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激光拼焊板焊缝成型与组织分析


本科毕业论文设计(论文) 高强度钢板激光拼焊焊缝性能及组织分析
学 专 院 业 材料与能源学院 金属材料工程 2007 级(2)班 3107007190 李基乐

年级班别 学 号

学生姓名

指导老师 袁鸽成教授 周勇工程师

2011 年 6 月

高 强 度 钢 板 激 光 拼 焊 焊 缝 性 能 及 组 织 分 析

李 基 乐

材 料 与 能 源 学 院

目录
摘要............................................................................................................................................................ 1 Abstract ...................................................................................................................................................... 2 第一章 绪论 .............................................................................................................................................. 3 1.1 SP252-590PQ 钢种的概述 .............................................................................................................. 3 1.2 SP252-590PQ 低合金高强钢板研究现状 ...................................................................................... 4 1.3 激光拼焊研究现状 ............................................................................................................................. 4 1.3.1 激光拼焊工艺的介绍............................................................................................................ 4 1.3.2 激光拼焊汽车板优势及其应用状况[13] .............................................................................. 7 1.3.3 激光拼焊技术趋势与未来展望[23] .................................................................................... 9 1.4 激光拼焊焊缝组织性能的研究方法 ............................................................................................... 10 1.5 论文研究主要内容 ............................................................................................................................11 1.6 论文研究目的及意义 ........................................................................................................................11 1.7 本章小结 ........................................................................................................................................... 12 第二章 材料和实验方法 ...................................................................................................................... 13 2.1 材料的制备 ...................................................................................................................................... 13 2.1.1 SP252-590PQ 钢种成分的确定 .......................................................................................... 13 2.1.2 拼焊板试样的制备........................................................................................................... 13 2.2 H&F MotoMan25607 激光拼焊设备的介绍 .................................................................................. 15 2.2.1 H&F MotoMan25607 激光拼焊机的特点 ......................................................................... 15 2.2.2 H&F MotoMan 拼焊机的控制功能................................................................................... 16 2.3 杯突实验 .......................................................................................................................................... 17 2.4 硬度试验 ........................................................................................................................................... 18 2.5 金相实验 .......................................................................................................................................... 20 2.6 实验数据处理实验方法 .................................................................................................................. 20 2.6.1 实验数据处理..................................................................................................................... 20 2.6.2 实验方案............................................................................................................................. 21 2.7 本章小结 ........................................................................................................................................... 21 第三章 高强钢激光拼焊组织与性能的研究 ........................................................................................ 23 3.1 杯突值--速率/功率曲线分析 .......................................................................................................... 23 3.1.1 杯突试验过程中杯突值--速率/功率曲线分析 ................................................................. 23 3.1.2 杯突试验过程中的力-位移变形曲线分析........................................................................ 24 3.2 激光拼焊板高强钢硬度变化分析 .................................................................................................. 25 3.3 焊缝热影响区金相组织影响分析 ................................................................................................... 27 3.3.1 焊缝区 100× 放大倍数的组织过渡分析............................................................................ 27 3.3.2 焊缝区 400× 组织成分分析 ............................................................................................... 28 3.3.3 几种试验参数条件下的焊缝区 200× 组织成分比较 ........................................................ 30 3.4 本章小结 .......................................................................................................................................... 33

结 论........................................................................................................................................................ 34 参 考 文 献 ............................................................................................................................................ 35 致 谢........................................................................................................................................................ 37

摘要
本文主要利用 H&FMotoMan 25607 激光拼焊机及电子万能试验机, SP252-590PQ 对 高强钢的焊缝深冲性能进行了研究。通过控制变量的方法,分析该钢种在不同速率、功 率时,激光束偏心距 r=0 的条件下杯突值(IE)变化规律,得到达到最佳焊缝力学性能 的基本参数,研究了焊缝维氏硬度(HV)变化规律、焊缝金相组织特性。具体内容如 下: 1. 研究了焊接速率和焊接功率 对焊缝深冲性能 -杯突值的影响规律。通过对 SP252-590PQ 钢在激光束偏心距 r=0 时,焊接功率 3kw,速率在 2.0-3.5m/min 范围内变 化时的深冲力学性能以及焊接速率 3m/min 时,功率在 2.0-3.5kw 范围内变化的深冲力 学性能的研究,得出焊缝杯突值随着速率与功率的增大,焊缝 IE 值先增大后减小,功 率影响较速率影响程度大。 2. 探明了焊接速率与焊接功率对焊缝区硬度的影响规律。通过对 SP252-590PQ 钢 在控制速率与功率时材料焊缝及其热影响区的硬度进行研究,得到焊缝、热影响区及母 材的硬度呈近似对称分布特征,其中焊缝区硬度峰值达 580hv,明显高于母材。 3. 分析了焊缝与母材微观组织的区别,提出了激光优化焊缝性能的原因。利用 SP252-590PQ 钢焊缝金相显微镜下观察了组织变化,获取了金相照片,分析得出焊缝区 出现大量板条状马氏体以及针状铁素体, 构成了对焊接区高强度、 高冲压成形性的保证。

关键词:激光拼焊,杯突,硬度变化, 厚差板,金相试验

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Abstract
In this paper, using H & FMotoMan 25607 fight laser welding and electronic universal testing machine, the SP252-590PQ high strength steel weld deep drawing properties were studied. Method by controlling the variables, analysis of the steel for different rates, power, the laser beam eccentricity condition r = 0 cupping value (IE) variation of mechanical properties of the weld are the best basic parameters of the Weld hardness (HV) variation of the weld microstructure characteristics. Details are as follows: 1. Of the welding speed and welding power on the weld drawability - Cupping values studied. SP252-590PQ steel by the laser beam eccentricity r = 0, the welding power 3kw, rate of change in the 2.0-3.5m/min deep within the red 3m/min mechanical properties and welding speed, the power in the 2.0-3.5 kw range of changes in mechanical properties of deep drawing, welding Cupping values obtained with the rate and power increases, the value of the weld IE first and then decrease, the power of influence over a large rate. 2. Proved the welding speed and welding power on the hardness of the weld zone rules. SP252-590PQ steel through control of speed and power in the seam of material and heat affected zone hardness, and obtained weld, heat affected zone and base metal hardness was approximately symmetric distribution, which reached the peak hardness of the weld zone 580hv, significantly higher than the base metal. 3. Analysis of the weld and base metal microstructure difference, made of laser optimized weld performance reasons. SP252-590PQ steel welds using optical microscope, the organizational changes were observed, for the metallographic picture of a large number of weld metal obtained lath martensite and acicular ferrite and constituted a high-strength weld zone high formability guarantee.

