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摘要: 为了减少钢板表面铝硅涂层对激光接头的不利影响，采用薄涂层热成型钢材采用激光填丝焊接技术，实现与铝块的激光填丝焊接。焊缝中的含量小于 1%。头。对接头进行宏观和微观组织分析，发现热成型后焊接接头组织被全马氏体组织取代，避免了软化现象。力学性能分析表明，热成型前后样品的拉伸强度从约570 MPa增加到约1500 MPa。接头的薄弱环节位于基材中。高速拉伸对接头的拉伸强度没有不利影响，而断裂伸长率则受到很大影响。
关键词：热成型钢 激光填丝焊接 马氏体 力学性能
1 前言
当前汽车制造业对车辆轻量化和使用安全性的要求越来越高。以热成型钢为代表的先进高强钢具有超高强度和良好的成形性能，越来越多地应用于汽车车身[1-2]。热成型钢材热成型后可获得全马氏体组织，抗拉强度高达1 500 MPa，是当前汽车用钢的研究热点。为了避免热处理时表面氧化和局部脱碳，钢材表面通常镀有耐高温Al-Si涂层。研究表明，热成型钢焊接过程中，镀层元素会进入熔池，降低焊接接头的力学性能[3-4]。
激光焊接技术具有能量密度高、热影响区小、焊接效率高等优点。与“先焊接后冲压”工艺相结合，已成为近年来热弯型钢焊接的主要方法之一。关于Al-Si涂层对热成型钢激光焊接的影响，目前主要方法是焊前去除涂层，包括机械打磨、激光烧蚀、化学腐蚀等方法来减弱影响，但成本较高且处理效率低[5-6]。激光填丝焊接技术是在激光焊接技术基础上发展起来的一种焊接方法。它是在激光照射的同时填充焊接材料形成焊接接头，有效降低了传统激光焊接的装配难度。 Lin等的研究发现[7]采用激光填丝焊焊接Al-Si镀层钢可以显着降低焊缝中Al元素含量，有效提高焊接接头的力学性能，证实了激光填丝焊的有效性在热成型钢连接过程中。可行性。
更值得关注的是，汽车结构件在实际使用过程中往往承受较大动载荷的影响，高速碰撞时的最大应变率可达1×103s-1。研究表明，不同的拉伸速率对材料本身，尤其是焊接接头的力学性能影响较大[8-10]。考虑到“先焊接后冲孔”的加工顺序和激光填丝焊接技术所引起的动态变形过程往往会导致较大的补强和应力，很容易在焊趾处造成较大的应力集中，因此，研究高速拉拔拉伸试验条件对激光填充焊缝机械性能的影响是非常必要的。
采用高韧性薄型铝硅涂层热成型钢TA 1500 AS Eco，通过激光填充焊接技术获得热成型钢的激光丝焊接头。研究了接头的焊接特性和力学性能以及不同拉伸条件的影响。对关节性能的影响。
2 试验材料和方法
试验中选用品牌TA 1500 AS Eco薄涂层热成型钢作为焊接材料，厚度为1.6 mm，表面涂层厚度为20 μm。选用的焊丝为自制焊丝，化学成分如表1所示。选用的焊接参数为：激光功率为5.6 kW，焊接速度为4.5 m/min，填丝速度为1.5 m/min。分钟。
采用Axio M2m金相显微镜观察焊缝的形貌和组织。为了观察显微组织并分析焊缝的元素，采用场发射扫描电子显微镜和能谱仪进行分析。焊接采用MH-500显微硬度计。接头维氏硬度测试。
为了研究接头的拉伸性能，进行了准静态拉伸试验（拉伸速度10 mm/min）和高速拉伸试验（1.38×105 mm/min）。
准静态拉伸试件规格均符合国际A50试件要求，包括热成型前、热成型后、热成型+烘烤（185℃烘烤20分钟）3组拉伸试验。每组测试准备时间为 15 秒。试件，共45个准静态拉伸试件。
高速拉伸试件规格符合1SO 26203-2：2011—高速率—第2部分：伺服和其他测试，如图1所示，包括室温高速拉伸试验和低温（- 40℃）高速拉伸试验，两组试验各准备15个试样，共计30个高速拉伸试样。
3 结果与讨论
3.1 焊缝组织
