供稿|韓宇，姜文超，劉志璞 /

作者單位：1. 本鋼技術(shù)研究院，遼寧 本溪 117000；2. 本鋼制造部，遼寧 本溪 117000

近年來，汽車的節(jié)能減排成為了社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)，尤其在新的限載令實(shí)施后，各個(gè)汽車廠家紛紛開始降低汽車使用材料的重量，以適應(yīng)汽車輕量化設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。一些工程作業(yè)車、大型載重車的車輪為滿足承載需要，常采用鋼制車輪，而輪輞則是鋼制車輪的重要承重部件[1]。RS590 是一種高強(qiáng)度車輪輪輞用鋼，使用該材質(zhì)制造的汽車車輪比用低強(qiáng)度級(jí)別鋼材制成的車輪更輕更薄，滿足汽車輕量化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

閃光對(duì)焊技術(shù)具有省時(shí)、省料、省能源的諸多優(yōu)點(diǎn)，成為了制造鋼制車輪輪輞的最常用焊接方法之一。輪輞焊接質(zhì)量的好壞直接影響到車輪乃至整車的使用性能與安全性能[2]。國內(nèi)某汽車車輪廠生產(chǎn)無內(nèi)胎車輪輪輞的生產(chǎn)流程為：開卷—平整—剪切—酸洗—滾圓—壓平—閃光對(duì)焊—刨渣—切焊縫邊—擴(kuò)口—三次滾型—圓形校正—?dú)饷軝z驗(yàn)—打孔—外觀檢查。在使用某批厚度為6.0 mm 的RS590 熱軋帶鋼生產(chǎn)載重汽車車輪輪輞時(shí)，經(jīng)閃光對(duì)焊后在三次滾型后的圓形校正工序時(shí)焊縫常出現(xiàn)開裂，開裂比率高達(dá)3%，大于企業(yè)內(nèi)控指標(biāo)(≤7‰)。為了查明該輪輞焊縫開裂的原因，通過成分檢驗(yàn)、力學(xué)性能檢驗(yàn)、硬度實(shí)驗(yàn)、光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡等手段分析了閃光對(duì)焊RS590 鋼輪輞焊縫開裂的原因，并提出了改進(jìn)方法。

理化檢驗(yàn)與結(jié)果

實(shí)驗(yàn)材料

RS590 是本鋼開發(fā)的新一代高強(qiáng)度車輪用熱軋雙相鋼，其組織為F+B 雙相組織。化學(xué)成分是在低碳、硅錳系成分基礎(chǔ)上，添加了少量的Nb 和Cr 元素。RS590 不僅具有高的疲勞性能，而且還具有高的擴(kuò)孔性能，可用于制作車輪的輪輞。

宏觀形貌

通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，RS590 車輪輪輞在閃光對(duì)焊后極少發(fā)生焊縫開裂現(xiàn)象，但在三次滾型之后的圓形校正工序常常會(huì)出現(xiàn)焊縫的局部開裂和完全開裂(炸裂)，如圖1(a)和圖1(b)所示。焊縫開裂基本上由輪輞邊部首先起裂，隨后裂紋沿著焊縫向輪輞中心擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到焊縫旁邊的母材時(shí)，裂紋會(huì)在母材處停止擴(kuò)展，形成局部開裂，而當(dāng)裂紋一直沿著焊縫擴(kuò)展時(shí)，往往會(huì)造成整條焊縫的完全“炸開”，形成完全開裂。

圖1 兩種典型的開裂情況

化學(xué)成分

為了分析RS590 鋼產(chǎn)生焊縫開裂的原因，研究人員從發(fā)生焊縫開裂的輪輞用RS590 鋼帶上取樣，按照GB/T4336—2016 采用ARL4460 型直讀光譜儀分析化學(xué)成分。結(jié)果見表1 可知，焊縫開裂輪輞用RS590 鋼帶的化學(xué)成分均在成分設(shè)計(jì)內(nèi)。這說明焊縫開裂的RS590 鋼的化學(xué)成分并無異常，符合用戶的要求。

表1 RS590 鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

力學(xué)性能

為了探究焊接前后RS590 鋼力學(xué)性能的變化，研究人員又從發(fā)生輪輞焊縫開裂的原料鋼帶上取了拉伸和彎曲試樣，同時(shí)又在閃光對(duì)焊后未擴(kuò)口和滾型時(shí)的半成品車輪上取了拉伸和彎曲試樣，以便研究對(duì)母材和焊縫的力學(xué)性能的變化。拉伸試樣采用A50標(biāo)距試樣，按照GB/T228.1—2010 的標(biāo)準(zhǔn)采用德國ZwickZ600 型拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。彎曲實(shí)驗(yàn)按照GB/T232—2010 的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行180°彎曲實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表2。按照車輪輪輞的制造工藝，鋼卷開卷后需裁切成縱向鋼帶，然后滾圓成鋼圈，所以帶有焊縫的拉伸和彎曲試樣只能取縱向試樣。

