800 MPa級超細晶粒鋼點焊接頭組織與性能

董　文，姜秋月，李曉冬，王　毅

（長春工程學院，吉林長春130021）

800 MPa級超細晶粒鋼點焊接頭組織與性能

董文，姜秋月，李曉冬，王毅

（長春工程學院，吉林長春130021）

以馳豫－析出－控制相變工藝生產的800 MPa超細組織鋼為研究對象，采用合理規范進行點焊。觀察點焊接頭的宏觀形貌和顯微組織，分析顯微組織在焊接熱循環作用下的轉變規律；測量點焊接頭的硬度分布曲線。結果表明，點焊接頭焊接質量良好，沒有焊接缺陷，能夠滿足實際生產需要；由于焊接熱循環作用，點焊接頭晶粒長大不可避免，焊接接頭中包含了低碳馬氏體、貝氏體、鐵素體等組織；點焊接頭的硬度高于母材組織，基本不存在軟化現象。

800 MPa級超細組織鋼；電阻焊；顯微組織；力學性能

0　前言

在新型金屬材料的研發中，利用零維缺陷、一維缺陷、二維缺陷以及細化晶粒等因素，可以大幅度提高材料性能。然而在以上諸多影響因素中，只有細化晶粒既能提高材料的強度，又能提高材料的韌性，同時提高材料的綜合力學性能[1-3]。基于此，最新研發出來的超細晶粒鋼具有超高強度和韌性，成為了國內外專家、汽車行業的研究的重點和熱點，有望成為未來應用最為廣泛的鋼板[4-5]。

超細晶粒鋼的應用離不開焊接，但其焊接接頭性能會發生下降現象，這是由于焊接過程中熱循環的作用使得鋼板內部的細小晶粒發生長大現象，接頭組織粗大，力學性能降低[6]。針對電阻點焊加熱集中、高溫停留時間短、冷卻速度快的特點，初步評定800 MPa級超細晶粒鋼的焊接性，為進一步研究適合超細晶粒鋼焊接的工藝選擇提供理論依據和實際生產經驗。

1　試驗材料和方法

1.1試驗材料

試驗材料為上海寶鋼公司生產的800 MPa級超細晶粒鋼，主要材質化學成分和性能如表1、表2所示。母材的金相顯微組織如圖1所示，其金相組織為鐵素體、貝氏體和少量珠光體混合組織。

表1　800MPa超細晶粒鋼BS700MC化學成分％

表2　800MPa超細晶粒鋼力學性能

圖1　800MPa超細鋼顯微組織Fig.1800 MPa ultrafine steel microstructure

1.2試驗方法

點焊試件尺寸100 mm×25 mm×3 mm，長度方向搭接25 mm，焊件形式如圖2所示。采用上海通用公司生產的DN2-40固定式氣動點焊機，選擇端面直徑9.0 mm的錐形電極，將800 MPa超細鋼鋼板利用手工鋸切開點焊接頭，進行打磨拋光處理后，用4％硝酸酒精進行腐蝕處理，用PXS1040體式顯微鏡、NiKonEPIPHOT300型光學顯微鏡分析了點焊接頭的宏觀形貌和微觀組織，并用HXD－1000型顯微硬度儀測點焊接頭橫截面的顯微硬度（加載力100 g，時間10 s）分布。

圖2　點焊試樣尺寸Fig.2Spot welding sample size

2　試驗結果和討論

2.1點焊接頭的宏觀形貌

800 MPa級超細晶粒鋼點焊接頭宏觀形貌如圖3所示。可以看到，點焊接頭上表面呈圓形，焊點熔核為規則的橢圓形或矩形。焊接接頭熔核區較明亮，僅次于母材；粗晶區最暗，晶粒間疏松，腐蝕最嚴重；重結晶區介于粗晶區和母材之間，離熔核越遠，顏色越亮，與母材有明顯的大致分界線，靠近熔核的一部分是完全重結晶區，即正火區。點焊接頭焊接區域未發現縮孔、裂紋等焊接缺陷；熔核與母材分界線明顯，焊接熔核未發生偏移，接頭美觀，焊接成形質量良好。

圖3　點焊接頭宏觀焊接形貌Fig.3Macro-morphology of spot welding joints welding

2.2點焊接頭組織轉變特點

由于母材主要為板條貝氏體束組織，在光學顯微鏡下難以觀察到明顯的晶界，而熱影響區組織具有較為明顯的晶界特征。因此，焊接熱影響區原奧氏體明顯的晶界是區別于母材組織的重要標志。

