DP600高強(qiáng)鋼GMAW焊接接頭組織及性能研究

王金鳳

(湖北汽車工業(yè)學(xué)院材料工程系，湖北 十堰 442002)

0 前言

汽車油耗除與發(fā)動(dòng)機(jī)的性能有關(guān)外，還和整車質(zhì)量密切相關(guān)。20世紀(jì)80年代就有專家提出，汽車質(zhì)量每降低10%，油耗可降低8% ～10%。汽車車身質(zhì)量大體占車總質(zhì)量的30%，因此車身減重的潛力很大［1］。即通過采用輕量化的材料，降低車輛自重，達(dá)到節(jié)能減排的效果。但是汽車輕量化是與汽車安全、滿足車輛正碰和側(cè)碰法規(guī)相矛盾的，

收稿日期:2013－10－22采用先進(jìn)高強(qiáng)鋼(DP鋼、TRIP鋼、TWIP鋼等)在保證鋼材強(qiáng)度的同時(shí)，又能保證材料的延伸率［2］，達(dá)到了既減輕車身自重，又能保證車身設(shè)計(jì)符合安全碰撞法規(guī)這一要求。

目前汽車生產(chǎn)中應(yīng)用最多的焊接方法是電阻點(diǎn)焊，如汽車車身90%以上都是通過點(diǎn)焊完成［3］，但在某些點(diǎn)焊焊鉗無法到達(dá)部位(如駕駛座后部拐角大的地方)，必須采用熔化焊方法進(jìn)行焊接。為了能使車身焊接質(zhì)量滿足要求，適應(yīng)車身的焊接，對汽車中用量最大的先進(jìn)高強(qiáng)鋼中的DP(雙相)鋼進(jìn)行不同的熔焊方法研究。前期研究發(fā)現(xiàn)采用等強(qiáng)匹配的焊接接頭容易產(chǎn)生焊縫開裂現(xiàn)象，為了解決這一問題，采用了低匹配的H08Mn2A焊絲進(jìn)行焊接，焊接方法分別采用CO2氣體保護(hù)焊、MIG焊和MAG焊。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料采用先進(jìn)高強(qiáng)鋼中的雙相鋼DP600，厚度1.5 mm，化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1所示。顯微組織如圖1所示，鐵素體基體上分布著島狀的馬氏體，鐵素體為塑性較好的基體，而其上分布的馬氏體主要起到增強(qiáng)基體強(qiáng)度的作用［4］。焊接材料依據(jù)低強(qiáng)匹配原則，選用H08Mn2A焊絲，其化學(xué)成分如表2所示。

圖1 DP600顯微組織Fig.1 Microstructure of base metal

表1 DP600鋼化學(xué)成分和機(jī)械性能Tab.1 Chemical compositions and mechanical properties of DP600

表2 H08Mn2A化學(xué)成分Tab.2 Chemical compositions of H08Mn2A %

1.2 試驗(yàn)方法

將DP600鋼板加工成100 mm×60 mm的試樣，將待焊試樣對接面打磨平整，保證精確、均勻的對接間隙。焊接前采用噴砂處理除掉鋼板表面的油、銹和氧化物，避免這些雜質(zhì)影響焊接質(zhì)量。在工作臺(tái)上將焊接試樣用自制的焊接夾具裝配好，保證焊接板材緊密對接。分別采用φ(Ar)80%+φ(CO2)20%混合氣體、純度為99.99%的氬氣和CO2氣體進(jìn)行氣體保護(hù)焊焊接。通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，觀察焊縫表面形貌和橫截面微觀形貌，測試機(jī)械性能，獲得了在不同焊接方法下的最佳工藝參數(shù)匹配，如表3所示。

表3 獲得完美接頭的三種焊接方法工藝參數(shù)Tab.3 Parameters of welding with good joints

將焊接好的試樣按照GB/T1261－2008拉伸試樣標(biāo)準(zhǔn)截取拉伸試樣和金相試樣，通過拉伸實(shí)驗(yàn)測試焊接接頭的抗拉強(qiáng)度，通過金相組織分析在不同焊接方法下所獲得的焊接接頭不同區(qū)域的組織形貌，并進(jìn)行顯微硬度分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

在合理的工藝參數(shù)配合下，三種焊接方法均能獲得無表面缺陷的焊縫，經(jīng)超聲波探傷沒有氣孔、夾雜和裂紋等內(nèi)部缺陷。

2.1 機(jī)械性能

拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。可以看出，在合理的焊接參數(shù)下所獲得的焊接接頭抗拉強(qiáng)度與母材接近或高于母材的抗拉強(qiáng)度(630 MPa)，拉伸斷裂發(fā)生于母材，說明焊接接頭的力學(xué)性能滿足要求。

