發(fā)現(xiàn)極少量的鐵素體組織（圖4c），主要是由于在激光焊接過程中，鋁硅鍍層熔入焊縫，導致焊縫局部鋁含量和硅含量提高，縮小奧氏體區(qū)，進而在后續(xù)熱成形過程中焊縫組織無法完全奧氏體化，保留部分鐵素體組織。相比之下，如果不剝離鍍層或填絲焊接，鋁硅鍍層熱成形鋼之間激光拼焊會在熱成形后形成大量此類富鋁硅的鐵素體[20]。

此外，熱成形后的鋁硅鍍層熱成形鋼中很難觀察到熱影響區(qū)與基材的區(qū)別，而無鍍層鋼中可明顯觀察到兩者的區(qū)別（圖4a）。由圖5e與圖5f可知，熱影響區(qū)中的碳化物少于基材。無鍍層熱成形鋼中的碳化物主要在冷軋退火過程中形成，這些富Cr的合金碳化物可以保留至熱成形后。而在焊接熱影響區(qū)，高溫會導致碳化物溶解。目前，該現(xiàn)象對力學性能的影響仍有待研究。

3.2.2 焊縫成分分析

圖5及表3所示為焊縫化學成分。由圖5的面分析可知，焊縫中存在Al元素富集，而Mn、Si、Cr等元素則接近或略低于無鍍層鋼的基體。該現(xiàn)象表明，在激光拼焊過程中，鋁硅鍍層仍部分熔入焊縫，但由于在拼焊一側(cè)采用了無鍍層鋼，鋁硅富集被稀釋，有利于避免在熱成形后形成脆性或低硬度的鐵素體組織。表3給出了基體與焊縫位置的具體成分，位置①～⑨如圖5a所示，焊縫成分約為1.8%Cr-1.1%Mn-1.0%Si-0.5%Al。相比之下，如果不剝離鍍層或填絲焊接，鋁硅鍍層鋼與其自身的激光拼焊焊縫中的鋁含量可以達到1.5%或更高。

3.2.3 焊縫顯微硬度

圖6為無鍍層熱成形鋼與鋁硅鍍層熱成形鋼之間激光拼焊試樣的顯微硬度分析。分別在靠近上表面1/4位置、中心位置、靠近下表面1/4位置進行硬度分析，發(fā)現(xiàn)了同樣的趨勢：在熱成形后，焊縫熔合區(qū)及熱影響區(qū)的硬度與無鍍層熱成形鋼基材的硬度相當，保持在510～525 HV0.5的范圍內(nèi)；鋁硅鍍層熱成形鋼基材的硬度略低，在483～496 HV0.5的范圍內(nèi)，與圖2中的單向拉伸強度相一致。此外，基材心部硬度略低于上、下表面1/4處，該現(xiàn)象在鋁硅鍍層熱成形鋼中尤為明顯，可能與其淬透性相對較差有關(guān)。

4 討論

4.1 高溫鐵素體

鋁硅鍍層熱成形鋼的激光拼焊問題主要在于鋁硅鍍層會在焊接過程中熔入焊縫，導致熱成形后的焊縫中存在鐵素體。這些鐵素體可以分為2類[16]：一是Al元素和Si元素可以縮小奧氏體相區(qū)，使焊縫組織在高溫下無法完全奧氏體化，保留部分鐵素體至熱成形后，由于固溶了大量Al和Si元素，這些鐵素體通常為脆性；二是熔入Al元素會降低熱成形鋼的淬透性，在熱成形冷卻過程中，焊縫處的過冷奧氏體更容易轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體，這些鐵素體中的Al、Si含量較低，硬度較低。

圖7為利用ThermalCalc進行熱力學計算得到的焊縫中脆性鐵素體的形成趨勢。圖7a為無鍍層熱成形鋼與鋁硅鍍層熱成形鋼焊縫組織的奧氏體轉(zhuǎn)變溫度A3與鋁含量的關(guān)系。參考表3中的焊縫化學成分，當鋁含量為0.5%時，A3為886 ℃。熱成形過程的保溫溫度通常大于900 ℃，焊縫可以完全奧氏體化。

圖7b給出了鋁硅鍍層熱成形鋼之間激光拼焊焊縫組織的奧氏體轉(zhuǎn)變溫度A3與鋁含量的關(guān)系。一方面，22MnB5基體的Si含量低于無鍍層鋼，使其初始的A3較低；但另一方面，據(jù)文獻報道[20]，鋁硅鍍層鋼之間焊縫的鋁含量可以達到1.5%以上，這樣一來，其焊縫A3會達到990 ℃以上。因此，在熱成形過程中，焊縫組織無法完全奧氏體化，冷卻后得到高Al及高Si的脆性鐵素體組織。