點焊接頭熔核組織與熔合線附近的粗晶區組織形貌特征相同，顯微組織如圖4所示，顯微組織由板條狀貝氏體組織和針狀鐵素體組成。在原粗大的柱狀晶內生成大量的板條貝氏體束，一部分貝氏體板條束在原奧氏體晶界形核，而另一部分貝氏體板條束則以先期形成的貝氏體板條為界面生長；同時，伴隨針狀鐵素體生成，針狀鐵素體是中溫轉變產物。焊接熱影響區針狀鐵素體的存在可以改善該位置的韌性。熔核中心的顯微組織如圖4b所示，熔核區奧氏體為等軸晶粒，故冷卻到室溫后得到板條貝氏體組織。

點焊熔合線附近的粗晶區顯微組織圖5所示。由圖5a可知，近試板表面由于散熱快，其粗晶區組織粗大程度較小，寬度較窄。由圖5b可知，在板厚的中部，原奧氏體晶粒較為粗大，組織類型為粗大板條貝氏體，晶內有鐵素體形成；同時，焊接粗晶區相對較寬。熱影響區晶粒長大主要與焊接加熱的溫度和時間以及母材成分和組織狀態有關。焊接熱循環對于晶粒的長大有很大影響，不僅對焊接熱影響區晶粒的大小有很大影響，同時還很大程度上影響著晶粒的分布。縮短焊接時的高溫停留時間，增大冷卻速度可明顯可抑止晶粒的長大傾向。

圖4　點焊接頭熔核顯微組織Fig.4Spot welding nuggest microstructure of joint

圖5　點焊接頭熱影響區顯微組織Fig.5Spotweldingjointmicrostructureinheataffectedzone

點焊接頭母材附近的重結晶區域晶粒較為細小，其經歷的熱過程相當于熱處理中的正火組織，綜合力學性能良好。

2.3點焊接頭硬度分布

800 MPa級超細晶粒鋼點焊接頭硬度分布曲線如圖6所示，焊點熔核硬度與母材的基本相同或高于母材，最大硬度值365HV。由圖7a可知，在垂直于板厚方向點焊接頭最低硬度值與母材平均硬度值差值為25 HV，存在軟化現象。但軟化區較窄，約為0.5 mm，且軟化區域主要在粗晶區域。由圖7b可知，平行于板厚方向基本高于母材，沒有軟化現象，這是由于平行于板厚方向，散熱快，高溫時間停留短引起的。

3　結論

（1）在合理的焊接規范下，800 MPa級超細晶粒鋼點焊接頭焊接質量良好，沒有焊接缺陷，能夠滿足實際生產需要。

（2）800 MPa級超細晶粒鋼在點焊過程中受到熱循環作用，焊接區域晶粒不可避免的發生長大現象；點焊接頭的顯微組織由低碳馬氏體、貝氏體、鐵素體等組成。

（3）800 MPa級超細晶粒鋼點焊接頭垂直于板厚方向的焊接熱影響區存在著軟化現象，但軟化區較窄，軟化區域主要在粗晶區域；平行于板厚方向高于母材，不存在軟化現象。

[1]Bush M B，Kim H S.On the modeling of ultra-fine grained materials[J].JournalofMetalstableandNanocrystalline Materials，1999（2）：437-442.

[2]王成.400MPa級超級鋼激光焊接及其焊接性研究[D].北京：清華大學，2002.

[4]王成.400 MPa級超級鋼激光焊接及其焊接性研究[D].北京：清華大學，2002.

[5]徐春華.800MPa超細晶粒鋼焊接接頭組織和性能控制[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2009.

[6]谷諍巍，張正林，李欣，等.超高強度鋼與微合金鋼點焊接頭的組織與性能[J].吉林大學報：工學版，2009，39（3）：624-627.

Microstructure and property of spot welded joint of 800 MPa grade ultra-fine grain steel

DONG Wen，JIANG Qiuyue，LI Xiaodong，WANG Yi
（Department of Electrical and Mechanical，Changchun Institute of Technology，Changchun 130021，China）

Focused on the relaxation-precipitation-controlled phase transition process to produce ultra-fine grain steel 800 MPa for the study，using a reasonable specification spot.Observed macroscopic morphology and microstructure of welding joints，analyzed the microstructure changes in the laws of the welding thermal cycle effects;measured the hardness profile welding joint.The results show that,spot weld welding quality is good,no welding defects，to meet the needs of the practical production;because welding thermal cycles，spot welding joints of grain growth is inevitable，welded joints contains carbon martensite，bainite，ferrite and other organizations; spot weld hardness is higher than the parent metal structure,basic no softening phenomenon.

800 MPa grade ultrafine steel；resistance welding；microstructure；mechanical properties

TG457.19

A

1001－2303（2016）02－0034-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.02.07

2015－04－21；

2015－07－10

董文（1967—），女，遼寧錦州人，高級實驗師，學士，主要從事金屬材料及熱處理的研究工作。

[3]劉吉斌.RPC超細組織鋼的焊接物理冶金研究[D].武漢：華中科技大學，2005.10.7666/d.d009966.