宋 濤，張大斌，曹 陽(yáng)，陳 素，陳大江，文夢(mèng)蝶

(貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025)

0 引言

隨著人均汽車擁有量的逐年增高，能源消耗和環(huán)保問題倍受重視，汽車工業(yè)對(duì)碰撞安全性和減重的要求也越來越高，先進(jìn)高強(qiáng)鋼(AHSS)是滿足汽車輕量化設(shè)計(jì)的方案之一。QP980高強(qiáng)鋼是第三代先進(jìn)高強(qiáng)鋼的代表鋼種之一，具有延伸成形性能好、強(qiáng)塑積高、成本低，性價(jià)比高的特點(diǎn)[1-2]，是目前汽車車身結(jié)構(gòu)件輕量化設(shè)計(jì)的理想材料，用在汽車車身結(jié)構(gòu)件時(shí)能保證汽車碰撞安全性的條件下減輕汽車重量。

激光焊接能量密度高，焊接速度快，熱影響區(qū)小，靈活性強(qiáng)，在汽車制造領(lǐng)域受到廣泛青睞[3]。目前，對(duì)QP980鋼的研究主要集中在熱處理工藝以及相應(yīng)的組織和力學(xué)性能方面，對(duì)QP980鋼焊接的研究還很少，尤其在焊接溫度熱循環(huán)方面更是少見。Li W D等[4]關(guān)于QP980激光焊的研究結(jié)果表明：由于接頭熔合區(qū)全為板條馬氏體組織，造成熔合區(qū)顯微硬度高于母材且成形性能不如母材，亞臨界熱影響區(qū)由于出現(xiàn)馬氏體回火和碳化物析出，造成該區(qū)域軟化；Guo W等[5]關(guān)于QP980激光焊的研究中也有類似的發(fā)現(xiàn)，此外還發(fā)現(xiàn)試件的延伸率也因接頭的熱軟化效應(yīng)而表現(xiàn)出不同的響應(yīng)。Lin H T等[6]利用攪拌摩擦焊的方法焊接QP980高強(qiáng)鋼，研究了攪拌區(qū)峰值溫度與顯微組織演變的關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)焊接接頭軟化對(duì)接頭的抗拉強(qiáng)度沒有影響，但造成試件延伸率降低。Jia Q等[7]研究QP980和硼合金馬氏體鋼激光焊接時(shí)測(cè)定了熱影響區(qū)的殘余奧氏體百分含量，證實(shí)了焊后熱影響區(qū)的殘余奧氏體存在不同程度的分解，從而影響接頭的力學(xué)性能。

目前報(bào)道關(guān)于QP980高強(qiáng)鋼焊接的現(xiàn)有研究中，主要集中在焊接接頭的微觀組織和力學(xué)性能方面，這些研究對(duì)QP980高強(qiáng)鋼焊接具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義，但目前尚未見到關(guān)于QP980激光焊接溫度場(chǎng)及接頭組織演變仿真方面的研究，預(yù)測(cè)焊接過程中的溫度分布是分析焊接接頭相變分析的基礎(chǔ)，因此研究焊接過程的溫度場(chǎng)分布與相變之間的關(guān)系對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。本文通過用于材料熱物理性能計(jì)算的軟件計(jì)算出該型號(hào)QP980的相關(guān)高溫?zé)嵛锢韰?shù)，基于Sysweld軟件平臺(tái)，對(duì)QP980高強(qiáng)鋼激光焊的溫度場(chǎng)和組織演變進(jìn)行仿真分析，并提取其特征點(diǎn)上的熱循環(huán)曲線，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性，為QP980高強(qiáng)鋼激光焊接的實(shí)際生產(chǎn)提供參考。

1 試驗(yàn)材料及有限元模型

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料選用寶鋼生產(chǎn)的第三代高強(qiáng)度汽車鋼，其材料合金成分如表1所示，焊接時(shí)工藝參數(shù)選和文獻(xiàn)[5]的工藝參數(shù)一致，詳細(xì)見表2所示；采用IPG YLS-6000光纖激光系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行激光對(duì)接焊接，焊接時(shí)激光束垂直于鋼板。其示意圖由圖1所示。

表1 本文選用的QP980高強(qiáng)的合金成分

表2 激光焊接參數(shù)

