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双相钢激光拼焊研究现状与存在问题

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摘要:双相钢(DP)具有较高的强度和较好的塑性及成形性,具有较高的碰撞能量吸收率和初始加工硬化速率,在冷成形后回弹率较小,越来越多地应用于制造汽车车身各种安全结构件。介绍了近年来国内外关于双相钢激光拼焊的研究现状,其分为同质等厚双相钢激光拼焊、异质等厚双相钢激光拼焊及异质不等厚双相钢激光拼焊三部分,并指出了所存在的问题,为双相钢激光拼焊的研究方向提供指导。

关键词:双相钢;激光拼焊;研究现状;存在问题

0引言

能源危机和环境污染两大问题已经日益成为制约我国乃至世界经济进一步发展的关键问题,对于汽车工业发展而言,采用汽车轻量化技术是降低能耗、减少排放和保护环境的重要途径之一[1]。双相钢(DP)是指微观组织主要由马氏体和铁素体组成的高强钢,也称为马氏体双相钢。双相钢中马氏体分布在铁素体基体上,具有较高的强度和较好的塑性及成形性,具有较高的碰撞能量吸收率和初始加工硬化速率,在冷成形后回弹率较小,越来越多地用来生产汽车防撞梁、立柱、地板及纵梁等安全结构件[2-3]。激光拼焊技术具有能量密度高、深宽比大、焊后接头焊缝区和热影响区窄、接头残余应力及变形程度小和易实现自动化等优点,是目前车身连接的重要技术。笔者介绍了近年来国内外关于双相钢激光拼焊的研究现状,分为同质等厚双相钢激光拼焊、异质等厚双相钢激光拼焊及异质不等厚双相钢激光拼焊三部分,并指出了存在的问题,为双相钢激光拼焊的研究方向提供指导。

1双钢激光拼焊研究现状

激光拼焊技术是采用激光将相同或不同材质、板厚、强度及表面处理状态的板料拼焊成整体用于冲压成形件的加工工艺,具有减小结构自身质量、提高结构强度、减小噪声及降低生产成本等综合优势,从而能够在汽车轻量化中得到有效应用。双相钢具有高强度和良好成形性,在获得同等结构强度情况下比传统钢材更能减小车身自身质量,广泛用于车身面板和结构件制造。目前,国内外研究人员对双相钢激光拼焊的研究大多集中在DP590,DP780及DP980等双相钢的焊接性,研究了接头的宏观形貌及焊缝区和热影响区的微观组织;测试了接头显微硬度,并分析了接头软化机制;研究了接头拉伸失效机制和冲压成形失效机制;研究了激光功率、焊接速度、离焦量及保护气体等工艺参数对拼焊接头的微观组织和性能的影响,并对工艺参数进行了优化。国内外学者对同质等厚和异质等厚双相钢(强度级别在1000MPa及其以下)激光拼焊研究较多,对异质不等厚双相钢激光拼焊研究较少。

1.1同质等厚双相钢激光拼焊研究

JaehunKim等人[4]在相同条件下分别进行镀锌和未镀锌的厚1.0mm双相钢DP590激光拼焊研究,研究匙孔和激光束位置对接头成形性的影响规律。研究结果表明,匙孔结构和激光束位置对拼焊接头成形性具有重要影响,当激光束远离匙孔壁时,接头成形性良好;当激光束照射在匙孔壁之前,两镀锌DP590钢板之间时,锌蒸气直接被激光束加热,形成较大蒸气压,严重影响熔池形成过程;匙孔底部直径和匙孔膨胀系数与镀锌钢板和未镀锌钢板的损失质量成正比;激光拼焊零间隙镀锌钢板时容易得到良好的焊接接头。YangLiu等人[5]研究了应变速率对厚1.4mm双相钢DP780激光拼焊接头的拉伸性能和断裂行为的影响规律,测试了DP780钢激光拼焊接头微观组织和显微硬度。研究结果表明,DP780钢激光拼焊接头焊缝区和热影响区内侧显微硬度较高,而热影响区外层出现软化现象;DP780钢激光拼焊接头在高应变速率情况下,拉伸断裂位置距焊缝中心线较近,而接头和母材的断裂特性与应变速率无关;随着拉伸应变速率的提高,DP780钢拼焊接头和母材的屈服强度和抗拉强度逐渐增加;DP780钢激光拼焊接头和母材的伸长率随应变速率变化的规律相似,在应变速率为102s-1时伸长率达到最大值。KBandyopadhyay等人[6]测试了厚1.2mm双相钢DP980激光拼焊板埃里克森杯突试验中拉深高度和极限拉深比,研究了拼焊板在杯突试验过程中的变形和失效形式。研究结果表明,激光拼焊板在垂直和平行焊缝试验过程中,局部变形总是位于接头热影响区外层区域;用扫描电镜、透射电镜和纳米压痕仪分析接头热影响区外侧微观组织,扫描电镜结果显示孔隙产生于铁素体和马氏体界面处;透射电镜结果显示热影响区外侧产生回火马氏体和析出碳化物,导致其显微硬度降低;有限元(FEM)模拟结果显示在埃里克森杯突试验过程中,DP980钢激光拼焊接头失效是由热影响区软化现象导致的。JinfengWang等人[7]使用Gleeble-3500热模拟试验机模拟了厚1.5mm双相钢DP1000激光拼焊热影响区热循环过程,测试了激光拼焊接头的显微硬度和微观组织,分析了双相钢DP1000激光拼焊接头软化机制。研究结果表明,拼焊接头出现软化现象有两方面原因,其一是激光拼焊过程中双相钢DP1000温度达到回火温度时,马氏体发生回火转变,形成回火马氏体,同时有碳化物析出;其二是激光拼焊接头温度位于临界温度区间,马氏体含量降低,一部分铁素体转化为奥氏体,在随后的冷却过程中,奥氏体转化为多边形的铁素体、贝氏体和马氏体-铁素体等相,导致软化相含量增加。