4.2 淬透性

利用JMATPro進行相變動力學計算，得到如圖8所示的CCT曲線。在CCT曲線中，通過臨界冷卻速率來描繪鋼材的淬透性，臨界冷卻速率越小，淬透性越好。圖8a與圖8b分別為22MnB5與無鍍層鋼基材的CCT曲線，可以看到：22MnB5的臨界冷卻速率約為30 ℃/s，與文獻報道一致[12，22]；無鍍層鋼的臨界冷卻速率則遠低于該數(shù)值，即淬透性更好。在實際熱成形過程中，冷卻速率一般高于50 ℃/s，以保證22MnB5能獲得全馬氏體組織。無鍍層鋼淬透性更好的主要原因為其更高的Cr、Si、Mn含量[22]。

由無鍍層鋼基材（1.2%～1.8% Si）熔入焊縫的Si濃度遠低于鋁硅鍍層（8%～11% Si）在激光焊接時熔入焊縫，因此，在提高淬透性的同時不會形成脆性鐵素體組織。

圖8c與圖8d為無鍍層鋼與鋁硅鍍層鋼拼焊焊縫的CCT曲線，假設(shè)焊縫中存在質(zhì)量分數(shù)為0.5%的Al，同時有質(zhì)量分數(shù)為0.000 1%的B或不含B元素。該假設(shè)主要考慮22MnB5中添加B合金元素可以提高淬透性，而無鍍層鋼中則不額外添加B合金元素。由圖8可知，在2種情況下，以30 ℃/s的冷卻速率冷卻至室溫時，得到鐵素體的體積分數(shù)分別約為1.0%和1.8%，因此，其臨界冷卻速率約為30 ℃/s，與鋁硅鍍層22MnB5基材的臨界冷卻速率相當。該計算結(jié)果與圖5b中的全馬氏體焊縫組織相一致。

圖8e為鋁硅鍍層22MnB5與裸板22MnB5之間激光拼焊焊縫的淬透性，假設(shè)焊縫中存在質(zhì)量分數(shù)為0.5 %的Al。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在以30 ℃/s的冷卻速率冷卻至室溫后，焊縫中會形成體積分數(shù)約為16.5%的鐵素體。據(jù)此推斷，在實際熱成形過程中，該焊縫中很容易形成鐵素體組織，導致焊縫強度低，易開裂。因此，無鍍層熱成形鋼提升激光拼焊質(zhì)量不僅在于稀釋了熔入的Al元素與Si元素，還在于其通過Cr、Si、Mn合金元素提升了焊縫的淬透性。

5 結(jié)束語

本文主要研究了無鍍層熱成形鋼的激光拼焊。通過單向拉伸試驗，驗證了無鍍層熱成形鋼與其自身激光拼焊焊縫的強度；通過單向拉伸與缺口沖擊試驗，驗證了無需預剝離或填絲，無鍍層熱成形鋼與鋁硅鍍層熱成形鋼之間也可以獲得高強度與高沖擊韌性的激光拼焊焊縫。

同時，本文通過SEM顯微組織分析、EDS成分分析、顯微硬度分析，發(fā)現(xiàn)無鍍層鋼激光拼焊焊縫的微觀組織主要為馬氏體，僅觀察到極少量因鋁硅熔入焊縫而形成的鐵素體，焊縫硬度與鋁硅鍍層熱成形鋼基材硬度相當，未發(fā)現(xiàn)軟區(qū)。最后，通過熱力學與相轉(zhuǎn)變動力學分析，得到無鍍層熱成形鋼與鋁硅鍍層熱成形鋼獲得高質(zhì)量拼焊焊縫的機理：

a. 在激光拼焊的一側(cè)采用無鍍層鋼，稀釋了熔入焊縫中Al和Si的濃度，可以避免在焊縫位置由于局部Al、Si含量高造成的不完全奧氏體化，避免形成高Al、高Si的脆性鐵素體，進而保證焊縫的韌性；

b. 無鍍層鋼中以Cr為主的合金元素，包括Mn、Si，可以提高焊縫的淬透性，保證在熱沖壓冷卻過程中獲得全馬氏體組織，避免在冷卻過程中形成低強度的鐵素體，進而保證焊縫強度。

致謝

感謝東北大學徐偉教授團隊對無鍍層熱成形鋼開發(fā)、無鍍層熱成形鋼激光拼焊、缺口沖擊試驗及微觀組織表征方面的支持。

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