雙相鋼激光拼焊研究現(xiàn)狀與存在問題范文

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摘要：雙相鋼（DP）具有較高的強度和較好的塑性及成形性，具有較高的碰撞能量吸收率和初始加工硬化速率，在冷成形后回彈率較小，越來越多地應用于制造汽車車身各種安全結(jié)構(gòu)件。介紹了近年來國內(nèi)外關(guān)于雙相鋼激光拼焊的研究現(xiàn)狀，其分為同質(zhì)等厚雙相鋼激光拼焊、異質(zhì)等厚雙相鋼激光拼焊及異質(zhì)不等厚雙相鋼激光拼焊三部分，并指出了所存在的問題，為雙相鋼激光拼焊的研究方向提供指導。

關(guān)鍵詞：雙相鋼；激光拼焊；研究現(xiàn)狀；存在問題

0引言

能源危機和環(huán)境污染兩大問題已經(jīng)日益成為制約我國乃至世界經(jīng)濟進一步發(fā)展的關(guān)鍵問題，對于汽車工業(yè)發(fā)展而言，采用汽車輕量化技術(shù)是降低能耗、減少排放和保護環(huán)境的重要途徑之一［1］。雙相鋼（DP）是指微觀組織主要由馬氏體和鐵素體組成的高強鋼，也稱為馬氏體雙相鋼。雙相鋼中馬氏體分布在鐵素體基體上，具有較高的強度和較好的塑性及成形性，具有較高的碰撞能量吸收率和初始加工硬化速率，在冷成形后回彈率較小，越來越多地用來生產(chǎn)汽車防撞梁、立柱、地板及縱梁等安全結(jié)構(gòu)件［2-3］。激光拼焊技術(shù)具有能量密度高、深寬比大、焊后接頭焊縫區(qū)和熱影響區(qū)窄、接頭殘余應力及變形程度小和易實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，是目前車身連接的重要技術(shù)。筆者介紹了近年來國內(nèi)外關(guān)于雙相鋼激光拼焊的研究現(xiàn)狀，分為同質(zhì)等厚雙相鋼激光拼焊、異質(zhì)等厚雙相鋼激光拼焊及異質(zhì)不等厚雙相鋼激光拼焊三部分，并指出了存在的問題，為雙相鋼激光拼焊的研究方向提供指導。

1雙相鋼激光拼焊研究現(xiàn)狀

激光拼焊技術(shù)是采用激光將相同或不同材質(zhì)、板厚、強度及表面處理狀態(tài)的板料拼焊成整體用于沖壓成形件的加工工藝，具有減小結(jié)構(gòu)自身質(zhì)量、提高結(jié)構(gòu)強度、減小噪聲及降低生產(chǎn)成本等綜合優(yōu)勢，從而能夠在汽車輕量化中得到有效應用。雙相鋼具有高強度和良好成形性，在獲得同等結(jié)構(gòu)強度情況下比傳統(tǒng)鋼材更能減小車身自身質(zhì)量，廣泛用于車身面板和結(jié)構(gòu)件制造。目前，國內(nèi)外研究人員對雙相鋼激光拼焊的研究大多集中在DP590，DP780及DP980等雙相鋼的焊接性，研究了接頭的宏觀形貌及焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的微觀組織；測試了接頭顯微硬度，并分析了接頭軟化機制；研究了接頭拉伸失效機制和沖壓成形失效機制；研究了激光功率、焊接速度、離焦量及保護氣體等工藝參數(shù)對拼焊接頭的微觀組織和性能的影響，并對工藝參數(shù)進行了優(yōu)化。國內(nèi)外學者對同質(zhì)等厚和異質(zhì)等厚雙相鋼（強度級別在1000MPa及其以下）激光拼焊研究較多，對異質(zhì)不等厚雙相鋼激光拼焊研究較少。

