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1 引言
自2000年以来,我国汽车工业高速发展,已成为我国经济支柱产业之一。2015年,我国汽车产量达到了2450万辆[1]。但是,汽车行业发展的同时也带来了能源消耗、污染物排放等环境问题。研究表明,汽车轻量化可有效改善此类问题[2]。为实现汽车轻量化,汽车用钢逐渐从传统钢材向先进高强钢转变。近年来,双相钢(DP钢)、复相钢(CP钢)、相变诱导塑性钢(TRIP钢)等具有良好综合性能的车用钢得到了广泛应用,但这些钢种仍为第一代汽车用钢,难以同时实现高强度与高塑性的要求。QP钢,即淬火-配分钢,为第三代汽车用先进高强钢,由于QP钢中残余奥氏体组织的塑性诱导强化(TRIP)效应以及马氏体组织的强化,其抗拉强度高达1000~1400 MPa,断后伸长率高达10%~20%[3],兼有高强度与高塑性的优良性能,具有广阔的应用前景。
激光焊接作为一种高能束焊接方法,具有热输入小、热影响区窄、焊缝美观、生产效率高等优点,在汽车生产制造领域得到了广泛应用,因此,车用高强钢的激光焊接性能受到了极大关注。国内外众多学者针对各种车用高强钢的激光焊接技术及焊接接头的组织、性能进行了大量研究。Kim等[4]对强度级别从370 MPa到1500 MPa不同种类车用钢(SAPH370,DP590,DP780,CP1180,Usibor等)的CO2激光焊接接头的组织、性能进行了分析,结果发现,抗拉强度高于590 MPa的钢,其焊接接头的热影响区均出现了软化,拉伸试样均断裂于软化区。Wang等[5-6]研究了焊接热输入对DP1000钢激光焊接接头组织、性能的影响,结果显示:各接头断裂位置均在软化区,抗拉强度最多下降了15%,断后伸长率下降了60%以上;低热输入下的焊缝晶粒细小,软化区宽度窄,焊接接头表现出良好的拉伸性能。Xia等[7]对DP980激光焊板的塑性成形性能进行分析后认为,由于DP980钢的焊接接头存在软化区,成形试样均断裂于软化区,成形性能仅为母材的43%。Panda等[8-9]通过有限元模拟和实验分别对DP980和高强度低合金钢激光焊接接头的塑性成形性能进行了研究,结果显示,接头的成形性能均低于母材,但DP980焊接接头由于存在软化区而发生应变集中,其杯突值下降明显。这表明,热影响区软化会大大降低高强钢激光焊接接头的拉伸性能及成形性能。Guo等[10]和Li等[11]对QP980激光焊接接头的组织和性能进行了研究,结果表明:接头焊缝区为柱状马氏体组织,完全重结晶区为马氏体组织,热影响区最外侧的回火区(即软化区)的组织因发生马氏体回火而转变为回火马氏体组织;杯突试验结果显示,开裂位置并不在软化区,焊缝位置对成形性能的影响较大,随着焊缝远离试板中心,杯突值逐渐升高。目前,国内外对车用钢激光焊接的研究仍主要停留在前两代车用先进高强钢上,对QP钢的研究较少,更是鲜有对1200 MPa级QP钢焊接接头组织性能的研究。
光纤激光具有效率高、光束质量好、光束传输灵活、成本低等优点[12-13],鉴于此,本文采用光纤激光对1.6 mm厚QP1180钢板进行对接焊,在不同焊速下获得了性能差异较大的接头,并对接头的组织、显微硬度、拉伸性能及塑性成形性能进行了对比分析。
2 试验材料与方法
试验材料为1.6 mm厚QP1180钢板,其化学成分如
表 1. QP1180钢的化学成分
Table 1. Chemical composition of QP1180 steel
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表 2. 激光焊接参数
Table 2. Laser welding parameters
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焊后截取金相试样,研磨抛光后,采用体积分数为2%的硝酸酒精溶液进行腐蚀,然后采用光学显微镜(型号为A xioimager A2m)及JSM-7800F扫描电子显微镜进行组织观察。采用德国Zwick/Roell集团生产的Zwick全自动硬度计测试接头的显微硬度,加载载荷为4.9 N,保载时间为15 s,相邻硬度点的间距为200 μm。每个参数下截取3个试样进行拉伸性能测试,最终结果取3个试样的平均值。拉伸试样尺寸如
杯突试验采用如
为研究焊接参数及焊缝偏移对焊板成形性能的影响,采用
图 3. 杯突试验设备及示意图。(a) MTS 866.72S薄板成形试验机;(b)杯突试验示意图
