潘 華 吳 岳

（1.寶山鋼鐵股份有限公司研究院汽車用鋼研究所，上海 201900；2.汽車用鋼開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201900）

隨著我國汽車工業(yè)的快速發(fā)展，汽車產(chǎn)量不斷增加，能源消耗及環(huán)境污染問題已十分嚴(yán)峻。有研究表明，汽車自重下降10%，在其他條件不變的前提下，油耗可降低6% ～8%，因此汽車輕量化已成為汽車行業(yè)發(fā)展的主要方向之一［1-2］。采用先進(jìn)高強(qiáng)鋼代替?zhèn)鹘y(tǒng)的低碳鋼板，對(duì)減輕車身自重、降低油耗、提高汽車構(gòu)件強(qiáng)度意義重大。近年來，先進(jìn)高強(qiáng)鋼已經(jīng)逐漸成為極具競(jìng)爭(zhēng)力的汽車輕量化材料，在汽車上的應(yīng)用比例也在逐漸增加。

閃光對(duì)焊是輪輞焊接的主要方法。但在輪輞成型過程中，由于焊接的引入導(dǎo)致輪輞形成了與基體組織不同的焊接接頭特征區(qū)，部分焊件在焊接特征區(qū)發(fā)生縮頸，導(dǎo)致產(chǎn)品成品率降低，因此有必要對(duì)焊接接頭的組織和性能進(jìn)行觀察與分析。杜漢斌等［3］對(duì)硼鋼與DP780雙相鋼電阻點(diǎn)焊接頭的組織與性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)由于焊接熱循環(huán)中加熱峰值溫度的不同，焊接熱影響區(qū)的組織和性能也不同。

本文以閃光對(duì)焊制備的DP540雙相輪輞鋼焊接接頭為研究對(duì)象，利用顯微硬度測(cè)試和拉伸試驗(yàn)研究了其拉伸斷裂行為，并利用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡表征了接頭關(guān)鍵部位的微觀組織，研究了頸縮及接頭斷裂機(jī)制，為DP540雙相鋼在車輪輪輞上的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

采用6 mm厚DP540雙相鋼，其化學(xué)成分如表1所示。試驗(yàn)所取的1號(hào)與2號(hào)焊接試樣取自同一熔煉爐次，并采用相同的閃光對(duì)焊工藝焊接，具體焊接參數(shù)見表2。為了減小火焰切割對(duì)焊接接頭的影響，所取接頭距焊縫150 mm。在焊縫長(zhǎng)度的中間部位切取拉伸和金相試樣，尺寸分別為240 mm×20 mm×6 mm、80 mm×25 mm×6 mm，取樣位置如圖1所示。

表1 DP540雙相鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical composition of the DP540 dual-phase steel（mass fraction） %

金相試樣經(jīng)磨、拋后使用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕15 s左右，然后使用 Zeiss Imager A2m型蔡司金相顯微鏡和JSM-6700F型掃描電子顯微鏡觀察焊接接頭的顯微組織。使用MH-5L型維氏顯微硬度計(jì)測(cè)量接頭硬度，試驗(yàn)力為200 g，保載時(shí)間為 5 s，步距200μm。采用Instron5581標(biāo)準(zhǔn)拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)母材及焊接接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

表2 焊接工藝參數(shù)Table 2 Welding process parameters

圖1 拉伸及金相試樣取樣位置Fig.1 Sampling positions for tensile and metallographic specimens

2 結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

圖2為1號(hào)與2號(hào)試樣母材區(qū)微觀組織，可以發(fā)現(xiàn)兩種試樣的母材均主要為鐵素體和馬氏體雙相組織，以鐵素體為基體，馬氏體分布在鐵素體晶界。但兩者母材組織也存在區(qū)別，即2號(hào)試樣母材組織明顯比1號(hào)試樣細(xì)小。從馬氏體形態(tài)看，1號(hào)試樣馬氏體更粗大，多呈塊狀，2號(hào)試樣馬氏體晶粒細(xì)小，彌散均勻分布，呈島狀。研究表明［4-5］，鐵素體晶粒細(xì)化可提高材料強(qiáng)度，細(xì)小且均勻彌散分布的馬氏體在鋼的變形過程中會(huì)產(chǎn)生更好的應(yīng)力分配，使強(qiáng)度和延展性更好地結(jié)合。

