冷軋激光焊接DP780高鋁雙相帶鋼表面印跡產(chǎn)生原因

劉 穎，周朝剛，汪云輝，王書桓，艾立群，王海龍

(1.唐山科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，唐山 063009；2.華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院，唐山 063009；3.唐山市特種冶金及材料制備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，唐山 063009；4.河鋼集團(tuán)唐鋼公司技術(shù)中心，唐山 063016)

0 引 言

輕量化和節(jié)能降耗是近年來汽車行業(yè)發(fā)展的主要趨勢(shì)。780 MPa級(jí)高強(qiáng)雙相鋼具有高強(qiáng)度和高塑性，能夠滿足輕質(zhì)高強(qiáng)的要求，因此逐漸成為汽車用主要鋼種之一[1-2]。高強(qiáng)雙相鋼的顯微組織主要由鐵素體和馬氏體組成,為了滿足高強(qiáng)度和兩相組織要求，在成分設(shè)計(jì)時(shí)常添加錳、鉻、鋁、硅、鉬和鈮等合金元素。鋁元素在煉鋼過程中起到脫氧作用，其在常規(guī)雙相鋼中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在0.05%以內(nèi)；硅元素主要在退火過程中起到凈化鐵素體的作用，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.0%左右。高硅含量雙相鋼的成本較低，但是在熱軋過程中其帶鋼表面會(huì)形成鐵橄欖石，增大酸洗難度[3]，因此在成分設(shè)計(jì)時(shí)一般會(huì)以鋁代硅,并且鋁含量的提高還能夠起到延遲滲碳體形成、提高奧氏體中碳含量、增強(qiáng)奧氏體穩(wěn)定性從而提高帶鋼強(qiáng)度的作用。盧淋等[4]通過以鋁代硅成功開發(fā)出1 000 MPa級(jí)高鋁熱鍍鋅雙相鋼。鄧照軍等[5]研究了退火溫度對(duì)高鋁雙相鋼顯微組織的影響；王輝等[6]研究了鋁對(duì)冷軋雙相鋼高溫?zé)崴苄缘挠绊?，并制定了相?yīng)的連鑄生產(chǎn)工藝；涂英明等[7]、秦昊等[8]、董丹陽等[9]研究了不同強(qiáng)度等級(jí)雙相鋼激光焊接接頭的組織與性能。由此可見，高強(qiáng)度等級(jí)高鋁雙相鋼是研究熱點(diǎn)之一。

某公司進(jìn)行了鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.55%0.70%的DP780高鋁雙相鋼的試制工作，生產(chǎn)工藝流程為轉(zhuǎn)爐熔煉→精煉→連鑄→熱軋→頭尾焊接→酸軋(酸洗+冷軋)→連退(鍍鋅)。該雙相鋼經(jīng)熱軋后的鋼卷厚度一般在2.55.0 mm。為了滿足高速冷軋節(jié)奏，在酸軋入口采用米巴赫HSL17型激光焊機(jī)對(duì)鋼卷頭尾進(jìn)行焊接，焊接熱輸入控制在95140 J·mm-1之間，焊接速度在4.0～9.6 m·min-1，激光功率在3.6～12.0 kW，焊接過程中采用氦氣雙面保護(hù)，氦氣流量為40～70 L·min-1。焊接完成后帶鋼經(jīng)活套進(jìn)入4個(gè)酸洗槽進(jìn)行酸洗，通過鹽酸清除表面氧化鐵皮。1#，2#，3#，4#酸洗槽中鹽酸的質(zhì)量濃度分別不低于25，55，85，125 g·L-1，4個(gè)酸洗槽溫度均控制在70～85 ℃之間。帶鋼清洗干凈后進(jìn)入冷軋機(jī)組進(jìn)行冷軋，整體壓下率為50%～70%，軋至厚度為0.8～2.0 mm后進(jìn)行卷取。不同厚度熱軋帶鋼在冷軋后表面均出現(xiàn)垂直于長(zhǎng)度方向的橫向印跡，該印跡經(jīng)后道連退工藝后無法消除，加工成汽車零部件后表面出現(xiàn)色差，影響產(chǎn)品質(zhì)量。為此，作者詳細(xì)分析了橫向印跡產(chǎn)生的原因，并進(jìn)行了工藝改進(jìn)。