Key words: Laser welding, Cupping, hardness, thickness deviation board, Metallographic

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第一章 绪论
1.1 SP252-590PQ 钢种的概述 SP252-590PQ 钢种是以日产 NES 标准命名的一种高强钢,源自日本钢铁工业 JIS 标准,SP 是 Steel Plate 的简称、第一个 2 表示热轧、5 表示强度等级,以 3 为界限,3 为中等强度钢, 以下为软钢, 此处 5 为高强钢、 第二个 2 表示成形性, 这里成形性良好、 590 表示该钢种的抗拉强度、P 表示酸洗、Q 表示公差等级。以上牌号就简称热轧酸洗 高强钢板,业内也称为低合金高强钢[1]。 这是一种可焊接的低碳工程结构用钢。其含碳量小于 0.25%,比普通碳素结构钢有 较高的屈服点 σs 或屈服强度 σ0.2(30~80kgf/mm2)和屈强比 σs/σb(0.65~0.95),较好的冷 热加工成型性,良好的焊接性,较低的冷脆倾向、缺口和时效敏感性,以及有较好的抗大 气、海水等腐蚀能力。其合金元素含量较低,一般在 2.5%以下,在热轧状态或经简单的 热处理(非调质状态)后使用;因此这类钢能大量生产、广泛使用[2]。 成分特点如 C 在钢中形成珠光体或弥散析出的合金碳化物,使钢得到强化。在低合 金钢中为形成一定量的碳-氮化物,碳的含量只需要 0.01~0.02%;低碳是这类钢的主 要特点之一,可大大改善钢的韧性和焊接性能。 Mn 高的 Mn/C 比对提高钢的屈服强度和冲击韧性有好处。锰能降低 γ→α 转变温 度;有利于针状铁素体的形核;在加热过程中可增大碳-氮化物形成元素在 γ-Fe 中的溶 解度,从而增加了铁素体中碳化物的弥散析出量。此外,由于高锰导致钢的应力/应变 特性的变化,可以抵销鲍欣格效应的强度损失。目前,新型的低合金高强度钢以低碳 (≤0.1%)和低硫(≤0.015%)为主要特征。 其焊接特点如热影响区的淬硬倾向,是普低钢焊接的重要特点之一。随着强度等级 的提高,热影响区的淬硬倾向也随着变大。为了减缓热影响区的淬硬倾向,必须采取合 理的焊接工艺规范。影响热影响区淬硬程度的因素有[3]: 材料及结构形式,如钢材的种类、板厚、接头型式及焊缝尺寸等; 工艺因素,如工艺方法、焊接规范、焊口附近的起焊温度(气温或预热温度) 。 焊接施工应通过选择合适的工艺因素,例如增大焊接电流,减小焊接速度等措施来 避免热影响区的淬硬[4]。

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1.2 SP252-590PQ 低合金高强钢板研究现状 19 世纪末,在低合金高强度钢发展的初期,钢种的合金设计只考虑抗拉强度。钢 中加入较高含量的 Si、Mn、Ni、Cr 等某一合金元素以改善某一方面的使用性能,但获 得高强度的主要手段仍然依赖于较高的含碳量。随着钢结构由铆接向焊接发展,为了提 高钢的抗脆断性能,逐步向降低钢中含碳量和复合合金化的方向变化。20 世纪 50 年代, 为节约合金元素,曾采用热处理的方法以获得强度和韧性的良好匹配。60 年代,开始 了称之为微合金化和控制轧制生产的新阶段,出现了一些新的钢种。至 70 年代,发展 成熟的微珠光体钢和无珠光体钢、针状铁素体钢、超低碳贝氏体钢、热轧双相钢以及低 碳马氏体钢在油气输送管线、深井油管、汽车钢板等领域中得到推广应用;预计在 80 年代,这些钢种在工程结构材料中将占有重要的地位。中国于 1957 年开始研制低合金 高强度钢,结合中国的资源发展了 Mn、Mn-V、Mn-Ti、Mn-Nb 和 Mn-Mo 等一系列的 钢种,屈服强度为 30~70kgf/mm2[5]。 低合金高强度钢按其主要性能和用途,可分为高强度用钢、低温用钢和耐蚀用钢三 类: 高强度用钢 这类钢除高强度外还兼有优良的低温韧性,其主要特点和用途见表。 这类钢的产量在中国占低合金高强度钢产量的 80%以上, 其中屈服强度 35~40kgf/mm2 级的钢种占大多数,应用最为广泛的是 16Mn 钢。 低温用钢 它们属于铁素体型低温用钢。通过提高钢的纯净度和降低钢中磷、硫含 量得到较低的韧性-脆性转变温度。这类钢主要有 09Mn2V(-70℃) 、06MnNb(-90℃)、 3.5%Ni(-100℃)和 06AlNbCuN(-120℃),用于制作低温设备的零部件。 耐蚀用钢 这类钢对大气、海水、硫化氢等环境有一定程度的抗蚀能力,如 10MnPNbRE 钢耐海洋大气和海水腐蚀,用于船舶、板桩、井架;12MoAlV 钢适于制造 炼油厂高温硫化氢设备;10MoWVNb 钢在用于 400℃氢、氮、氨高压管方面效果较好[6]。