3.1.1 宏观组织
薄涂层热成型钢激光填丝焊接接头的低倍组织如图2所示。图2a为热成型前焊接接头的低倍组织。可以观察到焊缝成形良好，无明显缺陷。由于激光填充焊时焊丝熔化进入熔池，熔体增大，凝固后出现焊缝。高低，即焊缝表面焊趾连接线上多余的金属，很容易造成局部应力集中。激光填丝焊一般要求焊缝补强和深度应小于板厚的15%。热成型后，接头强度和平均值分别由158.5μm和182.7μm下降到17.2μm和45μm，均小于板厚的15%，满足技术要求。这种变化是由于热成型拼焊板焊后在高温下模具冷却，模具挤压焊缝造成的。
对比图2a和图2b可以发现，热成型前的接头结构具有明显的结构梯度，表现出不均匀的结构特征。从熔合线附近到焊缝的过冷梯度方向，焊缝区存在长柱状晶。焊缝中心逐渐增大，在焊缝区域中部形成一条垂直分界线。从焊缝中心开始，焊缝区、焊缝附近热影响区、回火区和母材区分别由粗板条马氏体组织、细板条马氏体组织、回火马氏体组织和珠光组织组成。原始结构由铁+铁素体组成，这是由于接头不同位置的焊接热循环不同造成的[11]。在热成形过程中，拼焊板在温度低于920℃时完全转变为奥氏体。模具冷却后，奥氏体发生剪切相变，再次形成马氏体。因此，可以观察到热成型后组织不均匀。该特性消失，整个接头结构被马氏体结构取代。
3.1.2 微观结构
图3为接头热成型后焊缝区、热影响区和母材区的显微组织，以及焊缝区不同区域的扫描电镜观察和元素分析，其中变量σ 是标准差。可以发现接头的所有区域都是完全马氏体，这与上述一致。焊缝区不同位置均为马氏体组织（M），无组织不均或析出相出现。元素分析表明焊缝中铝含量（质量分数）小于1%，平均为0.4%。 ，这是因为焊丝的加入稀释了熔池中铝元素的含量，且材料表面的铝硅镀层较薄，因此进入熔池的镀层量较少。此外，焊丝在焊接过程中搅拌熔池，促进铝元素的均匀性。分布，在综合作用下，获得均匀的全马氏体焊缝，无高温δ铁素体析出。
3.2 机械性能
3.2.1 显微硬度
在热成型后接头的上、中、下位置沿焊缝垂直方向测量接头的显微维氏硬度结果。加载力保持为100 g，加载时间为15 s，如图4所示。从图中可以看出，垂直于焊缝的接头硬度分布一致性高，波动小，范围为450至 500 HV0.1。与母材处于同一水平，靠近母材的热影响区未观察到明显变化。硬度的下降说明没有发生软化，证明焊后热冲压后接头组织已发生完全奥氏体化，在快冷条件下转变为板条马氏体组织，消除了组织梯度。
对比3条硬度曲线可以发现，硬度曲线相互交错，说明焊缝区不同位置的硬度没有明显差异，这与焊缝区的均匀马氏体组织（M）一致。上面观察到的焊接区。
3.2.2 准静态拉伸试验
为了探究薄型铝硅涂层热成型钢激光填丝焊接头的拉伸性能，对热成型前、热成型后、热成型后的15组试件进行了共45组准静态拉伸。热成型+烘烤状态。实验测试，应力应变曲线如图5所示。
图5a显示了热成型前焊件的应力应变曲线。可以看出，材料在拉伸过程中发生了弹性变形和充分的塑性变形。弹性变形速度很快，表明存在很大的弹性模量。观察到存在明显的应变强化现象，这是由于塑性变形过程中变形量的增加以及对位错运动钉扎效应的阻力增加而引起的。样品的屈服强度为385 395 MPa，抗拉强度为560~570 MPa。从曲线后段可以看出，样品断裂前有颈缩现象，断裂伸长率为19%-23%，体现了良好的强度和塑性匹配。
图5b显示了热成型后焊件的应力应变曲线。可以看出，材料在拉伸过程中具有弹性变形和较小的塑性变形。弹性模量降低，出现应变强化和颈缩现象。此时试样的屈服强度为1 000～1 030 MPa，拉伸强度为1 470～1 500 MPa，断裂伸长率为5%-6%，对应热成型后的组织变化。烘烤处理后，试样的应力应变曲线几乎没有变化，表明烘烤处理对薄型铝硅热弯型钢的焊接接头没有不良影响。
