帶電頂鍛時(shí)間對高強(qiáng)鋼閃光對焊接頭組織及性能影響研究

郗晨瑤， 宣兆志， 孫大千＊， 王杰功， 宋國山， 郭 冉

（1.吉林大學(xué) 汽車材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130025；2.興民鋼圈股份有限公司，山東 龍口 265700）

0 引 言

隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染問題的日益加劇，汽車輕量化已成為汽車工業(yè)重要的發(fā)展戰(zhàn)略［1］。汽車車輪作為高速旋轉(zhuǎn)的非承載部件，其輕量化效果比其它零部件更為顯著。目前，商用車主要使用鋼制車輪［2－3］，提高車輪用鋼的強(qiáng)度是車輪輕量化最直接、有效的方法。車輪輪輞的焊接主要采用閃光對焊方法。高強(qiáng)鋼輪輞焊接存在的主要問題是：焊后在滾形、擴(kuò)孔等成型過程中焊縫易產(chǎn)生裂紋甚至開裂，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率及制造成本。根據(jù)文獻(xiàn)［4］的研究結(jié)果，閃光對焊參數(shù)是影響接頭力學(xué)性能的重要因素。帶電頂鍛時(shí)間（St）是閃光對焊主要的焊接參數(shù)之一。但迄今為止，關(guān)于St影響的研究還相對較少。文中主要研究帶電頂鍛時(shí)間對RS590CL高強(qiáng)鋼閃光接頭微觀組織及力學(xué)性能的影響規(guī)律，旨在為優(yōu)化焊接參數(shù)、改善輪輞焊接質(zhì)量提供必要的理論依據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)材料、方法及設(shè)備

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用4.5mm厚的RS590CL高強(qiáng)鋼板作為母材，試板尺寸為280mm×100mm×4.5mm。RS590CL鋼的主要化學(xué)成分見表1。

表1 RS590CL鋼的主要化學(xué)成分

組織主要為鐵素體（F）＋少量貝氏體（B），其抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為590MPa和29%。

1.2 試驗(yàn)方法及設(shè)備

焊接前利用鋼絲刷對試板表面進(jìn)行清理，而后鉆孔固定熱電偶，采用UNB－800型閃光對焊機(jī)進(jìn)行焊接試驗(yàn)。在閃光留量δf＝12mm、頂鍛留量δu＝5.5mm、頂鍛壓力Fu＝5MPa條件下，通過改變帶電頂鍛時(shí)間（St＝0.3、0.4、0.5、0.6、0.7s）研究其對焊接熱循環(huán)、接頭微觀組織及力學(xué)性能的影響規(guī)律。焊后采用線切割機(jī)垂直焊縫方向切取接頭金相試樣和彎曲試樣，彎曲試樣尺寸為90mm×15mm×4.5mm。

試驗(yàn)采用熱點(diǎn)偶和RX4008BJL型溫度記錄儀測試接頭的熱循環(huán)曲線。使用OLYMPUS SZ61型體式顯微鏡、OLS3000型激光共聚焦顯微鏡及JEM－2100F型透射電子顯微鏡研究接頭的宏觀結(jié)構(gòu)和微觀組織。使用MH－3型顯微硬度計(jì)測試接頭的硬度分布，加載力200g，加載時(shí)間10s。使用WAW－600C型萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行接頭正彎曲試驗(yàn)，壓輥直徑8mm，夾鉗距離25mm；彎曲角180°，以4個彎曲試樣的表面裂紋長度的平均值評定接頭的彎曲性能。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 閃光對焊接頭的組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

