屈強比對DP540雙相鋼閃光對焊接頭變形行為的影響

王舒揚 丁 凱 霍世宗

(1. 寶山鋼鐵股份有限公司 中央研究院，上海 201900； 2. 汽車用鋼開發與應用技術國家重點實驗室，上海 201900；3. 上海大學 省部共建高品質特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室，上海 200444；4.上海大學 材料科學與工程學院，上海 200444)

能源、資源短缺和環境污染問題日趨嚴峻，實現可持續發展已成為各行各業的共同目標[1- 2]。汽車輕量化在節能減排方面的優勢使其逐漸成為汽車行業的發展方向。先進高強鋼具有較高的強塑積，在汽車制造中得到了廣泛應用[3]，在確保材料強度和汽車安全性的前提下，可實現車身質量降低約20%[4]。

雙相鋼顯微組織由塑性較好的鐵素體和強度較高的馬氏體組成，具有良好的力學性能和加工性能，如較高的加工硬化速率和斷后伸長率等[5- 7]。20世紀90年代，在國際鋼鐵協會主導的超輕鋼車體計劃(ultra-light steel auto body, ULSAB)中，應用于車體的雙相鋼比例超過70%[8]。目前，雙相鋼已廣泛應用于汽車車輪、保險杠、AB柱等零部件，其中400～600 MPa級雙相鋼廣泛應用于車身覆蓋件[9]。

雙相鋼在汽車行業的應用必定涉及焊接[10- 11]。閃光對焊具有熱效率高、焊接質量好、無需填絲等優點，是生產輪輞的主要焊接工藝之一[12- 14]。然而，焊接接頭特征區的組織和性能往往有差異，導致輪輞在生產過程特別是擴口時發生縮頸，嚴重影響產品質量。周磊磊等[15]發現，焊接接頭特征區組織粗大且分布不均勻是導致焊接接頭韌性低于母材的主要原因。Xi等[16]研究了閃光對焊工藝參數對RS590CL鋼焊接接頭性能的影響，認為組織粗化會導致接頭韌性降低。Nikulina等[17]對高碳鋼和鉻鎳不銹鋼閃光對焊接頭進行了研究，認為焊縫中馬氏體的不均勻分布會導致焊接接頭過早斷裂。閃光對焊接頭的組織均勻性與力學性能關系密切，因此研究雙相鋼閃光對焊接頭的組織和力學性能對提高汽車輪輞的焊接質量具有重要的意義。

本文采用 Zeiss Imager A2m型光學顯微鏡(optical microscope, OM)和 JSM- 6700F型掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)研究了不同屈強比的DP540雙相鋼閃光對焊焊接接頭特征區的顯微組織和拉伸性能，可為DP540雙相鋼能可靠地應用于汽車輪輞提供理論依據和數據支持。

1 試驗材料與方法

試驗用DP540雙相鋼的熔煉爐次不同，不同批次的鋼板厚度均為6.0 mm。表1為DP540鋼板的化學成分。采用相同的閃光對焊工藝參數對DP540雙相鋼板進行焊接，焊接工藝參數如表2所示。拉伸試樣的尺寸為240 mm×20 mm×6 mm，拉伸設備為Instron 5581型萬能拉伸試驗機，拉伸速率為10 mm/min。金相試樣尺寸為30 mm×10 mm×6 mm，用體積分數為4%的硝酸酒精溶液腐蝕。

表1 研究用DP540鋼板的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of the investigated DP540 dual- phase steel plate (mass fraction) %

表2 閃光對焊工藝參數Table 2 Process parameters of the flash butt welding

2 結果與討論

2.1 顯微組織

圖1為不同批次DP540雙相鋼板的OM組織，均為鐵素體和馬氏體。圖1(a)為第1批DP540雙相鋼板的組織，鐵素體和馬氏體較粗大，鐵素體晶粒尺寸約為20 μm，馬氏體呈塊狀。圖1(b～d)分別為第2至第4批DP540雙相鋼板的顯微組織，鐵素體和馬氏明顯比第1批DP540鋼板的細小，特別是第3批DP540鋼板，晶粒尺寸大多小于10 μm，馬氏體呈島狀彌散分布。代啟鋒等[18]研究了鐵素體晶粒尺寸對雙相鋼變形性能的影響，認為細化晶粒可在變形過程中阻礙位錯運動，從而提高強度。Avramovic- Cingara等[19]研究了馬氏體分布對雙相鋼失效機制的影響，發現細小且均勻分布的馬氏體在鋼的變形過程中會產生更好的應力分配，使鋼具有更高的強度和延展性。

圖1 第1(a)、2(b)、3(c)和4(d)批DP540鋼板的OM組織Fig.1 OM structures of the first (a), second (b), third (c) and fourth (d) batch of DP540 steel plates

