DH590鋼板激光束焊的焊接特性研究

汪小培，伊日貴，張永強(qiáng)，楊建煒，劉蔚寧，李 峰

（1.首鋼技術(shù)研究院，北京 100043；2.國(guó)家電網(wǎng)公司交流建設(shè)分公司，北京 100031；3.國(guó)家電網(wǎng)公司，北京 100031）

DH590鋼板激光束焊的焊接特性研究

汪小培1，伊日貴1，張永強(qiáng)1，楊建煒1，劉蔚寧2，李 峰3

（1.首鋼技術(shù)研究院，北京 100043；2.國(guó)家電網(wǎng)公司交流建設(shè)分公司，北京 100031；3.國(guó)家電網(wǎng)公司，北京 100031）

對(duì)厚1.5mm規(guī)格DH590鋼板進(jìn)行激光束焊焊接試驗(yàn)，研究該鋼板的激光束焊焊接特性以及焊接接頭性能。結(jié)果表明，1.5 mm規(guī)格的DH590+Z鋼板單板的最大焊接速度為6.8 m/min，搭接板最大焊接速度為3.2m/min；連續(xù)搭接試驗(yàn)的平均最大抗剪力為41.6kN，斷續(xù)搭接試驗(yàn)的平均最大抗剪力為18.9kN，焊接接頭的平均最大抗拉力為12.5 kN；焊接接頭焊縫區(qū)的顯微硬度分布均勻，熱影響區(qū)不存在明顯的軟化點(diǎn)；對(duì)焊接接頭進(jìn)行X光探傷檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)氣孔和裂紋缺陷，焊縫質(zhì)量良好。

DH鋼；激光束焊接；焊接工藝；焊接性能

0 前言

目前，節(jié)能減排已成為汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的首要任務(wù)，超高強(qiáng)鋼在汽車(chē)車(chē)身上的廣泛應(yīng)用，不但可以獲得結(jié)構(gòu)減重進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，而且可提高汽車(chē)的安全性和服役壽命[1]。雙相鋼屬于相變強(qiáng)化高強(qiáng)度鋼，由鐵素體和馬氏體組成，具有屈強(qiáng)比低、無(wú)屈服延伸、應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù)高和抗碰撞性能良好等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于汽車(chē)車(chē)身及結(jié)構(gòu)件制造[2]。

激光焊由于具有加熱和冷卻速度快以及熱作用范圍窄的特點(diǎn)，大大降低了超高強(qiáng)度鋼焊接的軟化區(qū)寬度，同時(shí)激光焊具有速度快、生產(chǎn)效率高、應(yīng)用于生產(chǎn)線(xiàn)的焊接柔性好等優(yōu)點(diǎn)，在超高強(qiáng)度鋼的焊接生產(chǎn)上擁有廣泛的應(yīng)用前景[3-4]。

本研究對(duì)成形增強(qiáng)雙相鋼DH590冷軋鍍鋅板進(jìn)行激光束焊接，確定了單板和搭接焊接時(shí)的最大焊接速度，分析焊接接頭的微觀組織和顯微硬度分布，并研究鋼板連續(xù)搭接和斷續(xù)搭接時(shí)的剪切拉伸性能和十字拉伸性能，對(duì)該鋼種的激光束焊焊接性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 試驗(yàn)材料和設(shè)備

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為DH590鍍鋅鋼板，鋼板厚度1.5mm。主要化學(xué)成分如表1所示，力學(xué)性能如表2所示。

表1 DH590的化學(xué)成分%

表2 DH590的力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

焊接試驗(yàn)使用的激光設(shè)備是HL4406D型Nd: YAG固體激光器，最大輸出功率4 400 W，光束質(zhì)量25mm·rad。對(duì)試樣鋼板進(jìn)行連續(xù)搭接和斷續(xù)搭接焊接，在焊接接頭處切取10mm×10mm的標(biāo)準(zhǔn)金相試樣，用4%的硝酸酒精溶液對(duì)其進(jìn)行腐蝕，使用Leica DMI5000M金相顯微鏡觀察微觀組織，并用Leica HXD-1000TM顯微硬度測(cè)試儀測(cè)量顯微硬度[5]。剪切拉伸試樣尺寸為45mm×120mm，搭接量16mm，十字拉伸試樣尺寸為50 mm×150mm，使用型號(hào)為Zwick-Z100的拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)試焊接試樣的剪切拉伸性能和十字拉伸性能。連續(xù)搭接焊接時(shí)的剪切拉伸試樣如圖1所示，在搭接面上形成一條連續(xù)的焊縫。斷續(xù)搭接焊接時(shí)的拉伸試樣如圖2所示，在搭接面中心形成一條長(zhǎng)25mm的焊縫。十字拉伸試樣如圖3所示，搭接面中心焊縫長(zhǎng)度為25mm。

