DH590鋼板激光束焊的焊接特性研究

汪小培，伊日貴，張永強，楊建煒，劉蔚寧，李 峰

（1.首鋼技術研究院，北京 100043；2.國家電網公司交流建設分公司，北京 100031；3.國家電網公司，北京 100031）

DH590鋼板激光束焊的焊接特性研究

汪小培1，伊日貴1，張永強1，楊建煒1，劉蔚寧2，李 峰3

（1.首鋼技術研究院，北京 100043；2.國家電網公司交流建設分公司，北京 100031；3.國家電網公司，北京 100031）

對厚1.5mm規格DH590鋼板進行激光束焊焊接試驗，研究該鋼板的激光束焊焊接特性以及焊接接頭性能。結果表明，1.5 mm規格的DH590+Z鋼板單板的最大焊接速度為6.8 m/min，搭接板最大焊接速度為3.2m/min；連續搭接試驗的平均最大抗剪力為41.6kN，斷續搭接試驗的平均最大抗剪力為18.9kN，焊接接頭的平均最大抗拉力為12.5 kN；焊接接頭焊縫區的顯微硬度分布均勻，熱影響區不存在明顯的軟化點；對焊接接頭進行X光探傷檢測，未發現氣孔和裂紋缺陷，焊縫質量良好。

DH鋼；激光束焊接；焊接工藝；焊接性能

0 前言

目前，節能減排已成為汽車工業發展的首要任務，超高強鋼在汽車車身上的廣泛應用，不但可以獲得結構減重進而實現節能減排，而且可提高汽車的安全性和服役壽命[1]。雙相鋼屬于相變強化高強度鋼，由鐵素體和馬氏體組成，具有屈強比低、無屈服延伸、應變強化指數高和抗碰撞性能良好等特點，已廣泛應用于汽車車身及結構件制造[2]。

激光焊由于具有加熱和冷卻速度快以及熱作用范圍窄的特點，大大降低了超高強度鋼焊接的軟化區寬度，同時激光焊具有速度快、生產效率高、應用于生產線的焊接柔性好等優點，在超高強度鋼的焊接生產上擁有廣泛的應用前景[3-4]。

本研究對成形增強雙相鋼DH590冷軋鍍鋅板進行激光束焊接，確定了單板和搭接焊接時的最大焊接速度，分析焊接接頭的微觀組織和顯微硬度分布，并研究鋼板連續搭接和斷續搭接時的剪切拉伸性能和十字拉伸性能，對該鋼種的激光束焊焊接性能進行評價。

1 試驗材料和設備

1.1 試驗材料

試驗材料為DH590鍍鋅鋼板，鋼板厚度1.5mm。主要化學成分如表1所示，力學性能如表2所示。

表1 DH590的化學成分%

表2 DH590的力學性能

1.2 試驗設備

焊接試驗使用的激光設備是HL4406D型Nd: YAG固體激光器，最大輸出功率4 400 W，光束質量25mm·rad。對試樣鋼板進行連續搭接和斷續搭接焊接，在焊接接頭處切取10mm×10mm的標準金相試樣，用4%的硝酸酒精溶液對其進行腐蝕，使用Leica DMI5000M金相顯微鏡觀察微觀組織，并用Leica HXD-1000TM顯微硬度測試儀測量顯微硬度[5]。剪切拉伸試樣尺寸為45mm×120mm，搭接量16mm，十字拉伸試樣尺寸為50 mm×150mm，使用型號為Zwick-Z100的拉伸試驗機測試焊接試樣的剪切拉伸性能和十字拉伸性能。連續搭接焊接時的剪切拉伸試樣如圖1所示，在搭接面上形成一條連續的焊縫。斷續搭接焊接時的拉伸試樣如圖2所示，在搭接面中心形成一條長25mm的焊縫。十字拉伸試樣如圖3所示，搭接面中心焊縫長度為25mm。