圖1 實(shí)驗(yàn)焊接示意圖

1.2 仿真模型的建立

焊接熱分析是典型的非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問題，其控制方程如式1所示[8]。由于激光焊接時(shí)熱源移動(dòng)較快且高度集中、熱影響區(qū)小，焊縫區(qū)域和母材之間的溫度梯度大，為了提高運(yùn)算速度，劃分網(wǎng)格時(shí)靠近焊縫熔合區(qū)和熱影響區(qū)采用均勻的細(xì)密網(wǎng)格，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域采用過渡的粗大網(wǎng)格，本研究采用尺寸為100×60×1.36 mm的有限元模型，網(wǎng)格模型如圖2所示。根據(jù)激光焊接的特點(diǎn)，本研究中選用三維錐形高斯熱源模型作為焊接模擬熱源[9]，其表達(dá)式如式2所示。邊界條件為考慮輻射和對(duì)流換熱，初始溫度定義為室溫20 ℃。

圖2 有限元網(wǎng)格模型示意圖

(1)

式中，ρ為材料的密度，c為材料的比熱容，T為溫度場(chǎng)的分布函數(shù)，t為時(shí)間，kx、ky、kz分別為x、y、z方向上的熱導(dǎo)率，Qt為熱輸入。

(2)

式中，Q0為體積熱流密度的最大值，re,ri分別為給出了上錐和下錐的半徑尺寸參數(shù),ze,zi分別為錐體長(zhǎng)度參數(shù)，x，y，z為點(diǎn)坐標(biāo)。

1.3 QP980熱物理性能參數(shù)

材料的熱物理性能隨溫度的變化而變化，準(zhǔn)確計(jì)算出材料的高溫?zé)嵛锢韰?shù)是焊接數(shù)值模擬的關(guān)鍵，使用材料高溫?zé)嵛锢硇阅苡?jì)算軟件JMatPro軟件[10]結(jié)合該型號(hào)QP980的合金成分計(jì)算出隨溫度變化的密度、熱導(dǎo)率、比熱容等參數(shù)，其變化如圖3所示。由圖3a分析可知，該型號(hào)QP980高強(qiáng)鋼室溫初始密度約為7.76 g/cm3，熔點(diǎn)約為1430 ℃，固液相區(qū)間大約為1430 ℃～1486 ℃。密度隨著溫度的升高而減小，在Ac1(670 ℃)～Ac3(817 ℃)范圍內(nèi)因?yàn)榇嬖谙嘧?，溫度變化梯度趨于平緩，在Ac3溫度后密度又逐漸減小。達(dá)到熔點(diǎn)溫度后出現(xiàn)固液相區(qū)間，密度大幅降低，直到完全熔化之后密度變化又趨于平緩；圖3b分析可知，在20 ℃～200 ℃范圍內(nèi)，熱傳導(dǎo)系數(shù)逐漸增加，在200 ℃～817 ℃范圍內(nèi)，熱傳導(dǎo)系數(shù)隨溫度的升高而減小，在817 ℃～1430 ℃范圍內(nèi)，熱傳導(dǎo)系數(shù)隨溫度的升高而增加，在固液相區(qū)間1430 ℃～1486 ℃時(shí)熱傳導(dǎo)系數(shù)又隨溫度升高而減小，隨后又隨溫度的升高而增加；圖3c分析可知，總的來說比熱容在熔點(diǎn)以前變化不是太大，在20 ℃～670 ℃區(qū)間內(nèi)比熱容隨溫度的升高而緩慢增加、在670 ℃～817 ℃溫度區(qū)間比熱容小幅增加后又減少，在817 ℃之后比熱容隨溫度升高而緩慢增加到熔點(diǎn)，而在液相區(qū)間大幅波動(dòng)后又趨于平緩。

(a) 密度隨溫度變化曲線

(b) 熱導(dǎo)率隨溫度變化曲線

(c) 比熱容隨溫度變化曲線圖3 本研究中QP980高強(qiáng)鋼的熱物理參數(shù)