圖1 連續(xù)搭接剪切拉伸試樣

圖2 斷續(xù)搭接剪切拉伸試樣

2 分析和討論

2.1 最大焊接速度

圖3 十字拉伸剪切拉伸試樣

分別對(duì)厚1.5 mm的DH590+Z鋼板在單板試樣和搭接試樣下的最大焊接速度進(jìn)行測(cè)試，最大焊接速度定義為在焊縫根部面形成能辨認(rèn)出的連續(xù)焊縫的最大焊接速度。激光功率設(shè)定為3.6 kW，焊接速度的間隔為0.2 m/min，對(duì)單板和搭接板進(jìn)行不同速度下的焊接測(cè)試。單板測(cè)試的結(jié)果如圖4所示，在焊接速度為6.8 m/min時(shí)，焊縫根部面形成了能辨認(rèn)出的連續(xù)焊縫；在7 m/min的焊接速度下，出現(xiàn)了不連續(xù)的焊縫點(diǎn)，該鋼板的單板最大焊接速度為6.8 m/min。

圖4 單板焊接速度測(cè)試試樣結(jié)果

搭接板測(cè)試結(jié)果如圖5所示。在3.2 m/min的焊接速度下，焊縫根部面形成了能辨認(rèn)出的連續(xù)焊縫；在3.4 m/min的焊接速度下，出現(xiàn)了不連續(xù)的焊縫點(diǎn)，該鋼板的搭接板最大焊接速度為3.2 m/min。

圖5 搭接焊接速度測(cè)試試樣結(jié)果

2.2 焊接接頭組織形貌

觀察厚1.5 mm DH590+Z鋼板搭接焊焊接接頭的組織形貌，接頭的宏觀形貌如圖6所示，此時(shí)的激光功率4 kW，焊接速度3.2 m/min。

圖6 搭接焊焊接接頭宏觀形貌

搭接接頭的微觀組織形貌如圖7所示，母材組織是由鐵素體和鐵素體晶界上的島狀馬氏體組織組成，組織沿軋向呈拉長(zhǎng)狀態(tài)。熱影響區(qū)主要為馬氏體組織和少量的鐵素體組織，焊縫區(qū)為板條狀馬氏體組織。

圖7 搭接接頭的微觀組織

2.3 剪切拉伸性能和十字拉伸性能

分別對(duì)試樣進(jìn)行連續(xù)搭接焊接和斷續(xù)搭接焊接，檢驗(yàn)搭接接頭的剪切拉伸性能，試樣尺寸如圖1、圖2所示，此時(shí)的激光功率為4 kW，焊接速度為3.2 m/min。分別對(duì)5個(gè)連續(xù)搭接剪切試樣和5個(gè)斷續(xù)搭接剪切試樣進(jìn)行剪切拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如圖8所示。

連續(xù)搭接試驗(yàn)的平均最大抗剪力為41.6 kN，達(dá)到最大抗剪力的平均位移為33.4 mm。斷續(xù)搭接試驗(yàn)的平均最大抗剪力為18.9 kN，達(dá)到最大抗剪力的平均位移為2.9 mm。通過(guò)對(duì)比可知，連續(xù)搭接的抗剪力是斷續(xù)搭接的兩倍以上，而達(dá)到最大抗剪力的平均位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于斷續(xù)搭接的，這說(shuō)明在連續(xù)搭接的情況下，焊接接頭破壞之前，母材經(jīng)歷了較大的拉伸變形，而在斷續(xù)搭接時(shí)，母材的變形較小。兩種搭接情況下焊接接頭的破壞形貌如圖9所示。在連續(xù)搭接的情況下，發(fā)生斷裂破壞的位置主要是在熱影響區(qū)，而在斷續(xù)搭接的情況下，發(fā)生破壞的位置是在搭接接頭的界面上，是界面破壞。

圖8 剪切拉伸試驗(yàn)結(jié)果

按照如圖3所示進(jìn)行十字拉伸試樣的焊接，檢驗(yàn)焊接接頭的抗拉性能。激光功率4 kW，焊接速度3.2 mm/s。分別對(duì)5個(gè)十字拉伸試樣進(jìn)行正拉試驗(yàn)，結(jié)果如圖10所示。平均最大抗拉力為12.5 kN，達(dá)到最大抗拉力的平均位移為54.5 mm。

焊接接頭的抗拉力小于抗剪力，但是達(dá)到破壞時(shí)的位移量大于剪切時(shí)。十字拉伸時(shí)焊接接頭的破壞形貌如圖11所示，破壞的位置位于母材，說(shuō)明此時(shí)母材的拉伸變形已經(jīng)達(dá)到極限，發(fā)生破壞，這也是焊接接頭抗拉時(shí)的位移量大于剪切時(shí)的原因。