圖1 連續搭接剪切拉伸試樣

圖2 斷續搭接剪切拉伸試樣

2 分析和討論

2.1 最大焊接速度

圖3 十字拉伸剪切拉伸試樣

分別對厚1.5 mm的DH590+Z鋼板在單板試樣和搭接試樣下的最大焊接速度進行測試，最大焊接速度定義為在焊縫根部面形成能辨認出的連續焊縫的最大焊接速度。激光功率設定為3.6 kW，焊接速度的間隔為0.2 m/min，對單板和搭接板進行不同速度下的焊接測試。單板測試的結果如圖4所示，在焊接速度為6.8 m/min時，焊縫根部面形成了能辨認出的連續焊縫；在7 m/min的焊接速度下，出現了不連續的焊縫點，該鋼板的單板最大焊接速度為6.8 m/min。

圖4 單板焊接速度測試試樣結果

搭接板測試結果如圖5所示。在3.2 m/min的焊接速度下，焊縫根部面形成了能辨認出的連續焊縫；在3.4 m/min的焊接速度下，出現了不連續的焊縫點，該鋼板的搭接板最大焊接速度為3.2 m/min。

圖5 搭接焊接速度測試試樣結果

2.2 焊接接頭組織形貌

觀察厚1.5 mm DH590+Z鋼板搭接焊焊接接頭的組織形貌，接頭的宏觀形貌如圖6所示，此時的激光功率4 kW，焊接速度3.2 m/min。

圖6 搭接焊焊接接頭宏觀形貌

搭接接頭的微觀組織形貌如圖7所示，母材組織是由鐵素體和鐵素體晶界上的島狀馬氏體組織組成，組織沿軋向呈拉長狀態。熱影響區主要為馬氏體組織和少量的鐵素體組織，焊縫區為板條狀馬氏體組織。

圖7 搭接接頭的微觀組織

2.3 剪切拉伸性能和十字拉伸性能

分別對試樣進行連續搭接焊接和斷續搭接焊接，檢驗搭接接頭的剪切拉伸性能，試樣尺寸如圖1、圖2所示，此時的激光功率為4 kW，焊接速度為3.2 m/min。分別對5個連續搭接剪切試樣和5個斷續搭接剪切試樣進行剪切拉伸試驗，結果如圖8所示。

連續搭接試驗的平均最大抗剪力為41.6 kN，達到最大抗剪力的平均位移為33.4 mm。斷續搭接試驗的平均最大抗剪力為18.9 kN，達到最大抗剪力的平均位移為2.9 mm。通過對比可知，連續搭接的抗剪力是斷續搭接的兩倍以上，而達到最大抗剪力的平均位移遠遠大于斷續搭接的，這說明在連續搭接的情況下，焊接接頭破壞之前，母材經歷了較大的拉伸變形，而在斷續搭接時，母材的變形較小。兩種搭接情況下焊接接頭的破壞形貌如圖9所示。在連續搭接的情況下，發生斷裂破壞的位置主要是在熱影響區，而在斷續搭接的情況下，發生破壞的位置是在搭接接頭的界面上，是界面破壞。

圖8 剪切拉伸試驗結果

按照如圖3所示進行十字拉伸試樣的焊接，檢驗焊接接頭的抗拉性能。激光功率4 kW，焊接速度3.2 mm/s。分別對5個十字拉伸試樣進行正拉試驗，結果如圖10所示。平均最大抗拉力為12.5 kN，達到最大抗拉力的平均位移為54.5 mm。

焊接接頭的抗拉力小于抗剪力，但是達到破壞時的位移量大于剪切時。十字拉伸時焊接接頭的破壞形貌如圖11所示，破壞的位置位于母材，說明此時母材的拉伸變形已經達到極限，發生破壞，這也是焊接接頭抗拉時的位移量大于剪切時的原因。