1.2异质等厚双相钢激光拼焊研究

NFarabi等人[8]研究了厚1.2mm异质等厚双相钢DP600/DP980激光拼焊接头显微组织变化及其力学性能。研究结果表明,在焊缝区可观察到大量马氏体,同时存在少量铁素体;焊缝区显微硬度值显著增加,两侧热影响区均出现软化现象,DP980钢侧热影响区软化现象比DP600钢侧严重,且DP980钢侧软化范围越大,两侧显微硬度值分布不对称;接头抗拉强度与母材DP600钢的相等,伸长率与DP980钢的相当;随着应变速率的增大,接头的抗拉强度及屈服强度均增大;激光拼焊接头在拉伸载荷和高应力幅度的载荷下,断裂均发生在母材DP600钢侧。DDong等人[9]利用Nd:YAG激光拼焊设备对厚1.4mm异质等厚双相钢DP780/DP980进行激光拼焊,研究了接头微观组织、显微硬度、拉伸性能和断裂行为。研究结果表明,拼焊接头焊缝区、超临界热影响区和临界热影响区的显微硬度增加,亚临界热影响区发生软化现象,DP780钢侧亚临界热影响区的显微硬度值最低;拼焊接头的伸长率和母材相比有所下降;不同应变速率下,拼焊接头的断裂位置都发生在DP780钢侧;当应变速率低于10s-1时,铁素体含量是影响断裂位置的主要因素;当应变速率高于10s-1时,铁素体/马氏体界面含量是影响断裂位置的主要因素。HongyingGong等人[10]进行了异质等厚双相钢DP780/DP1180激光拼焊接头横向焊缝、纵向焊缝和45°焊缝拉伸试验。研究结果表明,横向焊缝拉伸时断裂发生在DP780钢侧热影响区;45°焊缝拉伸时,断裂在母材DP780钢;纵向焊缝拉伸时,DP780钢和DP1180钢开始发生均匀变形,由于DP1180钢的伸长率比DP780钢的低,DP1180钢侧先发生断裂;45°和纵向焊缝拉伸断裂是渐进发生的,横向焊缝拉伸是突然断裂的,3种拉伸方式焊缝伸长率都低于母材的,表明焊缝的韧性低于母材的。

1.3异质不等厚双相钢激光焊接研究

王斌[11]采用DYNAFORM有限元分析软件研究了车用异质不等厚双相钢DP590(1.0mm)/DP780(1.2mm)激光拼焊冲压成形性能。分析了DP590/DP780激光拼焊板在典型圆筒件的拉深成形过程可能产生的缺陷,确定了影响成形性的主要成形工艺,影响从大到小依次为:压边力、摩擦因数、凹模圆角半径、凸凹模间隙、冲压速度等。文中采用正交试验得出最佳工艺参数为:压边力为100kN,摩擦因数为0.13,凹模圆角半径为8mm,凸、凹模间隙为1.08mm,冲压速度为1000mm/s。梁静伟等人[12]研究了不等厚DP780/HC660双相钢异质激光焊接接头的显微组织和力学性能,结果表明,焊缝区组织由粗大板条马氏体和少量铁素体组成,热影响区出现软化现象;接头的抗拉强度和HC660双相钢的相近,伸长率则降低至7.8%,断裂发生在热影响区附近的HC660双相钢侧,为韧性断裂。张松宇等人[13]通过正交试验对异质不等厚双相钢HC550(1.0mm)/DP780(1.2mm)激光拼焊工艺进行了优化。研究结果表明,激光功率对HC550/DP780接头的正面熔宽、背面熔宽和抗拉强度的影响最大;优化后的最佳工艺参数为激光功率1200W,焊接速度1600mm/min和离焦量0mm,在该工艺参数下接头的抗拉强度和断后伸长率分别为998.6MPa和11.9%,断裂位置处于HC550钢侧的热影响区处,存在明显颈缩,为韧性断裂。

2结语

(1)双相钢中合金元素含量丰富,板材原始加工成形工艺复杂,对成分变化及热过程敏感。激光拼焊时极高的温度导致合金元素烧损和氧化严重,母材重熔完全破坏了原有组织平衡状态,焊缝快速冷却凝固后形成一种与母材组织状态存在较大差别的特殊粗大过饱和铸态组织,该铸态组织的生成会严重降低接头的力学性能,从而使双相钢拼焊板在后续的冲压成形过程中容易出现焊缝偏移、断裂等引起的接头提前开裂和塑性成形性能降低等问题。目前,急需改善双相钢激光拼焊板接头组织和提高接头的强韧性。(2)双相钢激光拼焊后接头热影响区会产生回火马氏体等软化相,导致热影响区出现软化现象,母材强度越高,软化现象越严重,软化范围越大,拉伸时容易在软化区发生断裂。目前,对于双相钢激光拼焊防止热影响区软化还需要进一步研究。

作者:尚庆慧;董亚军;舒滢;郭学鹏;李雅馨 单位:西北有色金属研究院

激光生物学报责任编辑:张雨    阅读:人次