1號(hào)和2號(hào)試樣焊接接頭的全景金相如圖3所示?？梢奃P540雙相鋼閃光對(duì)焊接頭可分為5個(gè)焊接特征區(qū)，依次為焊縫中心區(qū)、粗晶區(qū)、細(xì)晶區(qū)、不完全重結(jié)晶區(qū)和母材。

圖2 焊接接頭母材區(qū)微觀組織Fig.2 Microstructures of basemetal in the welded joints

圖3 焊接接頭金相全貌Fig.3 Overall view of the welded joints

焊縫中心區(qū)與粗晶區(qū)的顯微組織如圖4所示。可見兩種試樣焊縫兩側(cè)熔合良好，未出現(xiàn)氣孔、裂紋等明顯的焊接缺陷。閃光對(duì)焊過程中，焊接件兩端相對(duì)放置并逐漸接觸，一定時(shí)間后，施加頂鍛力擠掉處于熔化狀態(tài)的金屬，使兩端達(dá)到原子間的結(jié)合，因此焊縫中心是對(duì)焊接頭中溫度最高的區(qū)域，易導(dǎo)致組織嚴(yán)重粗化，如圖4（a、b）所示。粗晶區(qū)由于緊靠焊縫中心，其溫度接近焊縫中心的峰值溫度，因此在焊接過程中奧氏體晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大，冷卻后得到粗大的鐵素體。比較圖4（c）和圖4（d）發(fā)現(xiàn)，2號(hào)試樣粗晶區(qū)組織相比1號(hào)試樣更細(xì)小。這是因?yàn)?號(hào)試樣母材組織細(xì)小，在相同焊接熱輸入條件下得到了更細(xì)小的組織；同時(shí)，細(xì)小的母材組織中存在更多的晶界，在奧氏體形成和長(zhǎng)大過程中，較多的晶界對(duì)奧氏體長(zhǎng)大的阻礙作用更強(qiáng)，一定程度上也起到了細(xì)化晶粒的作用。

細(xì)晶區(qū)與不完全重結(jié)晶區(qū)的顯微組織如圖5所示。隨著與焊縫中心線距離的增加，峰值溫度逐漸降低，晶粒粗化現(xiàn)象越不明顯。細(xì)晶區(qū)緊鄰粗晶區(qū)，由于離焊縫中心較遠(yuǎn)，其峰值溫度顯著低于粗晶區(qū)，略高于Ac3溫度即完全奧氏體化溫度。因此，細(xì)晶區(qū)只發(fā)生了再結(jié)晶，并未出現(xiàn)晶粒長(zhǎng)大，冷卻后晶粒細(xì)小，馬氏體呈島狀彌撒分布于晶界，如圖5（a、b）所示。因此，細(xì)晶區(qū)的力學(xué)性能良好，接近甚至優(yōu)于母材。不完全重結(jié)晶區(qū)位于母材與細(xì)晶區(qū)之間，該區(qū)域峰值溫度進(jìn)一步降低，處于Ac1與Ac3之間，即奧氏體開始轉(zhuǎn)變溫度與完全奧氏體化溫度之間。在該區(qū)域，部分組織發(fā)生了相變重結(jié)晶，組織不均勻，晶粒大小也不一致，如圖5（c、d）所示。同時(shí)由于部分馬氏體分解，該區(qū)域硬度略有降低（見圖7）。

2.2 拉伸性能及顯微硬度

圖4 焊縫中心區(qū)與粗晶區(qū)的顯微組織Fig.4 Microstructures ofweld core and coarse-grained zone

圖5 細(xì)晶區(qū)與不完全重結(jié)晶區(qū)的顯微組織Fig.5 Microstructures of fine-grained zone and incomplete recrystallization zone