Fig. 3. Bulge test equipment and schematic. (a) MTS 866.72S metal sheet forming machine; (b) schematic of bulge test
3 试验结果与分析
3.1 接头的显微组织
在两组焊接参数下得到的焊接接头各区域的显微组织分别如
图 4. 低速焊接接头的显微组织。(a)宏观形貌;(b)焊缝区;(c)粗晶区;(d)细晶区;(e)两相区;(f)回火区;(g)回火区局部放大
Fig. 4. Microstructures of low-speed welding joint. (a) Macro appearance; (b) FZ; (c) CGHAZ; (d) FGHAZ; (e) ICHAZ; (f) SCHAZ; (g) local magnification of SCHAZ
图 5. 高速焊接接头的显微组织。(a)宏观形貌;(b)焊缝区;(c)粗晶区;(d)细晶区;(e)两相区;(f)回火区;(g)回火区局部放大
Fig. 5. Microstructures of high-speed welding joint. (a) Macro appearance; (b) FZ; (c) CGHAZ; (d) FGHAZ; (e) ICHAZ; (f) SCHAZ; (g) local magnification of SCHAZ
3.2 显微硬度
对于在两组焊接参数下得到的焊接接头,其横截面的显微硬度曲线如
表 3. 焊接接头软化区的宽度与最低硬度
Table 3. Width and minimal hardness of soft zone in welding joint
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3.3 拉伸性能
由
图 7. 拉伸试验后的试样。(a)低速焊接接头试样;(b)高速焊接接头试样
Fig. 7. Samples after tensile test. (a) Low-speed welding joint samples; (b) high-speed welding joint samples
表 4. 母材及接头试样的拉伸性能
Table 4. Tensile properties of base metal and welding joint samples
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3.4 成形性能
试板的成形性能是通过杯突值(LDH)来表征的,杯突值为杯突试验中试样开裂时凸模凸起的高度。两种焊接参数下不同焊缝偏移量试板的杯突值如
图 9. 低速焊接试板在不同焊缝偏移量下进行杯突试验后的照片。(a) 0 mm;(b) 10 mm;(c) 20 mm;(d) 30 mm
Fig. 9. Photos of low-speed welding sheets after cupping test at different weld line offsets. (a) 0 mm; (b) 10 mm; (c) 20 mm; (d) 30 mm
图 10. 低速焊接试板在0 mm焊缝偏移量下的断裂位置及硬度分布
Fig. 10. Fracture position and hardness distribution of low-speed welding sheet at weld line offset of 0 mm
图 11. 高速焊接试板在不同焊缝偏移量下进行杯突试验后的照片。(a) 0 mm;(b) 10 mm;(c) 20 mm;(d) 30 mm
Fig. 11. Photos of high-speed welding sheets after cupping test at different weld line offsets. (a) 0 mm; (b) 10 mm; (c) 20 mm; (d) 30 mm
为确定两种不同开裂位置的试板的断裂性质,选取两组焊接参数下焊缝无偏移时的试板截取断口试样,采用扫描电镜(SEM)观察断口形貌。
图 12. 低速焊接试板在焊缝无偏移时的断口形貌。(a)宏观形貌;(b)断口中部;(c)断口下部
Fig. 12. Fracture morphology of low-speed welding sheet with 0 mm weld line offset. (a) Macro appearance; (b) middle part of the fracture; (c) bottom part of the fracture
