鋁硅鍍層熱成形鋼拼焊板箔材填充激光焊的組織與性能研究

林文虎，李芳，華學明

(1.上?？萍即髮W創(chuàng)意與藝術學院智造系統(tǒng)工程中心,上海 201210；2.上海交通大學材料科學與工程學院上海市激光制造與材料改性重點實驗室,上海 200240)

0 序言

隨著汽車輕量化發(fā)展，鋁硅鍍層熱成形鋼成為越來越重要的汽車用先進高強鋼，廣泛用于汽車A 柱、防撞梁等安全結構零部件[1].鋁硅鍍層一方面可以抑制熱成形過程中氧化皮和脫碳的形成，另一方面受富鋁析出相(主要是金屬間化合物和高溫鐵素體)的影響，熱成形后拼焊板接頭強度和塑性均大幅降低[2–4].目前工業(yè)生產中普遍采用激光燒蝕的方法預先去除拼焊板邊緣的鋁硅鍍層[5]，降低焊縫鋁含量，減少高溫鐵素體，但受限于專利壟斷和設備成本，急需提出一種替代解決方案.

Wang 等人[6]提出通過不改變基材組織形貌的情況下，預先通過熱處理或激光改變鍍層結構，由鋁硅共晶組織轉變?yōu)镕e-Al 金屬間化合物，可以有效提高焊接接頭的強度.Sun 等人[7]提出通過脈沖激光增加熔池流動性，減少元素偏析，可以提高焊接接頭性能.類似的現(xiàn)象，Lin 等人[8]認為改變匙孔的穿透狀態(tài)可以抑制下表面鍍層進入熔池，降低焊縫局部鋁含量，改變焊接接頭的組織和性能.Khan 等人[9]通過表面預涂覆碳膜，促進飛濺的產生，移除部分上表面鋁鍍層，降低熔池鋁含量，并適當?shù)剡^渡碳元素進入焊縫，提高高溫奧氏體的穩(wěn)定性，抑制δ 鐵素體的生成.

填充材料也是一種常見的焊接冶金方法，通過絲材或箔材改變焊縫的成分.Lin 等人[10]選擇了不同的低碳高強鋼焊絲ER70S/ER90S/ER110S 三種焊絲，通過調控填絲速度和焊接速度，可以有效減少焊縫δ 鐵素體，促進塊狀δ 鐵素體轉變成細小彌散的δ 鐵素體，焊接接頭抗拉強度提高至1500 MPa.韓國現(xiàn)代汽車公司研究了高碳鋼焊絲對鋁硅鍍層熱成形鋼拼焊板的組織和性能的改善，碳含量從0.2 %提高至0.6 %可以使形成δ 鐵素體的臨界鋁含量(質量分數(shù))從1.25 %提高至3.7 %[11].Wang等人[12-13]對比了填充不同厚度Ni 箔對鋁硅鍍層熱成形鋼焊接接頭組織和性能的影響，Ni 元素可以抑制δ 鐵素體的形成，填充0.03～ 0.06 mm 厚度的Ni 箔可以獲得1 600 MPa 的抗拉強度.Shehryar 等人開展了電火花沉積WC 和In625 的方式改善鋁硅鍍層22MnB5 焊接接頭組織和性能的研究，也獲得了1.5 GPa 的接頭強度.

除了Ni 和C 元素外，Mn 元素、Cu 元素、N 元素也是常見的奧氏體化元素.文中擬探討其他箔材(Fe 箔、Ni 箔和Cu 箔)對鋁硅鍍層拼焊板的組織的影響，闡明箔材的稀釋和元素調控的作用，提升不預去除鍍層激光焊接頭的強度.

1 試驗方法

試驗采用的激光器為IPG 10000YLS，光斑直徑0.7 mm，選擇的激光功率為3 kW，焊接速度為5.8 m/min，無保護氣，離焦量為0 mm.鋁硅鍍層22MnB5 板材厚度為1.5 mm，抗拉強度達到1 550 MPa，斷后伸長率為4 %.箔材尺寸與板材長度和厚度一致，箔材預先置于兩塊板材對接間隙，用夾具固定加緊.表1 列出了試驗所選擇的箔材，箔材厚度大約50 μm.為了減少保護氣氣流對固定箔材的影響，所有試驗均在空氣氛圍中進行，對照試驗組為無填充材料拼焊板焊接.拼焊板放入熱處理爐中950 °C 加熱保溫5 min，然后水冷至室溫.拉伸試樣尺寸、拉伸試驗測試條件與文獻[10]相同.維式硬度測試條件為100 g 加載15 s，硬度點間距60 μm.

表1 試驗所用的材料及箔材Table 1 Foils used in this experiment

2 試驗結果

2.1 焊接接頭組織

圖1 顯示了不同箔材填充鋁硅鍍層熱成形鋼激光焊的焊接接頭橫截面，顯示對接板厚度方向的錯邊量在10%的范圍，填充箔材完全熔化，并混入焊接熔池.圖2 顯示了熱成形后不同箔材填充鋁硅鍍層熱成形鋼激光焊的接頭橫截面，結果顯示無論是否填充箔材，所有焊接接頭的熱影響區(qū)組織差異消失，呈現(xiàn)與母材一致的板條馬氏體組織，但焊縫組織仍存在不均勻組織，且與箔材種類有關.圖3顯示了箔材種類對焊縫微觀組織的影響，依據(jù)ImageJ 測量δ 鐵素體比例分別為19%，12%，0%和0%.無填充材料時，焊縫組織為板條馬氏體和δ 鐵素體的兩相組織；填充Fe 箔時，焊縫組織也是由板條馬氏體和δ 鐵素體組成，但δ 鐵素體的尺寸更細小，所占比例更低，說明Fe 箔起到了稀釋焊縫的作用；填充Ni 箔時，焊縫組織幾乎完全轉變?yōu)榘鍡l馬氏體，說明Ni 箔的影響更顯著，能減少焊縫δ 鐵素體；填充Cu 箔時，焊縫組織為板條馬氏體和貝氏體的混和組織.