表3為1號(hào)和2號(hào)試樣母材及焊接接頭的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果。圖6為拉斷的1號(hào)和2號(hào)焊接接頭試樣。可以看到1號(hào)試樣斷裂在焊接熱影響區(qū)的粗晶區(qū)，2號(hào)試樣斷裂在母材。兩種試樣由于母材組織存在差異而形成了不同焊接特征區(qū)，進(jìn)而造成了拉伸斷裂位置的差異。

表3 母材及焊接接頭的力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of basemetal and welded joints

圖6 焊縫拉伸試樣斷裂位置Fig.6 Fracture positions of tensile specimen of the welded joints

1號(hào)試樣母材組織粗大，馬氏體多呈大塊狀，這對(duì)雙相鋼的性能會(huì)產(chǎn)生不利影響。雙相鋼在變形過程中，形變主要發(fā)生于軟相鐵素體，而大塊狀馬氏體相比小島狀馬氏體對(duì)鐵素體的變形阻礙作用更大，使鐵素體較小變形即產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，降低了母材的延展性，導(dǎo)致在拉伸變形過程中，韌性較差的粗晶區(qū)發(fā)生較大的變形，從而導(dǎo)致試樣斷裂在粗晶區(qū)。2號(hào)試樣母材組織細(xì)小，在相同焊接工藝條件下，焊接特征區(qū)組織相對(duì)較細(xì)，盡管粗晶區(qū)的韌性較差，但較細(xì)的母材組織在一定程度上減弱了粗晶區(qū)的劣勢(shì)，增強(qiáng)了粗晶區(qū)的抗變形性能，且2號(hào)試樣母材組織的變形能力優(yōu)于1號(hào)試樣，兩者綜合作用導(dǎo)致2號(hào)試樣在拉伸變形時(shí)斷裂在母材，提高了產(chǎn)品合格率。有研究表明［6-7］，細(xì)小彌散的雙相組織尤其是島狀馬氏體，有利于雙相鋼強(qiáng)度和延伸性的提高。

圖7為1號(hào)和2號(hào)焊接接頭試樣的顯微硬度分布。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，兩種試樣的焊縫中心硬度最高，這主要與閃光對(duì)焊工藝有關(guān)。閃光對(duì)焊過程中施加的頂鍛力會(huì)擠掉熔化金屬，使焊接件兩端達(dá)到原子間結(jié)合并產(chǎn)生大量位錯(cuò)，因此焊縫中心硬度最高。隨著與焊縫中心線距離的增加，位錯(cuò)密度逐漸下降，硬度也隨之降低，直至母材區(qū)域平穩(wěn)，且部分再結(jié)晶區(qū)因馬氏體的分解，硬度略有下降。此外，兩種試樣的硬度分布也存在差異。2號(hào)試樣的硬度明顯高于1號(hào)，這主要是因?yàn)?號(hào)試樣的組織比1號(hào)試樣更細(xì)小，組織的細(xì)化可增大鐵素體的晶格畸變能，從而導(dǎo)致硬度增加［8］。

3 結(jié)論

（1）DP540雙相鋼閃光對(duì)焊接頭可分為5個(gè)特征區(qū)，分別是焊縫中心區(qū)、粗晶區(qū)、細(xì)晶區(qū)、不完全重結(jié)晶區(qū)和母材。

圖7 焊接接頭顯微硬度分布Fig.7 Microhardness distributions in the welded joints

（2）DP540雙相鋼母材主要由鐵素體和馬氏體兩相組成，1號(hào)試樣母材組織粗大且馬氏體呈大塊狀，延展性較差，在拉伸變形時(shí)斷裂在粗晶區(qū)；2號(hào)試樣母材組織細(xì)小且馬氏體呈島狀彌散均勻分布，延展性較好，且粗晶區(qū)組織相比1號(hào)試樣更細(xì)小，在拉伸變形時(shí)斷裂在母材。兩種試樣母材組織的差異進(jìn)而影響整個(gè)焊接接頭的組織分布是造成接頭斷裂位置不同的主要原因。

（3）閃光對(duì)焊過程中，粗晶區(qū)峰值溫度較高，組織易粗化，屬于焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)。細(xì)化粗晶區(qū)組織，可提高該區(qū)域的抗變形性能。