不同批次DP540雙相鋼板的SEM組織如圖2所示。同樣，第1批DP540雙相鋼板鐵素體和馬氏體均較粗大，且存在明顯的板條狀馬氏體(圖2(a))；第2至第4批DP540鋼板鐵素體較細小，且馬氏體基本呈粒狀。鄺霜等[20]研究了不同馬氏體體積分數的雙相鋼的顯微組織特征，發現馬氏體含量較低時呈島狀或顆粒狀，隨著馬氏體含量的增加，其形態轉變為塊狀。馬氏體含量增加導致其C、Mn含量下降是馬氏體形態變化的可能原因之一。因此，第1批DP540雙相鋼板中的馬氏體含量最高，第3批的馬氏體含量最低。

圖2 第1(a)、2(b)、3(c)和4(d)批DP540鋼板的SEM組織Fig.2 SEM structures of the first (a), second (b), third (c) and fourth (d) batch of DP540 steel plate

2.2 拉伸性能

圖3為不同批次DP540雙相鋼板焊接接頭的屈服強度和抗拉強度。第1批DP540鋼板焊接接頭的屈服強度遠低于抗拉強度，屈強比為0.62，拉伸試樣斷裂于焊接接頭粗晶區。第2至第4批DP540鋼板焊接接頭的屈服強度和抗拉強度接近，相應為450和520 MPa左右，屈強比均為0.8～0.9，拉伸試樣斷裂于母材。圖3中插圖為拉伸斷裂的試樣。

圖3 不同批次DP540鋼板閃光對焊接頭的拉伸強度Fig.3 Tensile strengths of flash butt welded joint of the different batches of DP540 steel plates

Hwang等[21]研究了鐵素體晶粒尺寸和馬氏體體積分數對雙相鋼變形行為的影響，結果表明，減小鐵素體晶粒尺寸和提高馬氏體體積分數均可提高材料屈服強度和抗拉強度，而提高馬氏體的體積分數會降低材料的屈強比，其原因在于馬氏體含量的提高對抗拉強度的影響更顯著。本文研究表明，較高的屈強比對應于更細小的鐵素體晶粒尺寸和更低的馬氏體體積分數，焊接接頭的均勻變形性能改善，力學性能達到要求。由此可見，作為表征材料抗塑性變形和斷裂性能的指標，在某種程度上屈強比可作為調控材料組織的依據。

2.3 焊接接頭特征區組織

前期的研究[22- 23]表明，DP540雙相鋼閃光對焊接頭可分為5個特征區，即界面區、粗晶區、重結晶區(細晶區)、部分重結晶區(過回火區)和母材。根據其組織特點，雙相鋼發生變形時，應變集中在鐵素體中，第二相馬氏體起強化作用，而粗晶區受焊接熱的影響組織較粗大，主要為鐵素體，是焊接接頭的薄弱環節[24]。圖4為不同批次DP540雙相鋼板閃光對焊接頭粗晶區的SEM組織。圖4表明，第1批DP540雙相鋼板焊接接頭粗晶區鐵素體晶粒明顯大于其他3批鋼板，部分晶粒尺寸達50 μm以上；第3批鋼板焊接接頭粗晶區的晶粒較細小均勻，鐵素體晶粒尺寸大多為20 μm左右。細小均勻的鐵素體及較大的屈強比有利于焊接接頭的均勻變形和力學性能的提高。

圖4 第1(a)、2(b)、3(c)和4(d)批鋼板焊接接頭粗晶區SEM組織Fig.4 SEM structures of coarse- grained zones in the welded joint of the first(a), second(b), third(c) and fourth(d) batch of steel plate

3 結論

(1)第1批DP540雙相鋼板焊接接頭的屈強比為0.62，屈服強度為338 MPa；第2至4批DP540雙相鋼板焊接接頭的屈強比均為0.8～0.9，屈服強度均為450 MPa；屈強比較小的焊接接頭拉伸斷裂于粗晶區，高屈強比的焊接接頭拉伸斷裂于母材。

(2)屈強比較小的第1批鋼板組織粗大且馬氏體呈大塊狀，焊接接頭試樣在拉伸過程中首先在粗晶區產生塑性變形，焊接接頭不同區域變形不均勻；屈強比較大的第3批鋼板組織細小且馬氏體呈島狀彌散分布，試樣在拉伸過程中變形均勻。

(3)閃光對焊接頭粗晶區溫度較高，組織易粗化，導致該區域過早塑性變形，是焊接接頭的薄弱區；應精確控制DP540雙相鋼的原始組織，以細化焊接接頭粗晶區組織，穩定焊接接頭的屈強比，改善其變形性能。