1.3 激光拼焊研究现状

1.3.1 激光拼焊工艺的介绍 拼焊技术,即可将经不同表面处理、不同或相同钢种、不同厚度的两块或多块钢板
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通过一种焊接方法,自由组合使之成为一个毛坯件,汽车厂直接使用此毛坯件冲压成零部 件。激光拼焊板(Tailored-Welded Blank--TWB),顾名思义,就是将两张或多张不同厚度 或不同材质的钢板通过激光对接焊成一张钢板, 然后进行整体冲压成形的工艺, 如图[7]:

图 1-1 汽车板常见激光拼焊件

因其具有自由组合,类似裁缝的性质,可将不同的钢板进行拼接,故此项技术一推出, 便将此类钢板称为拼焊板 ( Tailor WeldedBlanks)。拼焊板源于 20 世纪 80 年代,出现在 汽车工业,当时主要是为了解决钢厂轧机轧出的钢板板宽不够的问题,通过拼焊技术从而 满足汽车工业对宽板的需求,故以将相同厚度的钢板进行拼焊为主。随着汽车工业的发 展,拼焊板向差厚板方向发展,即可将不同厚度的钢板实现拼焊,此时才真正实现了汽车 钢板拼焊的目的[8]。 在汽车工业中,焊接是一个关键环节,采用恰当的焊接方式具有可以提高车身抗碰 撞能力,降低车身的重量、造车成本和油耗以及简化总装工序等优势。电阻栓焊是当今 最普遍的焊接方式之一,但是专家预言在未来的 5~10 年中这种方式将被淘汰,而金属 填充保护气焊也将失去其以往的重要性,与之相反,激光焊接成为热门话题。对于已被 使用数年的传统焊接工艺来说,很难再对其工艺过程、焊接速度和质量进行改进;但对 于激光拼焊来说,却有着极大的提升空间[9]。

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表 1-1 激光焊接与传统焊接工艺的比较[1]

激光焊接与传统焊接工艺的比较 性能特点 焊接质量 焊接速率 热输入量 焊接接头 装配要求 熔深 焊接异种材 料的范围 焊件几何尺 寸的范围 可控性 自动化程度 初始成本 操作和维护 成本 加工成本 高 很高 中等 中等 低 很高 很好 极好 高 中等 好 中等 高 高 较好 极好 低 中等 较好 较好 低 低 中等 好 中等 低 中等 好 高 中等 宽 中等 宽 宽 窄 窄 大 宽 大 宽 小 窄 中等 窄 大 宽 小 宽 激光焊 极好 高 低 高 电子束焊 极好 高 低 高 电阻点焊 较好 中等 中等 低 钨极氩弧焊 好 中等 很高 低 摩擦焊 好 中等 中等 中等 电容放电焊接 极好 很高 低 高

近年来,在汽车板焊接领域,激光焊接最重要的优势在于能够将非常高的能量聚焦 于一点,激光束打在两个要焊接部分的边缘,输入能量把金属加热并将其融化。在激光 束作用以后,溶化的材料将迅速冷却。在这个过程中,有一小部分的数量将进入被焊接 的零件中。 在焊接减少热变形的同时, 也减少了输入的热能量。 减少因热量影响的变形, 并增加对准确性的纠正,可以节省大量金钱和时间[10]。 然而,如何提高焊接速度和减少低能量输入是目前面临的挑战。在被供热的区域减 少低能量输入虽有它的好处:珠光体、马氏体和奥氏体接缝结构的复杂钢型不会大范围 改变结构,这一特点同样适用于其它钢,如被限定好碳沉淀的 IF 钢;但另一方面也存 在一些不足,少量的能量会导致快速冷却,热能将被导入冷却部位。 为减少接缝的硬化,小心调整焊接的速度参数、激光功率、冷却比率和焦点位置是
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非常重要的。而为防止金属进一步硬化,还需采用保护气体加以保护,如氩气和氦气等 不会在材料中发生任何热反应的气体[11]。 激光光束的小光点尺寸引起的另一个问题是切边质量, 如果在两个零件中间有要进 行焊接的接缝,激光束要保证通过材料时不会与其相接触并将其融化。要避免这点,对 零件精确性的要求非常高。目前,使用领域较普遍的是连接两个零件的长缝,这能够在 越来越多的车身空白处发现[12]。 1.3.2 激光拼焊汽车板优势及其应用状况[13] 目前,激光拼焊板主要应用于汽车制造业。德国蒂森克虏伯激光拼焊板有限公司从 1985 年开始生产拼焊板,激光拼焊技术的出现使得汽车生产制造从整车制造商向材料 供应商转移。在激光焊接中,材料是对接而不是搭接,这将带来如下焊缝特性[14]: (1)降低焊缝区域的体积,例如,焊缝宽度不超过 0.5~1mm; (2)不增加焊缝高度; (3)对冲压成形性能影响较小; (4)在焊缝上附加镀锌后,可保持其阴极保护功能; (5)焊接过程中,热影响区小。 完成焊接后,焊缝区域的静态、动态强度是非常重要的指标,因此,还需对焊缝区 域抽样,进行破坏性抗拉强度测试(杯突测试) ,以检验焊缝区的拉伸成形性能。一般 来说,焊缝的拉伸强度比母材的强度要高。 激光拼焊板工艺与传统点焊搭接工艺的产品相比有诸多优势: 不仅降低了整车的制 造成本、物流成本、整车重量、装配公差、油耗和废品率,而且减少了外围加强件数量, 简化了装配步骤及工艺,同时使车辆的碰撞能力增强,冲压成型率及抗腐能力提高。此 外,由于避免使用密封胶,也为环保带来利益。 拼焊板已被广泛的应用于车身部位,ULSAB(世界轻质钢制车身协会)的最新研 究结果表明:最新型的钢制车身结构中,50%采用了拼焊板制造,当激光拼焊技术应用 于车身侧围的制造,不再需要任何加强杆、加强筋及附属的生产工艺,则重量和部件数 量都会得到减少,而高延展性材料的应用也会使抗撞击能力得到改进。同时,也不再需 要加强板,在 B 柱上,拼焊板的应用可大大降低累积公差[15]。 激光拼焊板的采用,不仅提高了车门部件制成品质量的稳定性,使车门部件的调校
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不再是个难题,同时可降低部件的重量,而且原有接缝处密封措施的省略,也使其更具 有环保性。此外,拼焊板在车门上的应用还使铰接区域的刚性得到整体加强,车门的配 合公差得到大幅改善。重量降低、生产工艺得到优化,则必然使成本下降[16]。 奥迪 A6 的车身强度和钢度一直备受赞扬, 国产全新奥迪 A6L 在原有基础上进行了 再次改进:采用了激光拼焊技术的车身设计。新奥迪 A6L 经过强化的车身,其抗扭转 强度提高了 34%。 配合全新的车身、 底盘设计加之采用先进激光焊接技术的坚固车身结 构,使国产全新奥迪 A6L 在遭遇碰撞时,预测的车身变形区、侧面防撞保护梁以及合 理的车内空间结构等能够为乘客提供有效保护。 这些看不到摸不着的设计和选材不但能 降低车辆的制造成本和重量,还能在关键时刻最大限度地保护乘客的生命安全[17]。 激光拼焊板在当今轿车上的应用:20 世纪 80 年代后激光加工技术在汽车行业的 应用开始迅速增加,直到 90 年代末,激光拼焊技术才开始在各大汽车厂得到广泛应用。 尽管时间虽短,但是近年来激光拼焊板的技术的应用和其发展的速度确实让人叹为观 止,而一辆成品轻质车,更是可以将其分拆成各个拼焊件的组合,见图[18]:

