超高強(qiáng)QP980鋼激光焊縫組織和性能研究

左敦桂 閻啟 王利

1. 概述

全球變暖問題的日益凸顯加速了汽車輕量化的發(fā)展，目前汽車輕量化重點(diǎn)將汽車材料選擇由原先的以碳鋼為主發(fā)展到以先進(jìn)材料為主，如先進(jìn)高強(qiáng)鋼、鋁合金和增強(qiáng)塑料。在確保碰撞安全性前提下，由于先進(jìn)高強(qiáng)鋼在成本和強(qiáng)度上的優(yōu)勢(shì)使其成為汽車工業(yè)首選材料。先進(jìn)高強(qiáng)鋼的強(qiáng)度和塑性配合優(yōu)于普通高強(qiáng)鋼, 兼具高強(qiáng)度和較好的成形性，特別是加工硬化指數(shù)高，有利于提高沖撞過程中的能量吸收，這對(duì)減重的同時(shí)保證安全性十分有利。目前，汽車行業(yè)廣泛使用包括雙相鋼、TRIP鋼、復(fù)相鋼及馬氏體鋼等材料，其強(qiáng)度在500~1000MPa。近幾年，一種新工藝：淬火分配工藝可用來(lái)生產(chǎn)一種具有TRIP效應(yīng)的、高強(qiáng)度和高塑(韌)性的馬氏體鋼，即Q&P鋼，其室溫組織是貧碳的板條馬氏體和富碳?xì)埩魥W氏體，馬氏體組織保證了鋼的強(qiáng)度。殘留奧氏體由于在形變過程中發(fā)生相變誘發(fā)塑性而提高了鋼的塑性，鋼的強(qiáng)度最高可以達(dá)到l 400MPa，而對(duì)應(yīng)塑性仍有15%左右。

2. 試驗(yàn)材料及工藝

試驗(yàn)用材料厚度為1.6mm的QP980鋼，材料化學(xué)成分如表1所示。焊接設(shè)備采用PRC公司FH4000 TURBO型直流激勵(lì)快速軸流CO2激光器。對(duì)1.6mm厚度QP980鋼進(jìn)行激光對(duì)接焊試驗(yàn)，焊前對(duì)試件邊部進(jìn)行去毛刺處理，再用丙酮擦拭，去除表面的油污、雜質(zhì)。在滿足焊縫形貌要求的條件下，選取表2焊接參數(shù)進(jìn)行激光焊接試驗(yàn)。

3. 試驗(yàn)結(jié)果及分析

（1）顯微組織 用切割機(jī)沿垂直焊縫方向切割焊接件, 切割出20mm×20mm的小塊制作試樣進(jìn)行顯微金相觀察。圖1為 QP980焊接接頭顯微組織。母材組織為貧碳的板條馬氏體和黑色的鐵素體以及馬氏體板條間的殘余奧氏體組織。焊縫區(qū)域?yàn)榇执蟮鸟R氏體組織，與母材相比，馬氏體尺寸較大，近焊縫處的熱影響區(qū)為馬氏體和鐵素體組織。隨距焊縫中心線距離的增加，鐵素體含量逐漸增加，與母材相比，此區(qū)域馬氏體含量高，形成熱影響區(qū)硬化區(qū)(見圖1c)。隨距焊縫中心線距離的進(jìn)一步增加，激光的峰值溫度降低至Ac1以下，母材受熱分解為回火馬氏體和碳化物，從而使該區(qū)域強(qiáng)度有所下降，出現(xiàn)典型的熱影響區(qū)軟化現(xiàn)象，形成熱影響區(qū)軟化區(qū)（見圖1b）。

表1 QP980鋼材料化學(xué)成分及力學(xué)性能

表2 激光焊接參數(shù)

（2）力學(xué)性能 拉伸試驗(yàn)結(jié)果顯示全部試樣都斷裂于母材。焊接接頭的屈服強(qiáng)度達(dá)到730MPa，略高于母材，焊接接頭的拉伸強(qiáng)度均960MPa以上，接近于母材。焊縫的伸長(zhǎng)率有所下降，但下降幅度較小，達(dá)到11%左右（見圖2）。

（3）硬度試驗(yàn) 使用顯微硬度計(jì)對(duì)QP980激光焊接接頭試樣進(jìn)行維氏硬度分析，從母材一側(cè)開始沿著焊縫的橫截面每隔0.25mm進(jìn)行加載。試驗(yàn)結(jié)果表明，硬度值以焊縫中心為對(duì)稱軸呈近似對(duì)稱分布。焊接接頭各區(qū)域的硬度值是由焊接熱輸入與母材組織成分共同決定的。母材區(qū)（BM）硬度不受焊接速度影響，硬度在360HV左右；HAZ受焊接熱循環(huán)的作用將發(fā)生固態(tài)相變，因此其硬度從母材向焊縫出現(xiàn)從低到高的變化。熱影響區(qū)靠母材區(qū)域的細(xì)晶區(qū)，由于處于Ac1以下，出現(xiàn)部分回火馬氏體組織，導(dǎo)致硬度有所下降，但下降幅度較小，硬度在350HV左右；HAZ中靠近焊縫的粗晶區(qū)，由于其中有部分馬氏體組織生成，其硬度較高，硬度在450HV左右；焊縫區(qū)域?yàn)榇阌柴R氏體組織，硬度在500HV左右。

（4）成形性試驗(yàn) 從杯突試驗(yàn)結(jié)果圖3可看出，QP980鋼激光焊縫杯突值明顯低于母材，從焊縫杯突值和母材杯突值相比來(lái)看，QP980比值為71%，且焊縫杯突開裂位置垂直于焊縫失效，表現(xiàn)為良好的焊縫成形性能。

圖1 焊接接頭顯微組織

圖2 QP980鋼焊接接頭力學(xué)性能及拉伸斷裂情況

圖3 QP980鋼激光焊接接頭成形性能

4. 結(jié)語(yǔ)

（1）QP980鋼焊縫組織為淬硬的馬氏體組織，近母材處出現(xiàn)少量的回火馬氏體組織。

（2）QP980鋼焊接接頭具有良好的拉伸性能，屈服強(qiáng)度高于母材，但抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率有所下降，但下降幅度較小。

（3）QP980鋼焊縫硬度要高于母材，近母材處的熱影響區(qū)存在輕微軟化現(xiàn)象，但幅度較小。

（4）QP980鋼焊接接頭具有良好的焊縫成形性能，焊縫杯突值達(dá)到母材的71%，且焊縫杯突開裂位置垂直于焊縫。

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