圖1 不同填充箔材鋁硅鍍層熱成形鋼激光焊接頭橫截面Fig.1 Welded joints of Al-Si coated hot stamping steel with different foils before hot working.(a) no foil;(b) Fe foil;(c) Ni foil;(d) Cu foil

圖2 熱成形后不同填充箔材鋁硅鍍層熱成形鋼激光焊接頭橫截面Fig.2 Weld joints of Al-Si coated hot stamping steel with different foils after hot working.(a) no foil;(b)Fe foil;(c) Ni foil;(d) Cu foil

圖3 箔材對熱成形后填充激光焊焊縫組織形貌的影響Fig.3 Fusion zone microstructure of Al-Si coated hot stamping steel with different foils after hot working.(a) no foil;(b) Fe foil;(c) Ni foil;(d) Cu foil

2.2 力學性能

表2 列出了熱成形后不同箔材填充激光焊接接頭的力學性能.無填充材料的焊接接頭抗拉強度為1 239 MPa，與文獻[8]中有Ar 氣保護的強度(1 219 MPa)接近，說明氧化性氣氛(空氣)對深熔焊焊縫的力學性能的影響有限；填充Fe 或Ni 箔后，焊接接頭強度分別提高至1 349 MPa 和1 355 MPa，仍低于母材熱成形態(tài)的強度，提高的幅度相近，與文獻[12]填充Ni 箔的試驗結果存在差距，可能原因是Ni 箔厚度不同；填充Cu 箔時，焊接接頭的強度僅為909 MPa.圖4 所示為不同箔材填充激光焊接頭的拉伸曲線，所有接頭的塑性變形量很小，載荷達到材料屈服階段后迅速斷裂，沒有加工硬化過程，說明裂紋萌生后快速擴展，發(fā)生斷裂.圖5 顯示了不同箔材填充激光焊接頭拉伸試驗后的斷口形貌.無箔材填充時，斷口形貌以解理面和撕裂棱混和組成，是準解理斷裂；填充Fe 箔和Ni 箔時，斷口由韌窩組成，其中Ni 箔填充的韌窩更大更深，具有更大的塑性變形，是韌性斷裂；填充Cu 箔時，斷口有樹枝晶形貌特征和微裂紋，是沿晶斷裂的脆性斷口.

圖4 熱成形后箔材填充激光焊接頭的力學性能Fig.4 Tensile stress-strain curves of welded joints of Al-Si coated hot stamping steel with different foils after hot working

圖5 不同箔材填充激光焊接頭拉伸斷口形貌Fig.5 Fractography of welded joints of Al-Si coated hot stamping steel with different foils after hot working.(a) no foil;(b) Fe foil;(c) Ni foil;(d) Cu foil

表2 熱成形后箔材填充激光焊接頭的力學性能Table 2 Tensile properties of welded joints after hot working using different foils

圖6 為不同箔材填充激光焊接頭的硬度分布曲線，填充Ni 箔和Cu 箔后硬度均提高至與母材接近的水平(550 HV0.1)，填充Fe 箔的焊縫區(qū)硬度不均勻，部分區(qū)域硬度達到500 HV0.1，部分低于400 HV0.1，而不填充箔材的焊縫區(qū)硬度焊縫區(qū)硬度最低.

圖6 不同箔材填充激光焊接頭的硬度分布曲線Fig.6 Micro hardness distribution of welded joints of Al-Si coated hot stamping steel with different foils after hot working

3 結論

(1)使用3 種50 μm 厚度規(guī)格的箔材(Fe 箔、Ni 箔和Cu 箔)對1.5 mm 厚度的鋁硅鍍層熱成形鋼進行焊接，當激光功率為3 kW，焊接速度為5.8 m/min 焊接以及950 ℃保溫5 min 水冷的條件下熱成形處理，結果表明無填充材料的焊接接頭強度為1239 MPa，而填充Fe 和Ni 箔均提高了焊接接頭強度，分別為1349 MPa 和1355 MPa，但是塑性提高有限，從1.32%分別提升至1.51%和1.77%.但是，添加奧氏體化元素Cu 箔的效果較差，導致焊接接頭強度降低至909 MPa，斷后伸長率僅0.68%.

(2)填充箔材均有稀釋焊縫鋁含量的作用，抑制δ 鐵素體的生成，促進焊縫板條馬氏體比例的增加.填充Ni 箔的效果更佳，具有增強增韌基體的作用；Cu 箔最差，雖然Cu 元素促進焊縫板條馬氏體的增加，但Cu 箔使接頭脆化，強度和塑性最低，斷口呈沿晶斷裂.

(3)填充箔材尚未完全解決鋁硅鍍層熱成形鋼拼焊板塑性差的問題，需要進一步的組織調控.