2.4 焊接接頭顯微硬度分布

圖9 搭接接頭的破壞形貌

圖10 十字拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖11 十字拉伸時(shí)焊接接頭的破壞形貌

對(duì)連續(xù)搭接試樣和斷續(xù)搭接試樣進(jìn)行顯微硬度分析，加載力1 000 g，從一側(cè)母材經(jīng)過(guò)焊縫到另一側(cè)母材，打點(diǎn)間隔300 μm，連續(xù)搭接試樣和斷續(xù)搭接試樣的顯微硬度分布如圖12所示。在連續(xù)搭接和斷續(xù)搭接的情況下，焊接接頭的顯微硬度分布差別不大。焊縫區(qū)的顯微硬度為400～450 HV，母材區(qū)顯微硬度為200 HV，熱影響區(qū)沒(méi)有明顯的軟化點(diǎn)。

圖12 顯微硬度分布

2.5 焊縫X光探傷檢測(cè)

對(duì)十字拉伸試樣、斷續(xù)搭接剪切試樣和連續(xù)搭接剪切試樣進(jìn)行X光探傷，檢測(cè)焊縫的完整性，結(jié)果如圖13所示。在3種試樣中，焊縫中都不存在氣孔和裂紋等缺陷，焊接效果良好，焊縫完整性好。

3 結(jié)論

（1）厚1.5mm規(guī)格的DH590+Z鋼板單板最大焊接速度為6.8m/min，搭接板最大焊接速度為3.2m/min。

（2）連續(xù)搭接試驗(yàn)的平均最大抗剪力為41.6kN，達(dá)到最大抗剪力的平均位移為33.4 mm；斷續(xù)搭接試驗(yàn)的平均最大抗剪力為18.9 kN，達(dá)到最大抗剪力的平均位移為2.9 mm；焊接接頭的平均最大抗拉力為12.5 kN，達(dá)到最大抗拉力的平均位移為54.5 mm。

圖13 X光探傷檢測(cè)

（3）焊縫區(qū)顯微硬度在400～450HV，母材區(qū)的顯微硬度約為200HV，熱影響區(qū)不存在明顯的軟化點(diǎn)。

（4）對(duì)焊接接頭進(jìn)行X光探傷檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)氣孔和裂紋等缺陷，焊縫質(zhì)量良好。

[1]王曉南，鄭知，曾盼林，等.800MPa級(jí)高強(qiáng)鋼光纖激光焊接接頭微觀結(jié)構(gòu)對(duì)硬度及疲勞性能的影響[J].中國(guó)激光，2016（12）：109-118.

[2]汪小培，張永強(qiáng)，鞠建斌，等.DP590激光拼焊板焊接性能和成形性[J].電焊機(jī)，2016，46（8）：22-25.

[3] 陳俐，胡席遠(yuǎn)，胡倫驥.高強(qiáng)鋼的激光焊接性研究[J].應(yīng)用激光，2003，23（1）：19-21.

[4] 陳樹(shù)君，王超，郝素鋒,等.熱沖壓高強(qiáng)鋼電阻+激光組合點(diǎn)焊工藝[J].焊接學(xué)報(bào)，2013，34（5）：5-8.

Research on laser beam welding characteristics of DH590 steel

WANG Xiaopei1，YI Rigui1，ZHANG Yongqiang1，YANG Jianwei1，LIU Weining2，LI Feng3
（1.Shougang Research Institute of Technology，Beijing 100043，China；2.State Grid Corporation of China，AC Construction Branch，Beijing 100031，China；3.State Grid Corporation of China，Beijing 100031，China）

Through the laser beam welding experiments of 1.5 mm DH590 steel plate，the welding characteristics and welding joint performance are investigated.The results show that the maximum welding speed for single sheet thickness of DH590 is 6.8 m/min and the maximumweldingspeedonalapjointis3.2m/min.Themaximumsheartensileforceforcontinuouslapweldsandstitchedlapweldsare41.6kN and 18.9 kN，respectively.The maximum cross tension force of welding joints is 12.5 kN.The microhardness distribution of fusion zone in weldingjointishomogeneousandtherearenosofteningpointsintheheataffectedzone.X-raydetectionsarecarriedoutontheweldingjoints andtheporosityandcrackdefectsarenotfound，whichindicatesthegoodweldingqualityoftheweldedjoints.

DH steel；laser beam welding；welding procedures；welding properties

TG456.7

A

1001－2303（2017）08－0071-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.08.13

2017-04-10

汪小培（1987—），男，工程師，碩士，主要從事材料焊接性和焊接工藝的研究工作。E-mail：wangxp 198710@163.com。

本文參考文獻(xiàn)引用格式：汪小培，伊日貴，張永強(qiáng)，等. DH590鋼板激光束焊的焊接特性研究[J].電焊機(jī)，2017，47（08）：71-75.