1．1同質(zhì)等厚雙相鋼激光拼焊研究

JaehunKim等人［4］在相同條件下分別進行鍍鋅和未鍍鋅的厚1．0mm雙相鋼DP590激光拼焊研究，研究匙孔和激光束位置對接頭成形性的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，匙孔結(jié)構(gòu)和激光束位置對拼焊接頭成形性具有重要影響，當激光束遠離匙孔壁時，接頭成形性良好；當激光束照射在匙孔壁之前，兩鍍鋅DP590鋼板之間時，鋅蒸氣直接被激光束加熱，形成較大蒸氣壓，嚴重影響熔池形成過程；匙孔底部直徑和匙孔膨脹系數(shù)與鍍鋅鋼板和未鍍鋅鋼板的損失質(zhì)量成正比；激光拼焊零間隙鍍鋅鋼板時容易得到良好的焊接接頭。YangLiu等人［5］研究了應變速率對厚1．4mm雙相鋼DP780激光拼焊接頭的拉伸性能和斷裂行為的影響規(guī)律，測試了DP780鋼激光拼焊接頭微觀組織和顯微硬度。研究結(jié)果表明，DP780鋼激光拼焊接頭焊縫區(qū)和熱影響區(qū)內(nèi)側(cè)顯微硬度較高，而熱影響區(qū)外層出現(xiàn)軟化現(xiàn)象；DP780鋼激光拼焊接頭在高應變速率情況下，拉伸斷裂位置距焊縫中心線較近，而接頭和母材的斷裂特性與應變速率無關(guān)；隨著拉伸應變速率的提高，DP780鋼拼焊接頭和母材的屈服強度和抗拉強度逐漸增加；DP780鋼激光拼焊接頭和母材的伸長率隨應變速率變化的規(guī)律相似，在應變速率為102s－1時伸長率達到最大值。KBandyopadhyay等人［6］測試了厚1．2mm雙相鋼DP980激光拼焊板埃里克森杯突試驗中拉深高度和極限拉深比，研究了拼焊板在杯突試驗過程中的變形和失效形式。研究結(jié)果表明，激光拼焊板在垂直和平行焊縫試驗過程中，局部變形總是位于接頭熱影響區(qū)外層區(qū)域；用掃描電鏡、透射電鏡和納米壓痕儀分析接頭熱影響區(qū)外側(cè)微觀組織，掃描電鏡結(jié)果顯示孔隙產(chǎn)生于鐵素體和馬氏體界面處；透射電鏡結(jié)果顯示熱影響區(qū)外側(cè)產(chǎn)生回火馬氏體和析出碳化物，導致其顯微硬度降低；有限元（FEM）模擬結(jié)果顯示在埃里克森杯突試驗過程中，DP980鋼激光拼焊接頭失效是由熱影響區(qū)軟化現(xiàn)象導致的。JinfengWang等人［7］使用Gleeble－3500熱模擬試驗機模擬了厚1．5mm雙相鋼DP1000激光拼焊熱影響區(qū)熱循環(huán)過程，測試了激光拼焊接頭的顯微硬度和微觀組織，分析了雙相鋼DP1000激光拼焊接頭軟化機制。研究結(jié)果表明，拼焊接頭出現(xiàn)軟化現(xiàn)象有兩方面原因，其一是激光拼焊過程中雙相鋼DP1000溫度達到回火溫度時，馬氏體發(fā)生回火轉(zhuǎn)變，形成回火馬氏體，同時有碳化物析出；其二是激光拼焊接頭溫度位于臨界溫度區(qū)間，馬氏體含量降低，一部分鐵素體轉(zhuǎn)化為奧氏體，在隨后的冷卻過程中，奧氏體轉(zhuǎn)化為多邊形的鐵素體、貝氏體和馬氏體－鐵素體等相，導致軟化相含量增加。

1．2異質(zhì)等厚雙相鋼激光拼焊研究

NFarabi等人［8］研究了厚1．2mm異質(zhì)等厚雙相鋼DP600/DP980激光拼焊接頭顯微組織變化及其力學性能。研究結(jié)果表明，在焊縫區(qū)可觀察到大量馬氏體，同時存在少量鐵素體；焊縫區(qū)顯微硬度值顯著增加，兩側(cè)熱影響區(qū)均出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，DP980鋼側(cè)熱影響區(qū)軟化現(xiàn)象比DP600鋼側(cè)嚴重，且DP980鋼側(cè)軟化范圍越大，兩側(cè)顯微硬度值分布不對稱；接頭抗拉強度與母材DP600鋼的相等，伸長率與DP980鋼的相當；隨著應變速率的增大，接頭的抗拉強度及屈服強度均增大；激光拼焊接頭在拉伸載荷和高應力幅度的載荷下，斷裂均發(fā)生在母材DP600鋼側(cè)。DDong等人［9］利用Nd：YAG激光拼焊設備對厚1．4mm異質(zhì)等厚雙相鋼DP780/DP980進行激光拼焊，研究了接頭微觀組織、顯微硬度、拉伸性能和斷裂行為。研究結(jié)果表明，拼焊接頭焊縫區(qū)、超臨界熱影響區(qū)和臨界熱影響區(qū)的顯微硬度增加，亞臨界熱影響區(qū)發(fā)生軟化現(xiàn)象，DP780鋼側(cè)亞臨界熱影響區(qū)的顯微硬度值最低；拼焊接頭的伸長率和母材相比有所下降；不同應變速率下，拼焊接頭的斷裂位置都發(fā)生在DP780鋼側(cè)；當應變速率低于10s－1時，鐵素體含量是影響斷裂位置的主要因素；當應變速率高于10s－1時，鐵素體/馬氏體界面含量是影響斷裂位置的主要因素。HongyingGong等人［10］進行了異質(zhì)等厚雙相鋼DP780/DP1180激光拼焊接頭橫向焊縫、縱向焊縫和45°焊縫拉伸試驗。研究結(jié)果表明，橫向焊縫拉伸時斷裂發(fā)生在DP780鋼側(cè)熱影響區(qū)；45°焊縫拉伸時，斷裂在母材DP780鋼；縱向焊縫拉伸時，DP780鋼和DP1180鋼開始發(fā)生均勻變形，由于DP1180鋼的伸長率比DP780鋼的低，DP1180鋼側(cè)先發(fā)生斷裂；45°和縱向焊縫拉伸斷裂是漸進發(fā)生的，橫向焊縫拉伸是突然斷裂的，3種拉伸方式焊縫伸長率都低于母材的，表明焊縫的韌性低于母材的。