表2 RS590 鋼的力學(xué)性能

由表2 可以看出，同一鋼板的取樣方向不同，強(qiáng)度和延伸率會(huì)有所差別，通常情況下橫向試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度要高于同一鋼板的縱向試樣，而橫向試樣的延伸率要低于縱向試樣。雖然標(biāo)準(zhǔn)要求拉伸采用橫向試樣，但即使強(qiáng)度略低的母材縱向試樣的力學(xué)性能也滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，這表明本鋼的RS590 車輪鋼橫縱向的力學(xué)性能都可以達(dá)到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。通過對(duì)比母材和焊縫的拉伸試樣發(fā)現(xiàn)，焊縫拉伸試樣強(qiáng)度有所降低，延伸率下降明顯，并且在彎曲實(shí)驗(yàn)中焊縫位置出現(xiàn)裂紋，這表明RS590 鋼經(jīng)過閃光對(duì)焊后，焊縫處強(qiáng)度有所降低，但塑性嚴(yán)重降低。

硬度實(shí)驗(yàn)

為了探究焊縫開裂車輪與正常未開裂車輪的區(qū)別，研究人員又從發(fā)生焊縫開裂處和正常未發(fā)生焊縫開裂處的車輪上分別取硬度試樣，根據(jù)GB/T 4340.1—2009 的標(biāo)準(zhǔn)采用維氏硬度儀在兩支試樣從母材到焊縫橫截面上進(jìn)行線性的硬度測(cè)試。其中焊縫開裂處的硬度實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2，焊縫未開裂處的硬度實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖2 焊縫開裂處的硬度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3 焊縫未開裂處的硬度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)比圖2 和圖3 可以發(fā)現(xiàn)，開裂的試樣在焊縫位置硬度異常高，最高硬度可達(dá)360 HV10，焊縫平均硬度340 HV10。從母材到焊縫再到母材直線各點(diǎn)的硬度波動(dòng)較大。而未開裂的試樣母材與焊縫位置的硬度基本相同，均值為250 HV10，未開裂車輪的焊縫位置的硬度遠(yuǎn)低于開裂車輪焊縫處的硬度。

微觀組織與夾雜物觀察

在焊縫開裂輪輞的母材和焊縫區(qū)截取金相試樣經(jīng)打磨拋光后用4%體積分?jǐn)?shù)硝酸酒精溶液腐蝕然后在光學(xué)顯微鏡下觀察母材和焊縫的顯微組織，由圖4 可知，焊縫開裂輪輞母材的顯微組織由鐵素體和5%左右的貝氏體組成，鐵素體晶粒均勻細(xì)小晶粒度等級(jí)達(dá)到了12.5 級(jí)，而焊縫區(qū)顯微組織為粗大鐵素體＋魏氏組織＋極少量M-A 組元，鐵素體晶粒較粗大晶粒度等級(jí)為8.5 級(jí)。通過在金相顯微鏡下觀察母材的夾雜物等級(jí)，結(jié)果見表3，母材的D 類夾雜物偏高，但也符合標(biāo)準(zhǔn)要求。母材的內(nèi)部純凈度是影響車輪鋼焊接性能的一個(gè)重要材料因素，本鋼車輪鋼產(chǎn)品采用了非常嚴(yán)格的夾雜物等級(jí)放行要求，但RS590 鋼中夾雜物的存在依舊不可避免。

圖4 母材(a)與焊縫(b)的金相組織

表3 夾雜物的評(píng)級(jí)

選取焊縫開裂試樣，用掃描電鏡下觀察斷口形貌，如圖5 所示，焊縫區(qū)的斷口上存在著明顯的放射狀裂紋擴(kuò)展條紋。由此可以推測(cè)，裂紋是由焊縫區(qū)向焊接熱影響區(qū)與母材的過渡區(qū)擴(kuò)展的，焊縫區(qū)為解理斷裂解理斷口，存在非常明顯的河流花樣。同時(shí)，在脆性斷口上也發(fā)現(xiàn)了球狀?yuàn)A雜物，通過分析夾雜物的化學(xué)成分，由表4 可以判斷其來源為氧化鋁與渣中氧化鈣生成的復(fù)合化合物。

表4 夾雜物的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖5 掃描電鏡下微觀斷口形貌

原因分析

由理化檢驗(yàn)可知，出現(xiàn)焊縫開裂的輪輞所使用的母材，即RS590 鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能均滿足技術(shù)規(guī)范要求，閃光對(duì)焊后焊縫區(qū)強(qiáng)度有所降低，并在對(duì)焊縫進(jìn)行彎曲實(shí)驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)明顯裂紋，這說明閃光對(duì)焊后在焊縫及熱影響區(qū)位置強(qiáng)度和塑性下降。