图 13. 高速焊接试板在焊缝无偏移时的断口形貌。(a)宏观形貌;(b)焊缝中部;(c)焊缝下部,(d)热影响区
Fig. 13. Fracture morphology of high-speed welding sheet with 0 mm weld line offset. (a) Macro appearance; (b) middle part of FZ; (c) bottom part of FZ; (d) HAZ
4 结论
采用光纤激光实现了QP1180钢薄板的焊接,接头焊缝区为柱状分布的马氏体组织,热影响区粗晶区和细晶区的组织均为马氏体,两相区为铁素体与马氏体的混合组织,回火区组织由回火马氏体、铁素体和残余奥氏体组成。QP1180激光焊接接头的硬度分布极不均匀,焊缝区硬度达到了470 HV,热影响区的最高硬度达到了500 HV。在热影响区外侧存在软化区,该区域的最低硬度比母材约低40~50 HV,此区域是由马氏体回火分解形成的,且低热输入下的软化程度降低。焊接接头拉伸试样的断裂位置均为母材,软化并未对拉伸性能产生较大影响,抗拉强度与母材相当,断后伸长率比母材略低。焊接速度对焊板成形性能及开裂形式具有较大影响:在低焊接速度下,热输入高,焊板沿软化区开裂,杯突值低,只有母材的62%;在高焊接速度下,热输入小,焊板垂直于焊缝开裂,具有更好的成形性能。焊缝偏移焊板中心有利于焊板成形性能的提升,随着焊缝偏移量增加,杯突值呈升高的趋势;当偏移量达到30 mm时,焊板杯突值与母材相当。
[1] 朱国明, 康永林, 朱帅. 汽车用超高强QP钢的工艺与组织性能研究[J]. 机械工程学报, 2017, 53(12): 110-117.
[2] 康永林, 朱国明. 中国汽车发展趋势及汽车用钢面临的机遇与挑战[J]. 钢铁, 2014, 49(12): 1-7.
[4] Kim C H, Choi J K, M J. et al. A study on the CO2 laser welding characteristics of high strength steel up to 1500 MPa for automotive application[J]. Journal of Achievements in Materials & Manufacturing Engineering, 2010, 39(1): 6-11.
[6] 王金凤, 王立君, 杨立军, 等. DP1000高强钢激光焊接接头组织性能研究[J]. 中国激光, 2014, 41(9): 0903003.
[7] Xia M, Sreenivasan N, Lawson S, et al. A comparative study of formability of diode laser welds in DP980 and HSLA steels[J]. Journal of Engineering Materials and Technology, 2007, 129(3): 446-452.
[12] 李敏, 张旺, 华学明, 等. 光纤激光与GMAW-P复合焊接等离子体及熔滴过渡动态特征研究[J]. 中国激光, 2017, 44(4): 0402008.
[13] 史鹏飞, 黄坚, 澹台凡亮, 等. 27SiMn高强钢激光-MAG复合焊接头组织和性能[J]. 中国激光, 2017, 44(10): 1002001.
[14] 刘会杰. 焊接冶金与焊接性[M]. 北京: 机械工业出版社, 2007.
LiuHuijie. Welding metallurgy and weldability[M]. Beijing: China Machine Press, 2007.
李学军, 黄坚, 潘华, 陈新平, 华学明. QP1180高强钢薄板激光焊接接头的组织与成形性能[J]. 中国激光, 2019, 46(3): 0302006. Xuejun Li, Jian Huang, Hua Pan, Xinping Chen, Xueming Hua. Microstructure and Formability of Laser Welding Joint of QP1180 High-Strength Steel sheet[J]. Chinese Journal of Lasers, 2019, 46(3): 0302006.