1 理化檢驗(yàn)及結(jié)果

1.1 化學(xué)成分及顯微組織

在連退后的DP780帶鋼上取樣，采用ARL4460型直讀光譜儀測(cè)定化學(xué)成分。由表1可知，試制的DP780帶鋼含有錳、鉻、鋁、鉬和鈮等合金元素，鋁元素含量較高，在0.55%～0.70%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)之間。在連退后的DP780帶鋼上取金相試樣，經(jīng)砂紙逐級(jí)打磨，拋光，用體積分?jǐn)?shù)4%硝酸酒精溶液腐蝕后，分別采用Axiovert 40MAT型光學(xué)顯微鏡(OM)和SIGMA-HD型掃描電鏡(SEM)觀察帶鋼顯微組織。由圖1可以看出，該試驗(yàn)鋼為典型的鐵素體+馬氏體雙相組織。

表1 試制DP780雙相鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

圖1 連退后DP780雙相帶鋼的顯微組織

1.2 表面形貌

不同厚度熱軋DP780帶鋼經(jīng)冷軋后，其表面均出現(xiàn)垂直于軋制方向的橫向印跡，其典型形貌如圖2(a)所示；橫向印跡周期性分布在帶鋼表面，與帶鋼焊縫經(jīng)軋制后出現(xiàn)的黑色印跡形貌相似，且印跡隨著距焊縫距離的增大逐漸變淡。高鋁帶鋼焊縫冷軋后的形貌見圖2(b)。

對(duì)同期生產(chǎn)的DP980帶鋼進(jìn)行表面形貌觀察，發(fā)現(xiàn)冷軋后其表面未出現(xiàn)周期性印跡，表面質(zhì)量良好，無缺陷，如圖3(a)所示，其焊縫表面也未出現(xiàn)黑色印跡，如圖3(b)所示。DP980雙相鋼的化學(xué)成分見表2。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，其與DP780雙相鋼在化學(xué)成分上的區(qū)別主要在于鋁含量。DP980雙相鋼中的鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.035%～0.055%，低于DP780雙相鋼的。

1.3 焊縫硬度

采用MHT-10型顯微硬度計(jì)測(cè)定冷軋后DP780和DP980雙相鋼焊縫的顯微硬度，載荷為1.96 N，保載時(shí)間15 s，每隔100 μm取點(diǎn)測(cè)試。由圖4可以看出，2種鋼焊縫的硬度均高于母材的，并且DP980雙相鋼焊縫和母材的硬度均高于DP780雙相鋼的。DP980雙相鋼冷軋后表面未出現(xiàn)印跡，因此初步判斷DP780雙相鋼表面的印跡與焊縫硬度無相關(guān)性。

圖2 冷軋后DP780帶鋼表面印跡與焊縫形貌

圖3 冷軋后DP980帶鋼表面形貌與焊縫形貌

表2 DP980雙相鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

圖4 冷軋后DP780和DP980帶鋼焊縫和母材的硬度分布

1.4 焊縫微區(qū)成分

在冷軋后DP780帶鋼焊縫區(qū)取樣，采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的稀鹽酸和超聲波進(jìn)行清洗，在SIGMA-HD型掃描電鏡上觀察微觀形貌，使用附帶的X-maxN型能譜儀(EDS)進(jìn)行微區(qū)成分分析。由圖5可以看出：焊縫區(qū)存在凹陷的黑色區(qū)域，黑色區(qū)域中位置1處主要由氧和鋁元素組成，且氧與鋁均富集在黑色區(qū)域，說明鋁發(fā)生氧化形成了氧化鋁。

將圖5(a)中的黑色區(qū)域放大觀察，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域表面存在破碎現(xiàn)象，EDS檢測(cè)發(fā)現(xiàn)該區(qū)域主要含有氧和鋁元素，如圖6所示。

2 表面印跡形成原因及解決措施

2.1 形成原因

由理化檢驗(yàn)結(jié)果可知：試制試驗(yàn)鋼中的鋁含量在0.55%0.70%，硅含量不高于0.1%，組織為鐵素體+馬氏體雙相組織；經(jīng)激光焊接、酸洗并冷軋后，試驗(yàn)鋼焊縫硬度高于母材的，但與未產(chǎn)生印跡的硬度更高的DP980雙相鋼對(duì)比可知，焊縫的高硬度并不是試驗(yàn)鋼冷軋后表面形成印跡的原因；通過掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)鋼焊縫表面存在氧化鋁，且氧化鋁發(fā)生破碎。