RS590CL高強(qiáng)鋼閃光對焊接頭的宏觀結(jié)構(gòu)和微觀組織如圖1所示。

研究結(jié)果表明，接頭主要由界面區(qū)、過熱區(qū)、重結(jié)晶區(qū)和不完全重結(jié)晶區(qū)構(gòu)成（圖1（a））。界面區(qū)的焊接熱循環(huán)峰值溫度接近固相線；過熱區(qū)、重結(jié)晶區(qū)和不完全重結(jié)晶區(qū)的峰值溫度分別為1 300℃～固相線、Ac3～1 300℃、Ac1～Ac3。由圖1（b）可見，在合適的焊接參數(shù)條件下，界面區(qū)無疏松、縮孔、裂紋等缺陷及明顯界面結(jié)合特征；界面區(qū)和過熱區(qū)主要為上貝氏體（B）＋少量的鐵素體（F），且晶粒明顯粗化；距界面區(qū)越近，過熱區(qū)的晶粒粗化越加明顯。重結(jié)晶區(qū)由于經(jīng)歷二次重結(jié)晶相變其晶粒明顯細(xì)化（圖1（c））。在不完全重結(jié)晶區(qū)可看到未經(jīng)重結(jié)晶相變的鐵素體相（圖1（d））?；陂W光對焊接頭各區(qū)經(jīng)歷的焊接熱循環(huán)及微觀組織特點(diǎn)，界面區(qū)是接頭力學(xué)性能最薄弱的區(qū)域。

圖1 RS590CL高強(qiáng)鋼閃光對焊接頭的微觀組織

采用透射電鏡（TEM）研究發(fā)現(xiàn)，在界面區(qū)和過熱區(qū)均存在高密度的位錯，并可看到纏結(jié)位錯的亞結(jié)構(gòu)特征，如圖2所示。

圖2 閃光對焊接頭界面區(qū)、過熱區(qū)的TEM像

閃光對焊過程主要包括閃光和頂鍛兩個階段。在閃光階段，工件端部溫度逐漸升高形成液態(tài)金屬層，在一定深度上金屬塑性增加，且奧氏體晶粒粗化；閃光加熱后頂鍛的主要作用是封閉工件端面液態(tài)金屬過梁爆破后留下的火口，擠出端面的液態(tài)金屬及氧化夾雜物，使?jié)崈舻乃苄越饘倬o密接觸，并使焊接區(qū)（特別是界面區(qū)）產(chǎn)生一定的塑性變形，位錯密度明顯增大，導(dǎo)致發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。動態(tài)再結(jié)晶主要在具有高密度位錯的亞晶界處形核，并通過吞并相鄰的亞晶長大［5］，在界面處形成共同的奧氏體晶粒。動態(tài)再結(jié)晶完成后繼續(xù)加熱將發(fā)生再結(jié)晶和晶粒長大。在焊接快冷條件下，長大的奧氏體晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)榇只腂組織。因此，閃光對焊主要是通過動態(tài)再結(jié)晶在界面處形成共同的晶粒實(shí)現(xiàn)可靠的連接。促進(jìn)動態(tài)再結(jié)晶、控制晶粒長大有利于改善接頭的組織及力學(xué)性能。

2.2 帶電頂鍛時(shí)間對接頭組織的影響

在閃光對焊的頂鍛階段，為了防止接口氧化，在端面接口閉合前，并不馬上切斷電流［6］，頂鍛階段的通電時(shí)間稱之為帶電頂鍛時(shí)間（St）。St＝0、0.4s條件下測得的焊接熱循環(huán)曲線如圖3所示。

圖3 帶電頂鍛時(shí)間0、0.4s條件下的熱循環(huán)曲線

結(jié)果表明，帶電頂鍛時(shí)間（St）主要影響相變點(diǎn)以上（≥900℃）的高溫停留時(shí)間（tH）和冷卻速度（vC）。St由0s增至0.4s，tH由4.0s增至5.2s；vC由115.2℃／s降至88.5℃／s。

不同帶電頂鍛時(shí)間條件下接頭界面區(qū)和過熱區(qū)的微觀組織如圖4所示。

由圖可見，界面區(qū)和過熱區(qū)主要為貝氏體（B）＋鐵素體（F）；隨著St增加，界面區(qū)和過熱區(qū)的晶粒粗化，界面區(qū)的鐵素體量明顯增加。

圖4 不同St條件下界面區(qū)和過熱區(qū)的微觀組織

根據(jù)熱循環(huán)的研究結(jié)果，隨著St增加，tH及焊接熱輸入量增加，這有利于動態(tài)再結(jié)晶的進(jìn)行，但也促進(jìn)動態(tài)再結(jié)晶后奧氏體晶粒的長大，導(dǎo)致界面區(qū)和過熱區(qū)的晶粒粗化。界面區(qū)的鐵素體量明顯增加主要與接頭冷卻速度降低、奧氏體晶粒粗化及界面形成貧碳層［7］等因素有關(guān)。

