随着现代交通运输业的飞速发展, “轻量化”与“驾乘服役安全性”已成为材料制备和结构设计领域追求的至高目标.车用先进高强度钢在保证服役安全性的同时, 使车身结构轻量化成为可能^[1].双相钢(dual-phase steel, DP钢)由于具有高强塑积、优异的加工硬化和成形性能, 被大量应用于车身关键结构部件的制备和生产^[2].激光焊接在提高车身连接部位强度及车身尺寸匹配精度、减轻车身重量及结构刚度等方面具有其他连接方式不可替代的优势^[3].更为重要的是, 在高速冲压成形及服役碰撞过程中, 车身焊接结构不可避免地要承受高速动态载荷(应变速率最高可达10³ /s)^[4].车用DP钢的变形行为具有明显的应变速率敏感性^[5-7], 其焊接结构在动态载荷下的变形行为, 必然对其实际服役可靠性产生影响.当前关于DP钢激光焊接接头的相关研究主要关注接头组织演变对静态和准静态载荷下力学性能的影响^[8-14], 而激光焊接工艺参数对接头动态变形行为影响的研究却鲜有报道.

本文采用脉冲激光对车用DP780钢板进行对接焊接实验, 着重研究激光焊接速度对接头表面成形质量、显微组织、硬度分布、热软化程度和不同应变速率下拉伸性能的影响.该研究结果对于合理设计DP钢关键焊接结构、优化焊接工艺和保证车身构件服役安全性提供必要的依据.

研究用1.4 mm厚车用冷轧DP780钢板材, 其主要化学成分(质量分数/%)为C 0.085, Mn 2.083, Si 0.183, S 0.002, P 0.008, 余量为Fe.原始组织(图 1)为铁素体基体上分布着岛状马氏体组织(体积分数约为32%).

图 1(Fig. 1)

图 1 DP780钢原始组织 Fig.1 Microstructure of DP780 steel as-received

焊接实验选用JHM-1GY-700型脉冲Nd:YAG固体激光器(波长1.06 μm, 聚焦镜焦距100 mm).接头形式为对接焊接, 利用线切割将钢板加工成65 mm×45 mm的待焊试样, 长度方向为轧制方向.焊接过程中氩气保护气(纯度99.99%)的流量为20 L/min.选取相同的离焦量、脉冲宽度、脉冲频率和焊接电流, 改变焊接速度制备DP780钢对接接头试样, 焊接工艺参数及试样编号见表 1.

表 1(Table 1)

表 1 激光焊接参数 Table 1 Laser welding parameters 试样编号 焊接速度 离焦量 脉宽 频率 焊接电流 单脉冲能量 热输入×103 mm·min-1 mm ms Hz A J J·mm-1 1 200 2.5 9.0 9.0 90 13.9 7.722 2 300 2.5 9.0 9.0 90 13.9 5.148 3 400 2.5 9.0 9.0 90 13.9 3.861 4 500 2.5 9.0 9.0 90 13.9 3.089 5 700 2.5 9.0 9.0 90 13.9 2.206

表 1 激光焊接参数 Table 1 Laser welding parameters

利用WILSON WDPERT Tukon1102维氏显微硬度计测量DP780接头横截面距离表面0.15 mm处的显微硬度, 载荷为50 g, 加载时间为10 s, 相邻压痕间距为0.04 mm.参照ISO 26203-2标准, 利用线切割将DP780钢母材和焊接接头加工为拉伸样品(平行段尺寸为10 mm, 夹持端宽度为15 mm, 试样总长为130 mm).室温准静态拉伸(应变速率范围为10^-3~1/s)和高应变速率动态拉伸试验(应变速率范围为10~10³/s)分别在MTS 810材料试验机和ZWICK HTM5020高速拉伸试验机上进行.为避免动态拉伸时载荷信号的波动, 在样品非变形段粘贴应变片校正载荷信号, 利用超动态应变仪在1 MHz采样频率条件下同步采集载荷、变形和应变信号.

利用OLYMPUS LEXT 3100激光扫描共聚焦显微镜(LSCM)观察焊缝上下表面形貌.利用OLYMPUS GX51型光学显微镜(OM)和FEI NanoSEM 450型场发射扫描电子显微镜(SEM)观察DP780钢原始组织和接头截面各区显微组织.