图 1-2 现代汽车拼焊部件示意图[19]

激光拼焊板在国内轿车上的应用:目前,国内已经有一些轿车车身上已广泛地应用 激光拼焊板。大部分合资汽车厂轿车车型上的激光拼焊板采用其母公司(或合资伙伴)原 始车型的设计.很多采用激光拼焊接件,如东风日产、广州本田等[20]。 目前国内主要具备生产激光拼焊板的企业有长春一汽宝友钢材加工配送中心、 武汉 蒂森克虏伯激光拼焊有限公司、上海宝钢阿赛洛激光拼焊有限公司、广州花都宝井激光

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拼焊板有限公司,他们大都设置在汽车产业周边地区为汽车生产厂家提供激光拼焊板, 国内的专业激光拼焊板生产已初具规模。 国内汽车厂已开始在车身应用激光拼焊件, 如哈飞汽车的“赛马”、 长安汽车“CM8”、 “CV9”(“镭蒙”)、一汽轿车“新红旗 C301”、昌河汽车“爱迪尔”、一汽天津“C1” 等。国内 已形成成熟便捷的激光拼焊板供应网络,相关的各个公司情况如下[21]:
表 1-2 国内部分汽车企业使用拼焊产品部件一览 (截止 2010 年 12 月)[22] 厂家 上海通用 一汽大众 长安福特 上海大众 长安铃木 天津一汽 东风日产 一汽轿车 奇瑞 南汽 昌河 零件名 前后门内板、中立柱 、纵梁 前后门内板、前后地板、前围挡板、前地板 前后门内板、纵梁 、中立柱 前后门内板、纵梁、侧围、地板、中立柱 前后门内板、中立柱 前后门内板 、纵梁 地板、纵梁 、边梁、门板、中立柱 侧围、门内板 、纵梁、中立柱 纵梁、中立柱 后门内板、顶、纵梁、轮罩内板 前后门内板

1.3.3 激光拼焊技术趋势与未来展望[23] 未来激光焊接技术将会采用哪种方式?答案有两个:一种是演变, 改进现有技术。 这意味着针对发展激光焊接将会有一种新的激光源——纤维激光, 这是一种设有灵活的 纤维谐振器的激光,输入能量比率远远高于输出能量,整个设备将比较紧凑。大功率纤 维激光的另一个好处在于模件建造,许多功率大约为 300~500W 的纤维谐振器,如果 发生技术漏洞,更换一个合适的模块非常容易。在这种情况下,由于激光工作的时间比 较长,因此也不需要配备一个训练有素的技术员[23]。 另一种是在一些以电阻螺柱焊接为主的地区介绍的激光焊接方式——“交替龙门焊 接”,当焊接时间超过 50%的工作时间时,激光焊接装置更为节省。在应用方面, 现在
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正在应用电阻螺柱焊接,解决这个问题的办法是一种规定有两个焊接交替配置的激光。 当一个配置的焊接正在运行时,另一个配置处处理头向下一个焊接位置移动,在这以后 激光将转至另一个焊接配置,这项技术已由蒂森克虏伯引进。 然而, 除此之外针对汽车制造商也将会出现完全新式的使世界焊接领域发生革命性 变化的焊接技术,如摩擦焊接。它的优势是只需能够焊接两个零件必要的低能量输入即 可,而热量变形较低。由于温度非常低, 因此,焊缝不会比材料坚硬。但也有不足之处: 高强度压力和快速自转要求必须要很好地固定住金属零件。目前,只有几家公司采用这 项技术来焊接铝。但无论从哪个角度来说,激光拼焊技术将会是未来车身焊接技术的发 展方向!

