DP540双相钢闪光对焊接头的组织与硬度研究

潘 华 丁 凯 霍世宗 赵炳戈 吴 岳 高玉来

(1.宝山钢铁股份有限公司研究院汽车用钢研究所,上海 201900; 2.汽车用钢开发与应用技术国家重点实验室,上海 201900; 3.省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室,上海 200444; 4.上海市钢铁冶金新技术开发应用重点实验室,上海 200444;5.上海大学材料科学与工程学院,上海 200444)

近几十年来，经济的不断发展造成了能源和环境的矛盾日益突出。为了贯彻政府的节能减排政策，追求轻量化、节能、环保及安全性等指标已成为现今汽车制造业发展的主要方向。相关研究表明，汽车自重下降10%可降低油耗6%～8%[1]，通过降低汽车自重达到减排的目的是最有效的途径之一。目前，降低汽车自重的途径主要有两种，一种是采用铝合金、复合材料等轻质材料[2]，但由于其造价昂贵、成形性差等原因，难以在中低端车型中广泛应用；另一种是采用先进高强钢[3- 5](advanced high strength steel, AHSS)，主要包括相变诱导塑性钢、马氏体钢、热成型钢、孪晶诱导塑性钢和双相钢等。

双相钢具有加工成本低、屈强比低、延性好等特点，已成为汽车制造业广泛采用的钢种之一，本文汽车车轮的重要部件轮辋的材料即为双相钢。重型卡车的轮辋大多采用闪光对焊技术，闪光对焊技术具有效率高、成本低等优点，广泛应用于多个领域[6- 7]。轮辋焊接后，接头的组织不均匀性大大提高，且焊接参数的调整直接影响整个焊接接头的性能[8]。有学者[9- 10]研究了540/590 MPa级车轮钢闪光对焊后接头的组织，发现焊接件的热影响区由于热输入不同，组织形态会有较大的差异。Xi等[11]在研究闪光对焊的焊接接头的组织与力学性能的关系时，同样发现接头中存在多个特征区域，并且提出，由于焊接热的影响而产生的再结晶会严重影响整个接头的拉伸性能。因此，对闪光对焊的双相钢焊接接头组织与性能的关联性研究尤为重要。

本文对DP540双相钢进行了闪光对焊，采用金相显微镜、扫描电子显微镜、显微硬度计等研究了对焊接头的组织与显微硬度之间的关系，分析了化学成分不同的两种焊接接头的组织形态与显微硬度之间的关联性，为DP540双相钢在轮辋上的安全应用提供参考。

1 试验材料与方法

试验材料为先进高强度DP540双相钢，具体成分如表1所示。由表1可以看出，1号和2号试样成分中主要是硅和锰含量有差异。在双相钢中，硅可以提高铁素体的连续性，抑制链状马氏体的形成，从而使马氏体区域难以产生裂纹，提高其韧性。祝志峰等[12]研究了硅对双相钢组织和性能的影响，发现提高硅含量后双相钢中铁素体的硬度也提高，拉伸性能也有所提高。李胜利等[13]发现，提高锰含量可以降低双相钢的再结晶温度。铌和钛等微合金化元素的添加具有细晶强化和固溶强化的作用[14]。

对两种成分的DP540双相钢采用相同的工艺焊接，图1为从焊接件上截取的用于检验显微组织和显微硬度的试样的外观。将试样磨、抛后用4%硝酸酒精溶液腐蚀，用蔡司Imager A2m光学金相显微镜和JSM- 6700F扫描电镜检验显微组织，用MH- 5L显微硬度计测定硬度，试验力为200 g。

表1 DP540双相钢的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of the DP540 dual- phase steel (mass fraction) %