表4 不同焊接方法下焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和延伸率Tab.4 Mechanical properties of GMAW－weld joints

2.2 焊接接頭微觀組織

不同焊接方法下的焊縫、熱影響區(qū)和不完全正火區(qū)的顯微組織如圖2所示。由圖2可知，不同的焊接方法獲得焊縫區(qū)組織略有區(qū)別，MIG焊中焊縫的金相組織主要由較細(xì)的板條馬氏體組成，在馬氏體中分布有極少量的貝氏體組織;在CO2氣體保護(hù)焊和MAG中焊縫區(qū)主要由鐵素體和滲碳體組成(見圖2b、圖2c)，焊縫金屬中具有明顯的鐵素體邊界;CO2氣體保護(hù)焊的組織較MAG組織略粗大。

圖2 三種焊接方法下獲得的焊縫區(qū)組織Fig.2 Microstructure of weld metal

不同焊接方法下的熱影響區(qū)組織均為細(xì)小的回火馬氏體和較粗大的羽毛狀貝氏體組成，由于有貝氏體的存在，該區(qū)的硬度較焊縫有所下降。而在焊接接頭的不完全正火區(qū)，是由已經(jīng)發(fā)生了相變的細(xì)小馬氏體、貝氏體和部分沒有發(fā)生轉(zhuǎn)變的鐵素體組成。不同區(qū)域的組織不同，對機(jī)械性能的影響也不同。

圖3三種焊接方法下的熱影響區(qū)組織Fig.3 Microstructure of heated affected zone

在焊縫金屬與HAZ交界區(qū)域即熔合區(qū)，可以看到兩側(cè)組織有明顯的區(qū)別，在焊縫區(qū)域的組織主要由細(xì)小鐵素體+少量貝氏體組成，在HAZ區(qū)則由細(xì)小的板條狀馬氏體組成，如圖4所示。

2.3 焊接接頭的硬度分布分析

由于在焊接過程中經(jīng)歷了不同的熱循環(huán)，焊縫區(qū)、熔合區(qū)和熱影響區(qū)均經(jīng)歷組織和性能的變化。不同焊接方法下獲得的焊接接頭顯微硬度分布如圖5所示。由圖5可知，不同的焊接方法下獲得的焊接接頭硬度分布趨勢大體相同，即在焊縫區(qū)硬度較高，達(dá)到了300 HV。焊接熱影響區(qū)的硬度比母材略高，說明該鋼種在現(xiàn)有的幾種焊接方法中沒有出現(xiàn)焊接熱影響區(qū)軟化的現(xiàn)象。

圖4 三種焊接方法下的熔合區(qū)組織Fig.4 Microstructure of fusion zone

3 結(jié)論

(1)三種氣體保護(hù)焊采用合理的焊接工藝參數(shù)，均能獲得沒有缺陷的焊接接頭。

(2)在合理的焊接參數(shù)下獲得的焊接接頭抗拉強(qiáng)度大于或接近母材的抗拉強(qiáng)度，能夠滿足焊接構(gòu)件的力學(xué)性能要求。

(3)由于采用的焊接材料與母材在成分上有一定區(qū)別，所以焊縫的組織基本上由鐵素體和貝氏體組成，而焊接熱影響區(qū)由于受到焊接熱循環(huán)作用，產(chǎn)生了細(xì)小的馬氏體組織，但是對焊接接頭的力學(xué)性能影響極小。

(4)在三種氣體保護(hù)焊中，焊接接頭的硬度整體上高于母材的硬度，沒有出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。

圖5 三種焊接方法下獲得的焊接接頭硬度分布圖Fig.5 The microhardness of GMAW －welded joints

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［1］ 康永林.汽車輕量化先進(jìn)高強(qiáng)鋼與節(jié)能減排［J］.鋼鐵，2008(6):1－7.

［2］ 黃曉艷，劉 波.先進(jìn)高強(qiáng)鋼的顯微組織與力學(xué)性能［J］.云南冶金，2008(4):43－47.

［3］ 黃治軍，劉吉斌，王 靚.汽車鋼板點(diǎn)焊工藝的發(fā)展［J］.鋼鐵研究，2012，40(10):60－62.

［4］ 馬鳴圖，吳寶榕.雙相鋼:物理和力學(xué)冶金［M］.北京:冶金工業(yè)出版社.