在激光焊接過程中，當(dāng)激光功率密度大于106W·cm-2時(shí)，表面金屬發(fā)生熔化和蒸發(fā)，在金屬蒸氣壓力的作用下形成小孔；在穩(wěn)定的小孔效應(yīng)作用下，焊縫溫度急劇升高，其中心峰值溫度達(dá)到2 450 ℃以上[10]。在試驗(yàn)鋼焊接過程中，激光頭的移動(dòng)速度一般在100140 mm·s-1，保護(hù)氣體噴嘴同步同速移動(dòng)，這使得仍處于高溫狀態(tài)的焊縫金屬逐漸暴露于空氣中發(fā)生固態(tài)氧化[11]。由于DP780雙相鋼中的鋁含量較高，而高溫狀態(tài)下鋁存在優(yōu)先氧化行為[12-13]，因此焊縫金屬表面形成氧化鋁顆粒；并且粗糙的焊縫表面加劇了顆粒狀氧化鋁的不均勻聚集程度。在后續(xù)酸洗過程中，表面聚集較多的氧化鋁未能全部去除，在冷軋過程中發(fā)生破碎；破碎的硬質(zhì)氧化鋁造成軋輥表面損傷，在軋制過程中使得帶鋼表面產(chǎn)生印跡。

圖5 冷軋后DP780雙相鋼焊縫表面SEM形貌與EDS分析結(jié)果

圖6 冷軋后DP780雙相鋼焊縫表面黑色區(qū)域的SEM形貌和EDS譜

2.2 解決措施

焊縫區(qū)氧化鋁的形成除了與母材的化學(xué)成分和氦氣保護(hù)設(shè)備有關(guān)以外，與焊接工藝參數(shù)的設(shè)定也密切相關(guān)。在生產(chǎn)中選取厚度為4.0 mm的熱軋DP780帶鋼，分別在3種焊接速度(2.4，4.8，7.2 m·min-1)下焊接并酸洗后，采用SIGMA-HD型掃描電鏡附帶的能譜儀分析微區(qū)成分。由圖7可以看出，隨著焊接速度的提高，酸洗后焊縫表面的氧化鋁含量減少，當(dāng)焊接速度提高到7.2 m·min-1時(shí)，酸洗后焊縫表面大部分氧化鋁已清除。

酸洗工藝對(duì)氧化鋁清除程度影響較大。將3#和4#酸洗槽溫度由75 ℃提高到85 ℃、鹽酸質(zhì)量濃度提高到50 g·L-1后，對(duì)在焊接速度7.2 m·min-1下激光焊接的厚度4.0 mm的熱軋DP780帶鋼進(jìn)行酸洗和冷軋。分別在酸洗后焊縫和冷軋后帶鋼表面取樣，經(jīng)酒精清洗后，采用SIGMA-HD型掃描電鏡觀察表面形貌。由圖8可以看出，酸洗完全清除了焊縫表面的氧化鋁，冷軋后帶鋼的表面質(zhì)量良好，未出現(xiàn)印跡。

圖7 不同焊接速度激光焊接DP780帶鋼經(jīng)酸洗后焊縫表面元素面分布

圖8 調(diào)整工藝焊接并酸洗后焊縫的表面形貌和冷軋后帶鋼的表面形貌

3 結(jié) 論

(1) 熱軋DP780高鋁帶鋼在激光焊接過程中，焊縫表面鋁元素優(yōu)先氧化形成氧化鋁，在其后酸洗過程中，表面氧化鋁未能完全去除并在冷軋過程中發(fā)生破碎；破碎的氧化鋁導(dǎo)致輥面損傷，使得帶鋼表面形成周期性印跡。

(2) 酸洗工藝不變的情況下，焊縫表面氧化鋁含量隨著焊接速度的提高而減少，對(duì)于厚度在4.0 mm的熱軋DP780帶鋼，當(dāng)激光焊接速度由4.8 m·min-1提高到7.2 m·min-1時(shí)，酸洗后焊縫表面氧化鋁基本得到清除；在焊接速度7.2 m·min-1條件下，提高酸洗溫度和酸液濃度后，焊縫表面氧化鋁完全清除，帶鋼表面印跡消失。