閃光對(duì)焊時(shí)兩塊鋼板在焊縫處不需要額外添加焊接材料，僅是利用電阻熱加熱熔化鋼板間對(duì)接接頭觸點(diǎn)，在達(dá)到預(yù)定溫度時(shí)迅速施加頂鍛力，使兩個(gè)分離表面的金屬原子之間接近到晶格距離，完成焊接。所以閃光對(duì)焊的焊縫實(shí)際是母材金屬在高溫?zé)嶙冃蔚倪^程中形成的。在焊縫區(qū)顯微組織的典型缺陷有兩種：一是出現(xiàn)粗大的魏氏組織，二是存在球狀氧化物。

對(duì)于亞共析鋼來說，魏氏組織是指由晶界向晶內(nèi)生長而形成的一系列具有一定取向的片(或針)狀鐵素體。魏氏組織由于切變機(jī)制往往在一個(gè)粗大的奧氏體晶粒內(nèi)形成許多平行的片(或針) 狀鐵素體。魏氏組織不僅粗大而且在組織的片針狀末端都較為尖細(xì)，這些組織形貌會(huì)割裂鋼的基體，破壞基體的連續(xù)性降低鋼的韌性導(dǎo)致伸長率的降低[2,3]。

魏氏組織是先共析相的一種特殊形態(tài)，是因加熱工藝與冷卻工藝控制不當(dāng)產(chǎn)生的[2-4]。魏氏組織的形成與金屬在高溫停留的時(shí)間有關(guān)[4]。對(duì)于同一種焊接方法來說在高溫區(qū)停留時(shí)間越長，焊機(jī)傳遞給焊接接頭處的熱輸入越大，奧氏體晶粒就會(huì)有足夠的時(shí)間更加容易生成粗大的魏氏組織，從而造成焊接接頭的塑性也就變差。因此適當(dāng)降低熱輸入，縮短鋼材在高溫區(qū)的停留時(shí)間，有利于細(xì)化奧氏體晶粒，避免魏氏組織的形成。

對(duì)比焊縫開裂處與未開裂處的硬度可知，焊縫開裂處的硬度遠(yuǎn)高于周圍母材的硬度，硬度波動(dòng)遠(yuǎn)大于未開裂焊縫的焊縫與母材的硬度波動(dòng)，這表明在閃光對(duì)焊后焊縫冷卻過快，造成焊縫處的局部硬度偏高，焊縫塑性和與母材協(xié)調(diào)變形能力降低。通過掃描電鏡發(fā)現(xiàn)，在焊縫斷裂處存在球狀氧化物，氧化物夾雜缺陷將直接影響焊件的拉伸性能和彎曲性能。鋼中的這種非金屬夾雜物破壞了鋼的連續(xù)性和致密性[5]，閃光對(duì)焊后進(jìn)行滾型和校正工序時(shí)，焊縫處板厚方向承受拉應(yīng)力作用，夾雜物變形與鋼材基體變形不一致，就會(huì)在夾雜物與基體邊界形成微裂紋。焊縫中粗大的魏氏組織將使焊縫成為RS590鋼輪輞力學(xué)性能最薄弱的部位，在滾型工序和圓形校正時(shí)塑性變形將會(huì)集中于焊縫部位，當(dāng)魏氏組織導(dǎo)致的塑性降低至不足以承受圓形校正工序所受的剪切力時(shí)，微裂紋會(huì)不斷擴(kuò)展，焊縫發(fā)生開裂[6]。

結(jié)束語

(1)本鋼所供料的RS590 熱軋車輪鋼帶的化學(xué)成分、力學(xué)性能和夾雜物評(píng)級(jí)均滿足技術(shù)規(guī)范要求。母材不是造成輪輞焊接開裂的主要原因。

(2)焊縫處晶粒異常長大及焊后冷速較快產(chǎn)生了魏氏組織，魏氏組織的存在降低其塑性加大了焊縫區(qū)的脆性傾向，焊縫區(qū)粗大的魏氏組織是導(dǎo)致輪輞失效的根本原因。

(3)鋼板中氧化物夾雜破壞了鋼的連續(xù)性和致密性，為焊縫開裂提供了微裂紋源。

(4)通過優(yōu)化閃光對(duì)焊工藝，降低焊接時(shí)焊縫中心高溫停留時(shí)間，并在焊接后采用了緩冷措施，使焊縫奧氏體晶粒尺寸得到了有效控制，車輪輪輞的開裂比率降至5‰，達(dá)到了內(nèi)控指標(biāo)要求。