图1 1号和2号焊接试样的外观Fig.1 Appearance of the two types of specimens

2 结果与讨论

2.1 显微组织

1号和2号焊接试样的焊缝中心及热影响区的显微组织如图2和图3所示。从两块焊接试样的宏观形貌可以看出，试样有5个焊接特征区，分别为焊缝中心区、粗晶区、细晶区、过回火区和母材。Xi等[15]研究了闪光对焊焊接工艺参数对RS590CL钢焊接接头组织和性能的影响，发现焊接接头同样有几个特征区域，且各个特征区域的宽度随着焊接工艺参数的改变而变化。焊缝中心区组织主要是粗大的铁素体和板条马氏体， 粗晶区的铁素体较粗大，细晶区由于经历了再结晶，晶粒较细小，过回火区受焊接热的影响较小，部分发生再结晶，部分晶粒仍然保持母材区域的轧制状态。两种试样特征区域的组织分别如图2(b～e)(对应图2(a)的B～E区域)和图3(b～e)(对应图3(a)的B～E区域)所示。通过对比两种试样的显微组织可以发现，1号试样的焊缝中心区板条马氏体量较多，2号试样焊缝中心区虽然板条马氏体量较少，但铁素体内有细小的二次相，焊接过程中，由于焊接热的影响，焊接区域奥氏体化，并在快速冷却过程中，碳等合金元素从基体中析出，形成二次相碳化物。同样，2号试样铁素体内也有细小的二次相。细小二次相的存在可提高粗大铁素体在拉伸试验过程中的抗变形能力[16]。热影响区的组织表明，2号试样的晶粒及岛状马氏体的尺寸均小于1号试样，细小的晶粒及二次相可同时提高基体的韧性和强度。1号和2号试样焊缝母材区域的组织如图4所示。从图4可以看出，1号试样的铁素体和马氏体尺寸均明显大于2号试样。白山等[17]研究了硅对双相钢回复和再结晶的影响，发现，硅可以显著延缓双相钢的回复及再结晶过程，使再结晶后的铁素体平均晶粒尺寸减小，除了合金元素的作用，热处理工艺的差异也会产生晶粒尺寸的差异[18]。Nouri等[19]研究了硅在双相钢中的作用，发现提高硅含量可减少双相钢中的马氏体量，因此，1号和2号试样在化学成分上的差异可能是导致其组织存在差异的原因。

图2 1号试样焊接接头的显微组织Fig.2 Microstructures of the welded joint for the specimen No.1

此外，还采用扫描电镜研究了两种试样焊缝特征区域的组织特征，发现，两种试样的组织差异主要发生在焊缝中心区、粗晶区及母材区。由于焊缝中心区的组织特征与粗晶区相似，因此对试样的显微组织观察主要集中在粗晶区和母材区。图5和图6分别为1号和2号试样粗晶区和母材区的显微组织。图5表明，两种试样的粗晶区均为粗大的铁素体和马氏体双相组织，值得注意的是，2号试样粗晶区的铁素体内有较明显的二次相粒子，结合能谱分析可知，该二次相为岛状马氏体，1号试样粗晶区中铁素体内未发现有明显的二次相。对比两种试样母材区的微观组织发现，1号试样母材区有尺寸较大的块状马氏体，而2号试样的马氏体较为细小。同时，1号试样的块状马氏体为板条结构，铁素体也较2号试样粗大，2号试样母材区域的铁素体内有细小的二次相。Sodjit等[20]研究了双相钢组织与应变强化行为的关系，认为细小的铁素体、适当体积分数的岛状马氏体可有效提高双相钢的强度。Bergström等[21]认为， 不同强度级别的双相钢的屈服应力差别与铁素体的晶粒尺寸以及马氏体的分布有关。

图3 2号试样焊接接头的显微组织Fig.3 Microstructures of the welded joint for the specimen No.2

图4 试样焊接接头母材区的显微组织Fig.4 Microstructures in base metal zone of the welded joint of the specimens

图5 试样焊缝粗晶区的显微组织Fig.5 Microstructures in the coarse grain zone of weld of the specimens

图6 焊接试样母材区域显微组织Fig.6 Microstructures in the base metal of weld of the specimens

2.2 硬度

图7为1号和2号试样焊接接头的显微硬度分布。图7表明，两种试样的焊缝中心硬度最高，1号试样母材区的显微硬度为150～180 HV0.2，波动较大，这与1号试样母材区尺寸较大的块状马氏体有关。2号试样的母材区显微硬度为150～165 HV0.2，波动程度明显低于1号试样，细小的马氏体和铁素体组织是该区域显微硬度波动较小的主要原因。两种试样的粗晶区为硬度的过渡区，1号试样的显微硬度从焊缝中心的最高值190 HV0.2迅速降低至180 HV0.2以下，并且粗晶区硬度波动较大。而2号试样粗晶区至细晶区的硬度过渡较为平缓，这与该区域的铁素体内有岛状马氏体有关。

图7 试样焊接接头的显微硬度分布Fig.7 Microhardness distribution in the welded joint of the specimens

3 结论

(1)闪光对焊的DP540双相钢焊接接头共有5个特征区域，分别为焊缝中心区域、粗晶区、细晶区、过回火区和母材区。1号和2号试样的焊缝中心区、粗晶区和母材区均存在较大的组织差异。

(2)1号和2号试样焊缝中心区的硬度均最高，从焊缝中心到热影响区，1号试样的硬度较明显下降，2号试样的硬度则是缓慢降低。1号试样的母材区硬度较高且波动较大。

(3)2号试样焊缝中心区及粗晶区有含岛状马氏体的铁素体，1号试样则没有明显的含二次相的铁素体，因此2号试样具有更好的抗变形性能，岛状马氏体的存在是2号试样硬度缓慢降低的主要原因。两种试样母材区的硬度差异则与其中的马氏体形态有关。因此，为了达到力学性能要求，应精确控制DP540双相钢的化学成分，以优化DP540双相钢闪光对焊接头的组织形态。