热成型前后焊接接头力学性能的变化实际上反映了组织的变化。热成型前，焊缝区为硬度和强度较高的马氏体组织，而母材区为较软的珠光体+铁素体组织。当施加外部载荷时，母材区域往往首先屈服，然后在达到马氏体屈服强度之前断裂。由于马氏体组织很难发生塑性变形，因此拉伸过程中产生的塑性变形几乎全部发生在母材区域。此时，接头的应力应变曲线实际上反映了母体材料。材料特性。热成型后，接头组织完全转变为马氏体组织钢材弹性模量，消除了不同部位组织不均匀造成的性能差异。此时的应力应变曲线反映了焊接接头的全马氏体组织。由于马氏体内部位错密度高，断裂伸长率显着降低。
值得注意的是，无论是热成型前还是热成型后，拉伸试样的断裂位置几乎都集中在母材区域。尤其是接头组织完全被马氏体组织取代后，接头的薄弱区域仍然位于母材区域。材料方面，原因分析如下：
一个。焊缝处较大的变形增强了机械性能。研究表明[12]，较大的变形有利于破碎奥氏体晶粒，促进相变，提高力学性能。在激光填丝焊接过程中，通常会获得具有大钢筋和休息点的焊缝。这些加强件和休息点将在焊后热成型过程中发生较大变形，导致焊接区域的晶粒内形成裂纹。更多的位错、亚晶界和滑移区有利于获得更细密的晶粒结构。
b.焊缝区和母材区初生奥氏体形态不同。热成型钢材在拉伸过程中，缩颈后首先在初生奥氏体晶界处受到破坏，产生微裂纹，进而导致破坏[13]。热成形后，焊缝区初生奥氏体形态由柱状晶转变为等轴晶，晶粒数量增多，起到细晶强化的作用。
3.2.3 高速拉伸试验
图6a和图6b分别显示了室温和低温（-40℃）条件下焊接接头的高速拉伸应力应变曲线。
可以看出，在高速拉伸条件下（应变率为1×102 s-1），拉伸样品断裂很快，断裂伸长率仅为0.05%~0。 15%。 ，这是因为随着外载荷速率的增大，晶体中位错运动所需的加速度也增大，相应的位错运动阻力也更大[14]，考虑到热成型后的接头为全马氏体组织，其亚结构是高密度位错纠缠，因此在高速拉伸条件下，难以塑性变形的马氏体组织的变形能力更差。
另一方面，高速拉伸不仅导致位错运动阻力更大，而且还缩短了位错运动时间。塑性变形通常是通过位错运动来完成的。当位错遇到纠缠、堆积等障碍时，往往需要以位错攀爬的形式继续移动。这种运动需要比滑移更长的运动时间钢材弹性模量，因此在高速拉伸条件下，马氏体晶粒内部的位错运动往往与应变速率不匹配，导致快速断裂。需要指出的是，在高速拉伸条件下，大多数拉伸试件仍经历弹性变形、塑性变形、应变强化和颈缩阶段。除2组试件在焊缝区域断裂外，其余试件均在母材处断裂。
观察图6b中的曲线可以看出，低温下高速拉伸试件的力学性能与室温下高速拉伸试件的力学性能几乎相同。抗拉强度仍为1 500～1 600 MPa。 15组低温高速拉伸试件拉伸试件均在母材处断裂，说明北方寒冷天气对接头强度没有不利影响。
4 结论
对薄型铝硅涂层热成型钢激光填丝焊接接头的焊接特性和力学性能进行了研究，得到如下结论：
一个。薄涂层热成型钢结合激光填丝焊接技术，可获得铝含量（质量分数）小于1%的均匀全马氏体焊缝。热成形前后，接头组织被板条马氏体取代，组织不均匀性消失。
b.热成型后，薄涂层热成型钢激光填丝焊接头沿垂直焊缝方向硬度一致性较强，达到母材水平，未观察到软化现象。
c.热成形前后接头的拉伸性能与结构变化有关，而接头的薄弱区域始终是母材。这可能与焊缝变形程度大、初生奥氏体晶界差异有关。
d.准静态拉伸和高速拉伸条件下接头的力学性能存在差异。与准静态拉伸相比，在高速拉伸条件下，接头强度几乎不变，但断裂伸长率明显降低。这是因为高速拉伸增加了位错运动的阻力并缩短了位错运动。时间。
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