不同激光焊接速度下DP780接头的表面和截面形貌如图 2所示.当以较小焊接速度进行对接焊接时(200 mm/min), 焊接热输入过大(表 1), 焊接过程中可观察到严重的飞溅现象, 焊缝表面局部出现了焊瘤, 相邻两焊点间搭接率较大, 焊缝表面成形较差; 焊缝熔宽增加, 上表面有明显下塌现象, 熔深过大.当焊接速度由300 mm/min增大至400 mm/min时, 接头截面形状过渡为倒梯形, 焊缝表面出现均匀清晰的鱼鳞状条纹, 搭接率和熔深适中, 无明显焊接缺陷, 焊接表面质量良好.当焊接速度继续增大至500 mm/min时, 焊接热输入减小, 搭接率减小, 使下表面相邻两焊点间无重叠, 出现漏焊现象; 接头截面局部可观察到气孔等焊接缺陷.当焊接速度达到700 mm/min时, 接头截面形状变为倒三角形, 下表面熔宽急剧减小, 由于焊接速度过大, 焊接热输入不足, 未实现熔透焊.

图 2(Fig. 2)

图 2 不同焊接速度下DP780钢焊接接头表面形貌和接头截面宏观形貌 Fig.2 Surface morphologies and overall view of laser welded joints of DP780 steel under various welding speeds (a)—200 mm/min；(b)—300 mm/min; (c)— 400 mm/min；(d)—500 mm/min; (e)—700 mm/min.

在熔焊过程中, 焊接接头各区域经历不同焊接热循环后其显微组织明显不同.DP780钢激光焊接接头由熔合区(fusion zone, FZ)、热影响区(heat-affected zone, HAZ)和母材(base metal, BM)三部分组成.

利用SEM对不同焊接速度下制备的焊接接头熔合区的显微组织进行了观察, 结果如图 3所示.激光焊接极高的加热和冷却速度导致熔合区具有典型的全马氏体组织.随焊接速度的增加, 熔合区马氏体组织有变细的趋势.

图 3(Fig. 3)

图 3 不同焊接速度下DP780钢焊接接头熔合区显微组织 Fig.3 Microstructure of FZs for laser welded joints of DP780 steel under various welding speeds (a)—200 mm/min；(b)—300 mm/min; (c)— 400 mm/min；(d)—500 mm/min; (e)—700 mm/min.

焊接过程中距熔合中心线不同距离的每一个位置处的温升峰值影响热影响区不同位置的组织变化, 热影响区又可细分为靠近熔合区的内侧热影响区和靠近基体的外侧热影响区, 其中内侧热影响区的SEM形貌如图 4所示.当远离熔合中心线时, 焊接过程所导致的温升峰值不断降低, 内侧热影响区的马氏体团簇尺寸减小, 比熔合区马氏体组织明显细化.由图 4可知, 随焊接速度的增加, 内侧热影响区的马氏体组织有变细的趋势.随着距熔合中心线距离进一步增加, 温升峰值降低至Ac₃以下时, 热影响区出现铁素体组织, 而且越远离熔合中心线, 铁素体含量越高.通过SEM观察, 5个不同焊接速度下DP780钢激光焊接接头外侧热影响区组织无明显差别.

图 4(Fig. 4)

图 4 不同焊接速度下DP780钢焊接接头内侧热影响区显微组织 Fig.4 Microstructure of inner HAZs for laser welded joints of DP780 steel under various welding speeds (a)—200 mm/min; (b)—300 mm/min; (c)— 400 mm/min; (d)—500 mm/min; (e)—700 mm/min.

不同激光焊接速度下DP780接头截面的硬度分布曲线, 如图 5所示.可见, 不同激光焊接速度下的DP780接头截面硬度分布趋势基本相同, 均以熔合中心线为对称轴, 接头各区域微观组织不同导致各区域的显微硬度存在差别.由于激光焊接极高的加热和冷却速度, 使得熔合区具有全马氏体组织, 其硬度远高于DP780钢母材的硬度, 存在熔合区硬化现象.从熔合区到热影响区, 随着距熔合中心线距离的增加, 铁素体含量逐渐增加, 马氏体含量逐渐减少, 而导致其硬度也随之逐渐降低.接头硬度最大值出现在熔合区和内侧热影响区的交界处, 相比熔合区的粗大马氏体组织, 此处的马氏体组织更为细小.在靠近母材的外侧热影响区存在硬度低于母材的软化现象.此外, 接头截面硬度分布结果还可以反映出焊缝熔宽、热软化区宽度等随焊接速度的变化.随焊接速度的增加, 焊缝熔宽和软化区宽度减小.图 6是不同焊接速度下DP780接头硬化的熔合区和软化的外侧热影响区平均硬度值的比较.