1.4 激光拼焊焊缝组织性能的研究方法 研究材料激光拼焊焊缝组织性能时通常要借助一些基本的实验方法, 传统的实验方 法主要有:金相组织观察分析法、杯突值强度测试法、焊缝热影响区硬度分析法、焊缝 工程应力分析法、焊缝拉力测试法、超声波无损探伤测试法、射线检测法等[5]。拼焊板 主要提供给汽车深冲压制备汽车零配件使用, 其焊缝以及热影响区在冲压过程中显现的 机械延伸性能就显得尤为重要。 国外自动化程度较高的先进检测方法有利用各种传感器 对激光焊接过程中产生的等离子体进行检测的方法。根据检测信号的不同,激光焊接质 量检测主要包括以下几种方式:光信号检测、等离子体光、声信号的检测是目前采用较 多的检测方法,对电信号的检测则是一种较新的方法[7]。 ⑴.光信号检测,检测对象为激光焊接过程中的等离子体 (包括工件上方和小孔内部) 光辐射和熔池光辐射等。 ⑵.声音信号检测,检测对象主要为焊接过程中等离子体的声振荡和声发射。 ⑶.等离子体电荷信号,检测对象为焊接喷嘴和工件表面等离子体的电荷。 利用光电传感器检测激光焊接过程中等离子体光辐射强度的变化是激光焊接过程 监测与控制的重要方法之一。国内外研究工作表明,利用光电传感器可以自动检测出焊 接过程中因激光功率、焊接速度、焦点位置、喷嘴至工件表面距离、对接间隙等工艺条 件的波动引起的焊缝熔深和成形质量的变化,不仅可以诊断出诸如咬边、烧穿、驼峰等 焊缝成形缺陷,而且在一定工艺条件下还可以检测焊缝内部质量,例如,气孔倾向的严

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重程度[28]。

1.5 论文研究主要内容

⑴. SP252-590PQ 钢在激光束偏心距 r=0; 焊接功率控制 3kw 时, 速率在 2.0-3.5m/min 范围内变化时的深冲力学性能;在激光束偏心距 r=0;焊接速率控制 3m/min 时,功率 在 2.0-3.5kw 范围内变化的深冲力学性能。 ⑵. SP252-590PQ 钢在控制速率与功率时材料焊缝热影响区硬度变化规律,采用维 式显微硬度计测量,选取热影响区附近 9 个点,间隔为 0.5mm,获得 8 组数据,得到焊 缝-热影响区-母材硬度呈抛物线变化的规律。 ⑶. 利用 SP252-590PQ 钢焊缝制作金相试样,在金相显微镜下观察了组织变化,获 取了金相照片,分析焊接区出现的组织形态,研究组织影响对焊接区高强度、高冲压成 形性的原因。

1.6 论文研究目的及意义

在汽车白车身结构件中,越来越多的典型结构件诸如纵梁、门内板、保险扛、加强 板在冲压工序均使用激光拼焊板。据统计,在目前的新车身结构件设计中平均每辆车有 2 件或 3 件使用激光拼焊技术。尤其对于那些价格比较昂贵的轿车,在其车身设计中使 用了更多的拼焊板。通过使用激光拼焊板,整车的抗碰撞性能得到大大提高。由于汽车 设计师和汽车生产厂家已经意识到在汽车结构件中使用激光拼焊板可以大大简化生产 工序、降低生产成本、提高整车的性能,从而在更多、更新的车身结构件中运用激光拼 焊板[9]。 为此,对拼焊板的研究,对于更加深入了解现阶段国内的汽车生产制造有着相当大 的辅助作用。 由于与传统工艺方法相比,激光拼焊技术具有显著的优势,汽车生产厂对激光拼焊 板在冲压过程中所表现的性能便更加关注。 对激光拼焊板性能的研究目前已成为一个热 点。激光拼焊板与母材相比,呈现出不同的性能特点。研究表明激光对接焊缝具有较高
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的强度和硬度值,这是由于在小的焊接熔池中激光焊缝得到了快速冷却。在大多数的激 光焊接接头中,热影响区组织是由细晶、等轴晶过渡组成,这就能够较好的预测激光拼 焊板焊缝在冲压过程中的流动规律[18]。

1.7 本章小结
以上章节简单介绍了 SP252-590PQ 钢种特征、厚差板激光拼焊焊缝的研究、发展现状及应用, 并针对即将要研究的 SP252-590PQ 钢种的力学性能、化学组分、工艺参数及研究发展等方面做出了 相关阐述。同时也介绍了现代汽车拼焊板的应用程度和研究现状和论文研究内容,为论文实验的开 展起到了理论上的铺垫。研究方向的选择,材料的选定和实验方向、内容的选定都有了一个规范的 指导,比较清楚的了解了过去的研究历史和当今的研究现状,以此明确研究的内容和研究开展的方 向,起到了一个开篇点题的作用,为整个整个论文和实验的展开做铺垫;为整体把握实验和开展下 一步的实验材料准备、实验方法的设计提供了相关的理论依据;为本课题的引题、介绍和开题章节
[3]



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第二章
2.1 材料的制备 2.1.1 SP252-590PQ 钢种成分的确定

材料和实验方法

参考激光拼焊板材料使用状况以及普低合金钢国内外报道的钢种成分, 选定日产牌 号 SP252-590PQ 作为研究对象,根据日产材料的实测得到成分如表 2-1、2-2 所示: 表 2-1 列出了 SP252-590PQ 钢板的成分及力学性能。
表 2-1 元素 含量 C 0.25% SP252-590PQ 钢板的成分 (%)[13] M 0.10% P 0.03% S 0.03% Mo 0.30%
[2]