2.3 帶電頂鍛時(shí)間對接頭力學(xué)性能影響

不同帶電頂鍛時(shí)間條件下RS590CL高強(qiáng)鋼閃光對焊接頭的硬度分布，如圖5所示。

圖5 不同帶電頂鍛時(shí)間下接頭的硬度分布

試驗(yàn)結(jié)果表明，接頭的硬度分布是不均勻的，與重結(jié)晶區(qū)、不完全重結(jié)晶區(qū)相比，界面區(qū)和過熱區(qū)的硬度明顯升高，這主要?dú)w因于該區(qū)存在大量的B組織。此外，界面區(qū)和過熱區(qū)存在高密度的位錯對硬度的升高也是有貢獻(xiàn)的。帶電頂鍛時(shí)間（St）由0.3s增至0.7s，接頭硬度有降低的趨勢。這主要與界面區(qū)、過熱區(qū)的晶粒粗化和界面區(qū)的鐵素體量增加有關(guān)。

研究發(fā)現(xiàn)，閃光對焊接頭彎曲180°，裂紋萌生于彎曲外表面，并主要沿界面區(qū)擴(kuò)展如圖6所示。

圖6 閃光對焊接頭的彎曲裂紋形貌

這表明界面區(qū)是接頭彎曲性能最薄弱的區(qū)域。帶電頂鍛時(shí)間（St）對接頭彎曲裂紋長度影響的試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 帶電頂鍛時(shí)間對彎曲裂紋長度的影響

St＝0.3s時(shí)，接頭彎曲180°無裂紋；隨著St增加，裂紋長度增加，當(dāng)St增至0.5s時(shí)，裂紋長度達(dá)到最大值0.92mm；進(jìn)一步增加St至0.7s時(shí)，裂紋長度明顯減小。St對接頭彎曲性能的影響主要與焊接熱循環(huán)及接頭微觀組織的變化有關(guān)。St＝0.3s時(shí)，熱循環(huán)高溫停留時(shí)間（tH）相對較短，不僅有利于促進(jìn)再結(jié)晶在界面處形成共同的晶粒，而且一定程度上抑制了晶粒的長大，因此明顯改善接頭的彎曲性能；隨著St增加，tH增加，界面區(qū)和過熱區(qū)晶粒粗化，導(dǎo)致接頭彎曲性能降低；St＝0.7s時(shí)，接頭彎曲性能提高主要?dú)w因于界面區(qū)鐵素體量增加改善接頭的變形能力。因此，優(yōu)化閃光對焊參數(shù)（St）是改善接頭彎曲性能的有效途徑。在本試驗(yàn)條件下，選擇St＝0.3s、0.7s更有利于改善接頭的彎曲性能。

3 結(jié) 語

1）RS590CL高強(qiáng)鋼閃光對焊接頭主要由界面區(qū)、過熱區(qū)、重結(jié)晶區(qū)和不完全重結(jié)晶區(qū)構(gòu)成。界面區(qū)和過熱區(qū)主要為貝氏體＋少量鐵素體，其突出特點(diǎn)是晶粒明顯粗化，并含有高密度的位錯。閃光對焊主要是通過動態(tài)再結(jié)晶在界面處形成共同的晶粒實(shí)現(xiàn)可靠的連接。促進(jìn)動態(tài)再結(jié)晶、控制晶粒長大有利于改善接頭的組織及性能。

2）帶電頂鍛時(shí)間對焊接熱循環(huán)及接頭組織具有明顯的影響。隨著帶電頂鍛時(shí)間增加，界面區(qū)和過熱區(qū)的晶粒粗化，界面區(qū)鐵素體量增加，這主要?dú)w因于熱循環(huán)高溫停留時(shí)間增加和冷卻速度降低。

3）帶電頂鍛時(shí)間對閃光對焊接頭的硬度和彎曲性能具有明顯的影響。隨著帶電頂鍛時(shí)間增加，接頭硬度有降低的趨勢，選擇合適的帶電頂鍛時(shí)間（0.3、0.7s）有利于明顯改善接頭的彎曲性能。

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