1000MPa級(jí)別超高強(qiáng)復(fù)相鋼激光焊接組織及性能的研究.pdf

1、為了減輕汽車自重以降低能耗、減少污染、提高效率，車身制造正逐漸廣泛采用超高強(qiáng)鋼，而焊接是實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)鋼、超高強(qiáng)鋼在汽車工業(yè)工程應(yīng)用必須攻克的關(guān)鍵技術(shù)。采用傳統(tǒng)電弧焊方法焊接高強(qiáng)鋼時(shí)易產(chǎn)生冷裂紋、熱影響區(qū)韌性下降、軟化等問(wèn)題。激光以能量密度高、熔深能力強(qiáng)、焊接速度快、熱應(yīng)力低、熱變形小等特點(diǎn)成為二十一世紀(jì)最具應(yīng)用前景的先進(jìn)制造熱源。
　　 本文利用JMatPro軟件模擬計(jì)算了1000MPa級(jí)別超高強(qiáng)復(fù)相(CP)鋼(0.17％C、0.3

2、3%Si、1.74%Mn、0.018%P、0.004%S、0.35%Cr，0.20%Mo、0.13%Ti)材料的TTT曲線及CCT曲線，獲得了超高強(qiáng)復(fù)相鋼材料鐵素體和奧氏體平衡相變時(shí)的溫度Ac3，珠光體轉(zhuǎn)變溫度Act，馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度Ms及馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度Mf。通過(guò)模擬計(jì)算預(yù)測(cè)了超高強(qiáng)鋼激光焊接接頭各組織分布規(guī)律及其在不同冷卻速度下的演變規(guī)律，同時(shí)對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行了預(yù)測(cè)。
　　 本文基于LabVIEW平臺(tái)，計(jì)算機(jī)硬件及NI-

3、USB9211A數(shù)據(jù)采集卡，搭建了溫度測(cè)試平臺(tái)，為成功測(cè)試激光焊熱循環(huán)參數(shù)提供了技術(shù)保障。在激光焊熱循環(huán)參數(shù)的測(cè)量過(guò)程中，提出了采用測(cè)溫點(diǎn)逐步接近焊縫金屬的設(shè)計(jì)方法，來(lái)進(jìn)行激光焊熱影響區(qū)粗晶區(qū)熱循環(huán)的測(cè)試。成功獲得了激光焊接熱循環(huán)參數(shù)，實(shí)測(cè)的t8/5為1.67s----2.33s。在t8/5為2s條件下，超高強(qiáng)復(fù)相鋼材料的模擬激光焊粗晶區(qū)組織主要為位錯(cuò)型板條馬氏體，局部區(qū)域觀察到孿晶型馬氏體。碳含量低于0.2%的低碳鋼材料經(jīng)過(guò)熱模擬試驗(yàn)

4、后粗晶熱影響區(qū)出現(xiàn)孿晶型馬氏體以及晶粒長(zhǎng)大是導(dǎo)致熱模擬試樣沖擊性能下降的主要原因。
　　 對(duì)1000MPa級(jí)別超高強(qiáng)復(fù)相鋼進(jìn)行激光焊接試驗(yàn)，觀察發(fā)現(xiàn)熔合區(qū)很窄，只有幾十個(gè)微米。通過(guò)光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡和透射電鏡分析了超高強(qiáng)復(fù)相鋼激光焊接接頭微觀組織，揭示了其微觀組織分布規(guī)律，即從母材、熱影響區(qū)到焊縫部位的微觀組織分布規(guī)律為(M+B+A1+F)→(M+B+F+Ar)→(M+B+Ar)→(M+Ar)。同時(shí)馬氏體的組織形態(tài)以位錯(cuò)型板條

5、馬氏體為主，整個(gè)焊接接頭窄，各區(qū)組織具有差異，存在組織梯度的特征。實(shí)際焊接接頭各區(qū)組織的分布規(guī)律與模擬計(jì)算預(yù)測(cè)的超高強(qiáng)復(fù)相鋼激光焊接接頭微觀組織變化規(guī)律基本一致。研究揭示了在不同線能量條件下，粗晶區(qū)微觀組織的演變規(guī)律為：隨線能量減小，顯微組織從(M+B+Ar）→(M+Ar）.超高強(qiáng)復(fù)相鋼激光焊縫區(qū)主要為板條狀馬氏體組織，揭示了在不同線能量條件下激光焊縫區(qū)微觀組織演變規(guī)律為：隨線能量的減小，馬氏體板條寬度尺寸和板條群（領(lǐng)域）尺寸減小。在激

6、光焊縫區(qū)的微觀組織中發(fā)現(xiàn)有塊狀及條狀析出相。
　　 本文對(duì)1000MPa級(jí)別超高強(qiáng)復(fù)相鋼激光焊接接頭進(jìn)行了顯微硬度、拉伸強(qiáng)度、彎曲與沖擊韌性試驗(yàn)，結(jié)果表明超高強(qiáng)復(fù)相鋼激光焊接接頭具有高強(qiáng)度、高硬度、良好彎曲性能的特點(diǎn)，隨激光焊接線能量的減小，激光焊繾部位的沖擊韌性有降低的趨勢(shì)。對(duì)激光焊接接頭進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)，結(jié)果顯示疲勞強(qiáng)度在270MPa-290MPa左右，與母材相比降低約23%。在疲勞斷口上發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋起源于熔合區(qū)部位，斷口存在

7、明顯的輪胎狀條紋及疲勞擴(kuò)展輝紋特征。針對(duì)薄板激光焊接的特點(diǎn)，本文采用改制的壓痕應(yīng)變法應(yīng)力測(cè)試儀測(cè)試了超高強(qiáng)復(fù)相鋼激光焊接頭的殘余應(yīng)力，測(cè)試結(jié)果表明超高強(qiáng)鋼激光焊接頭焊縫金屬及熱影響區(qū)中的殘余應(yīng)力分布區(qū)域窄，應(yīng)力梯度大，最大殘余拉應(yīng)力達(dá)到了母材屈服強(qiáng)度的70%。使用有限元分析方法進(jìn)行殘余應(yīng)力分析時(shí)，采用疊加的焊接熱源溫度場(chǎng)及彈塑性分析方法所獲得的縱向殘余應(yīng)力數(shù)值與壓痕應(yīng)變法測(cè)量的結(jié)果非常接近。
　　 針對(duì)超高強(qiáng)復(fù)相鋼激光焊縫硬度高

8、及疲勞強(qiáng)度低的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了激光焊與在線跟隨TIC電弧表面處理工藝。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，跟隨的TIG電弧對(duì)激光焊接接頭的熱循環(huán)狀態(tài)產(chǎn)生了一定的影響。微觀組織分析發(fā)現(xiàn)上表面激光焊縫區(qū)馬氏體數(shù)量減少，貝氏體數(shù)量增多。通過(guò)透射電鏡顯微組織分析可以看出，激光焊縫同樣有條束狀板條馬氏體以及少量的殘余奧氏體，同時(shí)發(fā)現(xiàn)有回火馬氏體的存在，板條馬氏體的條束被打斷，位向也發(fā)生了變化。研究發(fā)現(xiàn)在線跟隨TIG電弧處理工藝，可以有效降低高強(qiáng)鋼激光焊縫的最高硬度分布，