超高強QP980鋼激光焊縫組織和性能研究

左敦桂 閻啟 王利

1. 概述

全球變暖問題的日益凸顯加速了汽車輕量化的發展，目前汽車輕量化重點將汽車材料選擇由原先的以碳鋼為主發展到以先進材料為主，如先進高強鋼、鋁合金和增強塑料。在確保碰撞安全性前提下，由于先進高強鋼在成本和強度上的優勢使其成為汽車工業首選材料。先進高強鋼的強度和塑性配合優于普通高強鋼, 兼具高強度和較好的成形性，特別是加工硬化指數高，有利于提高沖撞過程中的能量吸收，這對減重的同時保證安全性十分有利。目前，汽車行業廣泛使用包括雙相鋼、TRIP鋼、復相鋼及馬氏體鋼等材料，其強度在500~1000MPa。近幾年，一種新工藝：淬火分配工藝可用來生產一種具有TRIP效應的、高強度和高塑(韌)性的馬氏體鋼，即Q&P鋼，其室溫組織是貧碳的板條馬氏體和富碳殘留奧氏體，馬氏體組織保證了鋼的強度。殘留奧氏體由于在形變過程中發生相變誘發塑性而提高了鋼的塑性，鋼的強度最高可以達到l 400MPa，而對應塑性仍有15%左右。

2. 試驗材料及工藝

試驗用材料厚度為1.6mm的QP980鋼，材料化學成分如表1所示。焊接設備采用PRC公司FH4000 TURBO型直流激勵快速軸流CO2激光器。對1.6mm厚度QP980鋼進行激光對接焊試驗，焊前對試件邊部進行去毛刺處理，再用丙酮擦拭，去除表面的油污、雜質。在滿足焊縫形貌要求的條件下，選取表2焊接參數進行激光焊接試驗。

3. 試驗結果及分析

（1）顯微組織 用切割機沿垂直焊縫方向切割焊接件, 切割出20mm×20mm的小塊制作試樣進行顯微金相觀察。圖1為 QP980焊接接頭顯微組織。母材組織為貧碳的板條馬氏體和黑色的鐵素體以及馬氏體板條間的殘余奧氏體組織。焊縫區域為粗大的馬氏體組織，與母材相比，馬氏體尺寸較大，近焊縫處的熱影響區為馬氏體和鐵素體組織。隨距焊縫中心線距離的增加，鐵素體含量逐漸增加，與母材相比，此區域馬氏體含量高，形成熱影響區硬化區(見圖1c)。隨距焊縫中心線距離的進一步增加，激光的峰值溫度降低至Ac1以下，母材受熱分解為回火馬氏體和碳化物，從而使該區域強度有所下降，出現典型的熱影響區軟化現象，形成熱影響區軟化區（見圖1b）。

表1 QP980鋼材料化學成分及力學性能

表2 激光焊接參數

（2）力學性能 拉伸試驗結果顯示全部試樣都斷裂于母材。焊接接頭的屈服強度達到730MPa，略高于母材，焊接接頭的拉伸強度均960MPa以上，接近于母材。焊縫的伸長率有所下降，但下降幅度較小，達到11%左右（見圖2）。

（3）硬度試驗 使用顯微硬度計對QP980激光焊接接頭試樣進行維氏硬度分析，從母材一側開始沿著焊縫的橫截面每隔0.25mm進行加載。試驗結果表明，硬度值以焊縫中心為對稱軸呈近似對稱分布。焊接接頭各區域的硬度值是由焊接熱輸入與母材組織成分共同決定的。母材區（BM）硬度不受焊接速度影響，硬度在360HV左右；HAZ受焊接熱循環的作用將發生固態相變，因此其硬度從母材向焊縫出現從低到高的變化。熱影響區靠母材區域的細晶區，由于處于Ac1以下，出現部分回火馬氏體組織，導致硬度有所下降，但下降幅度較小，硬度在350HV左右；HAZ中靠近焊縫的粗晶區，由于其中有部分馬氏體組織生成，其硬度較高，硬度在450HV左右；焊縫區域為淬硬馬氏體組織，硬度在500HV左右。

（4）成形性試驗 從杯突試驗結果圖3可看出，QP980鋼激光焊縫杯突值明顯低于母材，從焊縫杯突值和母材杯突值相比來看，QP980比值為71%，且焊縫杯突開裂位置垂直于焊縫失效，表現為良好的焊縫成形性能。

圖1 焊接接頭顯微組織

圖2 QP980鋼焊接接頭力學性能及拉伸斷裂情況

圖3 QP980鋼激光焊接接頭成形性能

4. 結語

（1）QP980鋼焊縫組織為淬硬的馬氏體組織，近母材處出現少量的回火馬氏體組織。

（2）QP980鋼焊接接頭具有良好的拉伸性能，屈服強度高于母材，但抗拉強度和伸長率有所下降，但下降幅度較小。

（3）QP980鋼焊縫硬度要高于母材，近母材處的熱影響區存在輕微軟化現象，但幅度較小。

（4）QP980鋼焊接接頭具有良好的焊縫成形性能，焊縫杯突值達到母材的71%，且焊縫杯突開裂位置垂直于焊縫。

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