2 仿真結(jié)果與討論

2.1 焊接溫度場(chǎng)分布

圖4為焊縫橫截面宏觀形貌圖和橫截面溫度場(chǎng)分布圖，圖5為4種具有代表性的表面溫度場(chǎng)分布圖，其中紅色區(qū)域?yàn)槿酆蠀^(qū)，黃色到藍(lán)色過渡的漸變區(qū)域?yàn)闊嵊绊憛^(qū)。圖4a為焊接接頭截面的宏觀形貌圖[5]，字母c、d、e分別代表超臨界、跨臨界、亞臨界三種不同的熱影響區(qū)(HAZ)，圖4b為焊接接頭溫度場(chǎng)分布圖，由圖可知，焊縫溫度場(chǎng)模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果大致相似，熔合區(qū)(FZ)均成“倒梯形”的形貌，熱影響區(qū)的變化趨勢(shì)也大致相似，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果吻合。圖5是4個(gè)時(shí)刻的溫度場(chǎng)分布圖，當(dāng)t=0.015 s時(shí)，工件焊縫中心的最高溫度為1413 ℃，隨后將迅速達(dá)到材料的熔點(diǎn)(1430 ℃)。對(duì)比4個(gè)時(shí)刻的焊縫中心最高溫度可知，當(dāng)時(shí)間t在0.015 s～0.075 s之間時(shí)，焊縫中心的最高溫度逐步上升，直到t=0.090 s趨于穩(wěn)定，隨后在2832 ℃附近波動(dòng)。由于焊接的功率和熱源移動(dòng)的速度均較大，熔合區(qū)熔融的金屬冷卻到材料的凝固點(diǎn)時(shí)熱源已經(jīng)移動(dòng)了一段距離，在激光焊接時(shí)焊接線上熔合區(qū)熔融金屬呈板條帶狀，如圖5d所示。

(a) 焊縫橫截面宏觀形貌圖 (b) 橫截面溫度場(chǎng)分布圖圖4 焊縫截面形貌和仿真溫度場(chǎng)對(duì)比

(a) t=0.015 s(b) t=0.075 s

(c) t=0.090 s(d)t=0.602 s圖5 不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)分布

2.2 焊接相變及特征點(diǎn)熱循環(huán)曲線

QP鋼的焊接容易出現(xiàn)接頭組織硬度增加和熱影響區(qū)軟化等焊接缺陷，文獻(xiàn)[4-7]中均有報(bào)道上述缺陷，而焊接接頭硬度的變化主要由焊接過程中的冶金相變所引起的[11]，而焊接時(shí)材料中各相的轉(zhuǎn)變與焊接熱循環(huán)息息相關(guān)。

QP980高強(qiáng)鋼母材的顯微組織由鐵素體、馬氏體、殘余奧氏體，Guo W等[5]通過x射線衍射(XRD)計(jì)算了QP980殘余奧氏體的相體積分?jǐn)?shù)為11%，He J等[12]測(cè)定的殘余奧氏體相體積分?jǐn)?shù)為10.6%，兩者相體積分?jǐn)?shù)大致相同，在建立材料數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，設(shè)定Phase1為初始母材、Phase2為鐵素體、Phase3為馬氏體，Phase4為殘余奧氏體，設(shè)定初始鐵素體、馬氏體、殘余奧氏體的相體積分?jǐn)?shù)分別為51.9%、37.5%、10.6%。圖6是焊接相變分布云圖及焊接線上的節(jié)點(diǎn)3548上的相變模擬曲線圖，其中圖6a、圖6b顯示的分別是焊接冷卻后的鐵素體、馬氏體相變?cè)茍D，圖6c、圖6d分別是是焊接線上的節(jié)點(diǎn)3548鐵素體、馬氏體、殘余奧氏體相變過程相體積分?jǐn)?shù)的模擬圖，由模擬云圖分析可知：在焊接冷卻到室溫后，QP980高強(qiáng)鋼中鐵素體達(dá)到由51.9%逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌?，直到冷卻到室溫后其相體積分?jǐn)?shù)接近0，而馬氏體在焊接冷卻到室溫后在熔合區(qū)相體積分?jǐn)?shù)最高可達(dá)99.6%，而熔合區(qū)的奧氏體在冷卻到室溫后相體積分?jǐn)?shù)也逐漸趨近于0，模擬結(jié)果符合現(xiàn)有關(guān)于QP980焊接接頭組織演變的規(guī)律，文獻(xiàn)[4-7]中均驗(yàn)證了焊縫熔合區(qū)微觀組織全為馬氏體。圖6c中可看出：在焊接過程中，短短0.03 s以內(nèi)鐵素體的相體積分?jǐn)?shù)相就迅速?gòu)某跏嫉?1.9%減少到0，鐵素體迅速奧氏體化，這也是圖6d中模擬的奧氏體從10.6%增加到60%以上的原因，隨著熔池溫度的下降，由鐵素體轉(zhuǎn)變的奧氏體和鋼中原本存在的殘余奧氏體全部轉(zhuǎn)變成馬氏體，焊縫熔合區(qū)的馬氏體相體積分?jǐn)?shù)從初始的37.5%增加到99.6%以上。