图 5(Fig. 5)

图 5 不同焊接速度下DP780钢焊接接头截面硬度分布 Fig.5 Hardness profiles for laser welded joints of DP780 steel under various welding speeds

图 6(Fig. 6)

图 6 不同焊接速度下DP780钢焊接接头熔合区和外侧热影响区平均硬度值 Fig.6 Average microhardness values of FZs and outer HAZs for laser welded joints of DP780 steel under various welding speeds

由图 5和图 6可知, 焊接速度过高和过低均会导致接头熔合区硬度下降.当焊接速度为200 mm/min时, 焊接过程热输入较大, 冷却速度下降, 导致熔合区马氏体组织粗大, 使其平均硬度值减小.当焊接速度为300 mm/min时, 接头截面最高硬度值可达母材的1.57倍.热影响区中硬度最低值与母材硬度值的对比关系体现了焊接接头软化的程度.所选取的5个焊接速度下, 外侧热影响区的平均硬度值约在264~280 HV之间.当焊接速度为200 mm/min时, 外侧热影响区的硬度最低值为264 HV, 比母材硬度308 HV降低44 HV, 其软化程度最大, 软化率^[3]约为14%.当焊接速度增加至400 mm/min时, 热影响区硬度最低值为280 HV, 软化率降低为9%.不同激光焊接速度下焊接热输入和高温停留时间不同所造成的马氏体回火程度不同, 导致DP780焊接接头热影响区的软化程度不同.焊接速度减小时, 软化程度增强的趋势明显.

对不同激光焊接速度下制备的DP780接头拉伸试样进行不同应变速率的室温拉伸试验, 应变速率范围为(10^-3~10³)/s, 实验获得不同应变速率下的拉伸应力-应变曲线.图 7是三个典型应变速率下静态(10^-3/s)、准静态(1/s)和动态载荷(10³/s)拉伸的应力-应变曲线, 可见塑性变形阶段焊接接头的变形行为存在较为明显的应变速率敏感性.

图 7(Fig. 7)

图 7 典型应变速率下不同焊接速度DP780钢焊接接头的应力-应变曲线 Fig.7 Stress-strain curves of laser welded joints of DP780 steel under various welding speeds at typical strain rates (a)—10-3/s；(b)—1/s；(c)—103/s.

DP780钢激光焊接接头力学性能随应变速率和焊接速度的变化规律如图 8所示.可见, 焊接接头的屈服强度和抗拉强度随应变速率的提高呈增加趋势; 而随焊接速度的提高, 抗拉强度表现为先增加后减少的趋势, 在400或500 mm/min的焊接速度下达到最大值.DP780钢激光焊接接头以断裂延伸率表征的塑性指标随焊接速度的变化规律在三个典型应变速率下保持一致, 均表现为先增加后减少的趋势, 在400或500 mm/min的焊接速度下达到最大值.由此可见, 上述DP780钢激光焊接接头强度和塑性指标随焊接速度的变化和不同焊接速度下接头熔合区和软化热影响区的硬度平均值结果(图 6)保持一致.当焊接速度为400 mm/min时, DP780激光焊接接头外侧热影响区软化程度最低, 熔合区硬度适中, 接头整体强度和塑性指标达到最佳值.

图 8(Fig. 8)

图 8 不同焊接速度下DP780钢焊接接头力学性能随应变速率的变化 Fig.8 Dependence of tensile properties of laser welded joints of DP780 steel on strain rate under the various welding speeds (a)—屈服强度；(b)—抗拉强度；(c)—断裂延伸率.

考虑上述激光焊接速度对DP780钢焊接接头表面成形、焊接质量、显微组织、硬度分布和不同应变速率拉伸性能的影响规律, 可见, 焊接速度过高(焊接热输入小)或过低(焊接热输入大)都不利于获得成形质量良好、组织和硬度分布均匀以及力学性能优良的焊接接头, 当焊接速度为400 mm/min时接头焊接质量良好, 且具有最佳强塑性匹配.

1) 利用脉冲Nd:YAG激光器对接焊接1.4 mm厚车用DP780钢板材时, 焊接速度对焊缝表面成形性和焊接质量的影响存在最佳值.当其他焊接参数不变的情况下, 选取400 mm/min的焊接速度可以获得焊缝成形质量良好的焊接接头.随焊接速度的提高, 焊接热输入降低, 冷却速度加快, 导致焊缝熔宽和热影响区宽度减小, 组织变细.

2) 不同焊接速度下DP780钢激光焊接接头的硬度分布规律相同, 均存在熔合区硬化和外侧热影响区软化现象.焊接速度减小时, 由马氏体回火造成的软化程度增强的趋势明显, 焊接速度为200 mm/min时, 接头软化率高达14%.

3) DP780钢激光焊接接头的室温拉伸性能具有较为明显的应变速率敏感性, 焊接接头的屈服强度和抗拉强度随应变速率的增加而增大.而随焊接速度的提高, DP780钢激光焊接接头的抗拉强度和断裂延伸率呈先增加后减少的趋势.当焊接速度为400 mm/min时, DP780钢激光焊接接头表面成形性好、熔深和熔宽适中、无焊接缺陷、外侧热影响区软化程度最低(软化率为9%), 熔合区硬度适中, 接头整体强度和塑性指标达到最佳值.