2.4 焊接接頭顯微硬度分布

圖9 搭接接頭的破壞形貌

圖10 十字拉伸試驗結果

圖11 十字拉伸時焊接接頭的破壞形貌

對連續搭接試樣和斷續搭接試樣進行顯微硬度分析，加載力1 000 g，從一側母材經過焊縫到另一側母材，打點間隔300 μm，連續搭接試樣和斷續搭接試樣的顯微硬度分布如圖12所示。在連續搭接和斷續搭接的情況下，焊接接頭的顯微硬度分布差別不大。焊縫區的顯微硬度為400～450 HV，母材區顯微硬度為200 HV，熱影響區沒有明顯的軟化點。

圖12 顯微硬度分布

2.5 焊縫X光探傷檢測

對十字拉伸試樣、斷續搭接剪切試樣和連續搭接剪切試樣進行X光探傷，檢測焊縫的完整性，結果如圖13所示。在3種試樣中，焊縫中都不存在氣孔和裂紋等缺陷，焊接效果良好，焊縫完整性好。

3 結論

（1）厚1.5mm規格的DH590+Z鋼板單板最大焊接速度為6.8m/min，搭接板最大焊接速度為3.2m/min。

（2）連續搭接試驗的平均最大抗剪力為41.6kN，達到最大抗剪力的平均位移為33.4 mm；斷續搭接試驗的平均最大抗剪力為18.9 kN，達到最大抗剪力的平均位移為2.9 mm；焊接接頭的平均最大抗拉力為12.5 kN，達到最大抗拉力的平均位移為54.5 mm。

圖13 X光探傷檢測

（3）焊縫區顯微硬度在400～450HV，母材區的顯微硬度約為200HV，熱影響區不存在明顯的軟化點。

（4）對焊接接頭進行X光探傷檢測，未發現氣孔和裂紋等缺陷，焊縫質量良好。

[1]王曉南，鄭知，曾盼林，等.800MPa級高強鋼光纖激光焊接接頭微觀結構對硬度及疲勞性能的影響[J].中國激光，2016（12）：109-118.

[2]汪小培，張永強，鞠建斌，等.DP590激光拼焊板焊接性能和成形性[J].電焊機，2016，46（8）：22-25.

[3] 陳俐，胡席遠，胡倫驥.高強鋼的激光焊接性研究[J].應用激光，2003，23（1）：19-21.

[4] 陳樹君，王超，郝素鋒,等.熱沖壓高強鋼電阻+激光組合點焊工藝[J].焊接學報，2013，34（5）：5-8.

Research on laser beam welding characteristics of DH590 steel

WANG Xiaopei1，YI Rigui1，ZHANG Yongqiang1，YANG Jianwei1，LIU Weining2，LI Feng3
（1.Shougang Research Institute of Technology，Beijing 100043，China；2.State Grid Corporation of China，AC Construction Branch，Beijing 100031，China；3.State Grid Corporation of China，Beijing 100031，China）

Through the laser beam welding experiments of 1.5 mm DH590 steel plate，the welding characteristics and welding joint performance are investigated.The results show that the maximum welding speed for single sheet thickness of DH590 is 6.8 m/min and the maximumweldingspeedonalapjointis3.2m/min.Themaximumsheartensileforceforcontinuouslapweldsandstitchedlapweldsare41.6kN and 18.9 kN，respectively.The maximum cross tension force of welding joints is 12.5 kN.The microhardness distribution of fusion zone in weldingjointishomogeneousandtherearenosofteningpointsintheheataffectedzone.X-raydetectionsarecarriedoutontheweldingjoints andtheporosityandcrackdefectsarenotfound，whichindicatesthegoodweldingqualityoftheweldedjoints.

DH steel；laser beam welding；welding procedures；welding properties

TG456.7

A

1001－2303（2017）08－0071-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.08.13

2017-04-10

汪小培（1987—），男，工程師，碩士，主要從事材料焊接性和焊接工藝的研究工作。E-mail：wangxp 198710@163.com。

本文參考文獻引用格式：汪小培，伊日貴，張永強，等. DH590鋼板激光束焊的焊接特性研究[J].電焊機，2017，47（08）：71-75.