超高强QP980钢激光焊缝组织和性能研究

左敦桂 阎启 王利

1. 概述

全球变暖问题的日益凸显加速了汽车轻量化的发展，目前汽车轻量化重点将汽车材料选择由原先的以碳钢为主发展到以先进材料为主，如先进高强钢、铝合金和增强塑料。在确保碰撞安全性前提下，由于先进高强钢在成本和强度上的优势使其成为汽车工业首选材料。先进高强钢的强度和塑性配合优于普通高强钢, 兼具高强度和较好的成形性，特别是加工硬化指数高，有利于提高冲撞过程中的能量吸收，这对减重的同时保证安全性十分有利。目前，汽车行业广泛使用包括双相钢、TRIP钢、复相钢及马氏体钢等材料，其强度在500~1000MPa。近几年，一种新工艺：淬火分配工艺可用来生产一种具有TRIP效应的、高强度和高塑(韧)性的马氏体钢，即Q&P钢，其室温组织是贫碳的板条马氏体和富碳残留奥氏体，马氏体组织保证了钢的强度。残留奥氏体由于在形变过程中发生相变诱发塑性而提高了钢的塑性，钢的强度最高可以达到l 400MPa，而对应塑性仍有15%左右。

2. 试验材料及工艺

试验用材料厚度为1.6mm的QP980钢，材料化学成分如表1所示。焊接设备采用PRC公司FH4000 TURBO型直流激励快速轴流CO2激光器。对1.6mm厚度QP980钢进行激光对接焊试验，焊前对试件边部进行去毛刺处理，再用丙酮擦拭，去除表面的油污、杂质。在满足焊缝形貌要求的条件下，选取表2焊接参数进行激光焊接试验。

3. 试验结果及分析

（1）显微组织 用切割机沿垂直焊缝方向切割焊接件, 切割出20mm×20mm的小块制作试样进行显微金相观察。图1为 QP980焊接接头显微组织。母材组织为贫碳的板条马氏体和黑色的铁素体以及马氏体板条间的残余奥氏体组织。焊缝区域为粗大的马氏体组织，与母材相比，马氏体尺寸较大，近焊缝处的热影响区为马氏体和铁素体组织。随距焊缝中心线距离的增加，铁素体含量逐渐增加，与母材相比，此区域马氏体含量高，形成热影响区硬化区(见图1c)。随距焊缝中心线距离的进一步增加，激光的峰值温度降低至Ac1以下，母材受热分解为回火马氏体和碳化物，从而使该区域强度有所下降，出现典型的热影响区软化现象，形成热影响区软化区（见图1b）。

表1 QP980钢材料化学成分及力学性能

表2 激光焊接参数

（2）力学性能 拉伸试验结果显示全部试样都断裂于母材。焊接接头的屈服强度达到730MPa，略高于母材，焊接接头的拉伸强度均960MPa以上，接近于母材。焊缝的伸长率有所下降，但下降幅度较小，达到11%左右（见图2）。

（3）硬度试验 使用显微硬度计对QP980激光焊接接头试样进行维氏硬度分析，从母材一侧开始沿着焊缝的横截面每隔0.25mm进行加载。试验结果表明，硬度值以焊缝中心为对称轴呈近似对称分布。焊接接头各区域的硬度值是由焊接热输入与母材组织成分共同决定的。母材区（BM）硬度不受焊接速度影响，硬度在360HV左右；HAZ受焊接热循环的作用将发生固态相变，因此其硬度从母材向焊缝出现从低到高的变化。热影响区靠母材区域的细晶区，由于处于Ac1以下，出现部分回火马氏体组织，导致硬度有所下降，但下降幅度较小，硬度在350HV左右；HAZ中靠近焊缝的粗晶区，由于其中有部分马氏体组织生成，其硬度较高，硬度在450HV左右；焊缝区域为淬硬马氏体组织，硬度在500HV左右。

（4）成形性试验 从杯突试验结果图3可看出，QP980钢激光焊缝杯突值明显低于母材，从焊缝杯突值和母材杯突值相比来看，QP980比值为71%，且焊缝杯突开裂位置垂直于焊缝失效，表现为良好的焊缝成形性能。

图1 焊接接头显微组织

图2 QP980钢焊接接头力学性能及拉伸断裂情况

图3 QP980钢激光焊接接头成形性能

4. 结语

（1）QP980钢焊缝组织为淬硬的马氏体组织，近母材处出现少量的回火马氏体组织。

（2）QP980钢焊接接头具有良好的拉伸性能，屈服强度高于母材，但抗拉强度和伸长率有所下降，但下降幅度较小。

（3）QP980钢焊缝硬度要高于母材，近母材处的热影响区存在轻微软化现象，但幅度较小。

（4）QP980钢焊接接头具有良好的焊缝成形性能，焊缝杯突值达到母材的71%，且焊缝杯突开裂位置垂直于焊缝。

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