Cr 0.40%

表 2-2 SP252-590PQ 钢板的力学性能

性能 数值

板厚 1.2mm 1.6mm

屈服点 420MPa 410MPa

延伸率 29mm 30mm

弯曲度 180° 180°

内半径 1.8mm 2.4mm

板厚公差 ± 0.13 ± 0.13

抗拉强度 590MPa 590MPa

2.1.2 拼焊板试样的制备 ⑴ 钢板及钢种的选择 企业内具备焊接中立柱 CTR 所需的异厚板材,板厚分别为 1.2mm-1.6mm,通过激 光拼焊的方式按照设定的参数将拼焊板对焊成一块完整的钢板, 以此拼焊板作为主要研 究对象展开系列试验测试,获取所需试验数据。 ⑵ 试样制作 试验在选定研究材料后,本文采用控制变量法分别对其不同功率与速率下分析 单变量对材料使用性能进行研究,使用 H&FMotoMan 激光拼焊机调节焊接参数分别焊 接出 2.0-3.5kw 与 2.0-3.5m/min 的 8 个基本参数下的拼焊样板。获得样板后先使用手动 氩弧焊枪对板材进行切割切取焊缝周边区域材料,使用此材料分别截取杯突样品、使用 万能切割机切取小片焊缝区样品以作金相分析材料。主要试样制作方法如下:

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使用电子式微机伺服万能试样机将杯突样品进行杯突试验,分别获取杯突值数据以 及力-变形曲线;
拼焊 CTR 厚差板 激 光 焊 焊 枪 切 割 焊缝区杯 突试样 试 验 机 焊缝力-变 形曲线 切割机 镶嵌机 抛磨机 金相 试验 试样

精抛 金相试样 金相显 微镜

显微硬 度试样 维氏 硬度 计

杯突值及 变化曲线

100× 组织过渡 分析 200× 倍金相组 织比较 400× 组织成分 分析

显微硬度 变化曲线

激光拼焊在激光束保持对焦, 功率与速率变化的情况 下机械性能(深冲)的变化规律;得到硬度变化原因及其 机械性能变化规律;分析组织差异解释其硬度变化,从而 获得 1.2-1.6mmCTR 厚差板的最优加工工艺参数。

图 2-1 试验方案流程全局示意图

将金相材料进行切成小片后使用金相镶嵌机镶嵌成初步的金相试样, 然后开始制作 金相样品,镶嵌完样品后进行以下工序:金相预磨、精磨、抛光后使用 4%硝酸酒精进
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行腐蚀,腐蚀过程中以焊缝区颜色改变为基准,一般为 4-6 秒。经过以上步骤制得基本 的金相分析样品 8 个, 分别使用金相数码显微镜获得显微组织在第二步中制作的金相样 品获取相片后,使用该样品进行显微硬度测试,在每个 0.5mm 间隔处测试材料硬度, 获得印度变化值。上面用流程图 2-1 的模式将本实验过程表现

2.2 H&F MotoMan25607 激光拼焊设备的介绍 2.2.1 H&F MotoMan25607 激光拼焊机的特点 H&F MotoMan 25607 是日本日立造船株式会社(Hitachi zosen fukui corporation) 生产的自动化激光拼焊设备。焊接全部过程由机器人完成,设备运转由计算机控制。设 备主要工作要点如下: 首先, 使用机器人把预先放置在工作区的板料通过真空吸盘吸起, 使用或不使用打孔等工序,并将板料从左侧门送料进入至激光焊接室;其次,激光焊接 室感应到材料到达后,由计算机启动激光发生器,机器人操作激光焊枪按照设定的参数 对拼焊板进行焊接;最后焊接完成后右侧门打开,等待在右侧的机器人将焊接好的板材 通过真空吸盘提至板材堆放区摆放好。 全程自动或流程高, 焊接效率很高, 焊缝质量高, 热影响区小。图 2-3 显示了设备的运行过程:

图 2-2 激光拼焊设备运行示意图

这套设备可以满足现代汽车板拼焊成形的要求标准,焊接控制精度在≤0.05mm;不 仅可以对高强度钢板进行拼焊,对冷轧钢板、热轧钢板、热镀锌板也能满足;其设备主 要加工参数如表 2-3 所示:

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表 2-3 H&F 25607 激光拼焊机主要加工参数

适用材质 焊接线长度 材料端面 加工精度 毛柸尺寸 (X 方向*Y 方向) 毛柸质量 堆垛高度 堆垛质量 焊接毛柸尺寸 (X 方向*Y 方向) 焊合毛柸质量

冷轧压延钢板、热轧压延钢板、镀锌钢板、高强度钢板 MAX 2000mm

0.075mm 以内 厚板 MAX2000*MAX550 薄板 MAX2000*MAX1330 MAX25KG/毛柸 MAX350mm MAX5000KG/堆垛 MAX2000mm*MAX1880mm MAX25KG/毛柸

2.2.2 H&F MotoMan 拼焊机的控制功能 ⑴拼焊成形。把不同材质不同需求的材料焊接成一整张大的汽车板材提供冲压成 形, 如汽车前门内板、前盖板、前门地板、中立柱、边梁等材料。有两件拼焊也有多 件焊装,采用的厚差板样品如图所示。试样中两件板厚不同的材料一面焊成平面而另外 一面则保留端面差。 本次试验采用的是东风汽车中立柱 (CTR) 拼焊, 板厚分别为 1.6mm、 1.2mm。拼焊板焊接接头 40× 下的形貌如图 2-3 所示:

图 2-3 厚差板焊接接头示意图

⑵在线监测。设备配套安装了全程监控焊缝质量的超声波探伤检测器 TEMATE 激 光焊接在线检测系统,能够在焊接的同时按照设定的参数对焊缝进行检测,当出现超过 标准焊接缺陷时自动报警并生成报告文件, 进一步提高了成套激光拼焊过程中的全自动 化流程,也印证了花都宝钢三井公司体系化管理、标准化作业。TEMATE 结构示意图