(a) 焊接冷卻后的鐵素體相變?cè)茍D (b) 焊接冷卻后的馬氏體相變?cè)茍D

(c) 焊接線上某節(jié)點(diǎn)鐵素體相體積分?jǐn)?shù)變化模擬圖 (d) 焊接線上某節(jié)點(diǎn)馬氏體、殘余奧氏體相體積分?jǐn)?shù)變化模擬圖

汽車鋼焊接熱影響區(qū)軟化是常見的焊接缺陷，其他含有馬氏體的汽車鋼焊接熱影響區(qū)也同樣會(huì)出現(xiàn)軟化區(qū)域[13-16]，現(xiàn)有的研究普遍認(rèn)為熱影響區(qū)軟化是由于鋼中的馬氏體回火產(chǎn)生回火馬氏體引起的，因此分析軟化區(qū)的特循環(huán)對(duì)揭示其軟化的機(jī)理具有一定的參考價(jià)值。根據(jù)文獻(xiàn)[5]中測(cè)定了QP980高強(qiáng)鋼焊接接頭的硬度分布，如圖7左側(cè)所示，其亞臨界熱影響軟化區(qū)大約在距焊縫中心1～1.4 mm附近，分別在此范圍內(nèi)提取3個(gè)節(jié)點(diǎn)9305、9315、9325，其熱循環(huán)曲線如圖7右側(cè)所示。由該曲線分析可知：除靠近焊接線較近一些的節(jié)點(diǎn)9305的峰值溫度略高于Ac1(670 ℃)溫度線外，其余兩節(jié)點(diǎn)峰值溫度均低于Ac1溫度線。文獻(xiàn)[6]中報(bào)道溫度低于Ac1時(shí)，馬氏體經(jīng)歷回火轉(zhuǎn)變和分解，并從馬氏體中析出少量碳化物，生成回火馬氏體，和本文所提取的亞臨界熱影響區(qū)節(jié)點(diǎn)的熱循環(huán)模擬結(jié)果保持一致。

圖7 顯微硬度分布及亞臨界熱影響區(qū)熱循環(huán)曲線

3 結(jié)論

本研究通過JMatPro軟件計(jì)算了Fe-0.20C-2.41Mn-1.31Si型QP980高強(qiáng)鋼的高溫?zé)嵛锢韰?shù)，結(jié)合這些參數(shù)模擬了QP980激光焊接時(shí)的溫度場(chǎng)分布，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)合分析了焊接接頭組織演變的機(jī)理。根據(jù)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

(1)由仿真結(jié)果可知，用JMatPro計(jì)算的熱物理參數(shù)用于模擬QP980高強(qiáng)鋼激光焊接溫度場(chǎng)分布與實(shí)驗(yàn)焊縫截面形貌吻合，表明本文建立的仿真模型具有一定的參考意義；

(2)相變模擬結(jié)果顯示，焊縫中心冷卻后鐵素體相體積分?jǐn)?shù)由初始狀態(tài)的51.9%減少到0%，殘余奧氏體相體積分?jǐn)?shù)由初始狀態(tài)的10.6%減少到接近于0%，馬氏體相體積分?jǐn)?shù)由初始狀態(tài)的37.5%增加到接近于100%，證實(shí)仿真模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，其焊縫熔合區(qū)全為馬氏體；

(3)通過提取焊接接頭上亞臨界熱影響區(qū)的熱循環(huán)曲線，證實(shí)該區(qū)域節(jié)點(diǎn)上的熱循環(huán)溫度峰值低于Ac1。當(dāng)熱循環(huán)溫度低于Ac1時(shí)，鋼中馬氏體回火產(chǎn)生回火馬氏體，導(dǎo)致接頭軟化，與現(xiàn)有研究中的實(shí)驗(yàn)結(jié)論吻合。