1．3異質(zhì)不等厚雙相鋼激光焊接研究

王斌［11］采用DYNAFORM有限元分析軟件研究了車用異質(zhì)不等厚雙相鋼DP590（1．0mm）/DP780（1．2mm）激光拼焊沖壓成形性能。分析了DP590/DP780激光拼焊板在典型圓筒件的拉深成形過程可能產(chǎn)生的缺陷，確定了影響成形性的主要成形工藝，影響從大到小依次為：壓邊力、摩擦因數(shù)、凹模圓角半徑、凸凹模間隙、沖壓速度等。文中采用正交試驗得出最佳工藝參數(shù)為：壓邊力為100kN，摩擦因數(shù)為0．13，凹模圓角半徑為8mm，凸、凹模間隙為1．08mm，沖壓速度為1000mm/s。梁靜偉等人［12］研究了不等厚DP780/HC660雙相鋼異質(zhì)激光焊接接頭的顯微組織和力學性能，結(jié)果表明，焊縫區(qū)組織由粗大板條馬氏體和少量鐵素體組成，熱影響區(qū)出現(xiàn)軟化現(xiàn)象；接頭的抗拉強度和HC660雙相鋼的相近，伸長率則降低至7．8％，斷裂發(fā)生在熱影響區(qū)附近的HC660雙相鋼側(cè)，為韌性斷裂。張松宇等人［13］通過正交試驗對異質(zhì)不等厚雙相鋼HC550（1．0mm）/DP780（1．2mm）激光拼焊工藝進行了優(yōu)化。研究結(jié)果表明，激光功率對HC550/DP780接頭的正面熔寬、背面熔寬和抗拉強度的影響最大；優(yōu)化后的最佳工藝參數(shù)為激光功率1200W，焊接速度1600mm/min和離焦量0mm，在該工藝參數(shù)下接頭的抗拉強度和斷后伸長率分別為998．6MPa和11．9％，斷裂位置處于HC550鋼側(cè)的熱影響區(qū)處，存在明顯頸縮，為韌性斷裂。

2結(jié)語

（1）雙相鋼中合金元素含量豐富，板材原始加工成形工藝復雜，對成分變化及熱過程敏感。激光拼焊時極高的溫度導致合金元素燒損和氧化嚴重，母材重熔完全破壞了原有組織平衡狀態(tài)，焊縫快速冷卻凝固后形成一種與母材組織狀態(tài)存在較大差別的特殊粗大過飽和鑄態(tài)組織，該鑄態(tài)組織的生成會嚴重降低接頭的力學性能，從而使雙相鋼拼焊板在后續(xù)的沖壓成形過程中容易出現(xiàn)焊縫偏移、斷裂等引起的接頭提前開裂和塑性成形性能降低等問題。目前，急需改善雙相鋼激光拼焊板接頭組織和提高接頭的強韌性。（2）雙相鋼激光拼焊后接頭熱影響區(qū)會產(chǎn)生回火馬氏體等軟化相，導致熱影響區(qū)出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，母材強度越高，軟化現(xiàn)象越嚴重，軟化范圍越大，拉伸時容易在軟化區(qū)發(fā)生斷裂。目前，對于雙相鋼激光拼焊防止熱影響區(qū)軟化還需要進一步研究。

作者：尚慶慧；董亞軍；舒瀅；郭學鵬；李雅馨 單位：西北有色金屬研究院