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以及焊接界面示意图如下:

a-结构示意图

b-在线检测示意图

图 2-4 激光焊接在线检测设备结构及焊接过程示意图

2.3 杯突实验 杯突试验是一种常用的力学试验方法, 常被用来测试机械深冲压能力及金属流动方 式,进而分析金属制品的成形过程及受力变化。杯突试验因试样准备非常简单、测试反 映效果非常明显而广泛应用于工业生产的各个方面, 特别是汽车板零部件冲压行业更是 必不可少的一个检测环节,是一种非常方便的成型性测试方法。杯突试验,作为一种冲 压工艺性能试验,代表衡量材料的深冲性能的试验方法。试验设备简介: ⑴.用规定的钢球或球形冲头顶压在模内的试样板材 ,直至试样产生第一条裂纹为 止,其压入深度(mm)即杯突深度,通常称之为 IE 值,以此大小来判定金属材料冲压 性能大小,其深度不小于规定时为合格 ⑵.按照国家标准,“试验采用端部为球形的冲头,将夹紧的试样压入压模内,直至 出现穿透裂缝为止,所测量的杯突深度即为试验结果。”这种试验通常可以在杯突试验 机上进行,也可以在兼容杯突试验机的万能试验机上进行。试样因在试验完成后就外观 如冲压成的杯子而得名,钢板深冲性能好坏与之成直接关系,杯突值大则冲压件在冲压 过程中可以得到理想的冲压成平,反之则冲压件在制作过程中就很容易开裂。 ⑶.本实验采用电子式微机伺服万能试验机进行联接计算机测试材料杯突值以及力变形曲线。设备主要参数为:

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表 2-4 GP- GP-TS2000M 微机伺服材料万能试验机主要参数

工艺类别 最大试验力: 试验机等级(精度等级) 试验力测量范围 传感器类型 试验力分辨力 试验力示值相对误差 (示值 准确度) 位移测量分辨力 位移示值相对误差 (示值准 确度) 变形测量分辨力 变形示值相对误差 (示值准 确度)

技术指标 100KN 0.5 级 0.4%-100% 高精度负荷式测力传感器 满量程的+-1/300000 示值的+-0.5%以内 0.001mm 示值的+-0.5%以内 满量程的+-1/250000 示值的+-0.5%以内

1:模具凸模 2:模具凹模板 3:模具压边圈 4:试样 图 2-5 杯突试验压头工作示意图

2.4 硬度试验 为了使软硬不同的各种材料有一个连续一致的硬度指标,制定了维氏硬度试验法。 维氏硬度的实验原理和布氏硬度基本相似, 是根据压痕单位面积所承受的载荷来计算硬 度值的,所不同的是维氏硬度所用的压头是两向对面夹角为 136° 的金刚石四棱锥体, 其实验远离如图所示, 实验时, 在载荷 F 的作用下, 试样表面被压出一个四方锥形压痕,
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测量压痕对角线长度分别为 d1 和 d2,取其平均 d,用以计算压痕表面积 S,F/S 即为试 样的硬度值,用符号 HV 表示。 当载荷单位为 kgf 时,压痕对角线长度单位为 mm 时, HV=2Fsin(136° /2)/d? =1.8544F/d? 当载荷为 N 时, HV=0.102*2Fsin(136° /2)/d? =0.1891F/d? 维氏硬度值得表示式为“数字+HV+数字/数字”的形式。 前面的数字表示硬度值, HV HV 后面的数字表示试验所用载荷和载荷持续时间。 例如 640HV30/20 表明在载荷 30kgf 作用下, 持续 20s 测得的维氏硬度为 640.若载荷持续时间为 10-15s 则可不标出持续时间。 维氏硬度试验的载荷有 49.1(5) 、98.1(10) 、196.2(20) 、184.3(30) 、490.5(50) 、 981(100)N(kgf)共 6 种。根据硬化层的深度、材料的厚度和预期的硬度,尽量选择 较大载荷,以减少测量压痕对角线的误差。当测定薄件或者表面硬化层时,所选用的载 荷应保证试验层厚度大于 1.5d。 维氏显微硬度试验具有很多优点。由于角锥压痕清晰,采用对角线长度测量,精确 可靠,压头为四棱锥体,当载荷改变时,压入角恒定不变,因此可以任意选择载荷,而 不存在布氏硬度系列的载荷 F 与压球直径 D 的关系约束。此外,维氏硬度也不存在洛 氏硬度那种不同标尺的硬度无法统一的问题,而且比洛氏硬度所测试件厚度更薄,维氏 硬度的缺点是其测试方法比较麻烦,工作效率不高,压痕面积小,代表性差,所以不宜 成批生产的常规检测。 根据试验材料特点,采用 2.94n(300g)的试验力,分别间隔 0.5mm 测试一个点,测 试焊缝中心 1 点和两边至母材各 4 点,一共 9 点。 本实验使用 HV-1000 型维氏显微硬度计测量,设备具体参数如下:

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表 2-5 HV-1000 维式显微硬度计基本参数

工艺类型 试验力

工艺参数 0.098n 10、 0.245n 25、 0.49n(50g)、 0.98n (100g)、 1.96n(200、 2.94n(300、 4.9n(500g)、 9.8n(1000g 0.5μm 100x(观察,) 400x(测量) 自动(加荷、 保荷、 卸荷) 405× 290× 480mm (长× 高, l x w x h) 宽× 25kg 65mm ac220v± 5%,50~60h gb/t4340.2 国家标准 尺寸:100× 100 mm 最大移动: 25× 25mm 物镜 40x 10x、微氏压头、测量目镜 10x、标准硬度块(2)、薄形试台、圆柱体试台、 平口试台、水平仪、电源线、辅助工具等

最小测量单位 总放大倍数 加荷方式 仪器尺寸 仪器重量 试件最大高度 电源 执行标准 x-y 试台 x-y testing table 标准配件 附件

2.5 金相实验 本次实验焊接后制得的样品通过万能试样切割机切割成小块样品后, 通过镶嵌机制 得金相镶嵌试样,制作成粗金相样品进行精抛光,得到精金相试样后在佳能 A600 数码 照相机进行拍照取相片。 2.6 实验数据处理实验方法 2.6.1 实验数据处理 试验采集的数据不可避免的出现人为、设备、实验条件所限等各方面因素而产生误 差,因此正确的较少误差方法在试验研究中是必不可少的。本研究试验数据误差只要来 源于硬度测试过程, 由于显微硬度计在使用过程中会出现间隔控制难得问题导致设定的 0.5mm 间隔测试有偏差且在一定程度上无法避免; 其次在压痕长度测量过程中由于视场
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内分辩精确度较低,导致实测误差较大,这些都直接导致硬度测试时的误差偏离其真实 值。 针对这种较难避免的误差产生, 我们研究后通过压痕对角线取平均值的形式以期达 到使测量值趋向于真实值的目的,在间隔恒定上,我们采用从一边焊缝开始打硬度,直 到另外一端母材的方法, 取得数据后按照母材硬度值对称的方法来获得一个中心点 8 个 基本对称点的纤维硬度值,并采用一个 kgf 的标准查表获得硬度值后乘以 3 倍得到在 2.94n 的载荷下的一个显微硬度值。拼焊板材 SP252-590PQ 在万能试样机上进行微机采 集数据时误差较少,本文不做特别处理。

2.6.2 实验方案 本文根据拼焊板实际应用条件为出发点, 主要采用杯突值强度测试法评估其使用性 能即深冲性能;使用电子微机伺服万能试验机测试得到。文章从材料微观组织及热影响 区机械硬度上解释不通参数所得到深冲性能的根本原因,主要有如下实验方法: 1、显微硬度变化分析法 通过分析不同工艺参数材料制得拼焊板的母材与热影响区、

焊缝中心的显微硬度梯度变化, 发现和认识影响焊缝区深冲过程中发生断裂的主要因素 与次要因素,从而支持其杯突值变化规律。 2、金相组织显微分析法 微观组织 100-400 倍分析了焊缝在焊接过程中产生的组织变

化以及最终组织形态,分析不同条件下焊缝发生硬度变化的组织原因,最终解释硬度来 源,指导性支撑材料在深冲行为中的优良表现。 材料组织变化是材料力学性能发生变化的根本原因。 焊接金相分析是以焊接金属学为理 论基础,密切联系焊接工艺条件,以金相分析方法来研究焊接接头的组织变化,研究焊 接缺陷和接头性能与焊接方法之间的关系,是保证和提高焊接接头质量的重要方法。 2.7 本章小结 本章主要从实验材料的制备和机器设备的选用及使用等实验设计所需的角度出发, 简介样品的制备方法、HF 激光拼焊设备的基本原理和使用范围、杯突试验方法、维氏 显微硬度测试方法及实验原始数据的修正方法、试验测试的原理方法。为实验的开展做 了材料和知识上的准备,给实验的进行提供理论依据和现实技术支持。以此以期达到从 整体上控制实验的步骤有序开展, 并在接下来的实验中若发现设计的不足和有待完善的
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地方并做出相应修改,不断完善整个试验过程的逻辑性和研究梯度,给本文研究深度以 及研究范围设定了基本框架,为下一个部分的试验结果分析奠定基础,在全文中起到承 前启后的作用。

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第三章 高强钢激光拼焊组织与性能的研究
3.1 杯突值--速率/功率曲线分析 3.1.1 杯突试验过程中杯突值--速率/功率曲线分析 SP252-590PQ 板材厚度分别为 1.2mm、1.6mm 在不同焊接功率与不同速率的条件 下,进行杯突试验得到的杯突值-功率/速率曲线,由于本文所设定的功率变化区间与速 率变化区间代数意义上相同,故为了同时能更好的比较两种因素对焊接材料的影响力, 研究人员将两个变化曲线重叠在一个坐标系上,纵坐标表示被杯突值作为因变量,横坐 标分别表示速率变化、功率变化作为自变量。如图 3-1 所示。

图 3-1 速率、功率变化对杯突值影响曲线

由图可以清晰的看到,在所给定功率和速率的变化范围内,杯突值受到的明显的影 响,即在功率一定的时候,杯突值随着焊接速率的增大而先增大后减少;在焊接速率一 定的前提下,杯突值随着焊接功率的增大而先增大后减少。几种参数下杯突值最大能达 到 10.2mm 的优良加工性能, 在试验范围内存在两个低于加工要求≥9mm 的不合格产品。 总结以上几点我们不难发现,在其他条件保持不变的情况下,焊接功率与速率对于焊缝 性能的影响都存在一个峰值或者最优值,我们称这个最优值为临界条件。在整体变化规 律上二者影响呈现一致,但是在图中我们不难发现,相同条件下,功率变化对杯突值也 就是对材料深冲性能的影响幅度要显著得多, 也就是说在不同功率改变的条件下焊缝的 质量改变较大,而作为另一个重要参数的焊接速率则在对比中显得稳健,初步分析是由 于功率输出之大小对于热量的供应饱和度造成的,并直接引导焊缝组织形态的形成。 通过激光对接拼焊出来的几种样品在万能试验机上测得了以上 IE 值数据,根据汽
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车拼焊板的实际使用要求,我们主要研究其深冲加工性能,以上变化曲线作为本文研究 中力学性能的一个关键指标, 以下进行的金相分析实验和硬度变化测试实验均为围绕此 深冲性能变化而展开。 下表列出了该实验所采集的杯突值数据:
表 3-1 功率与速率对杯突值影响实验数据 功率与速率对杯突值影响实验数据 干扰类型 焊接速率 焊接功率 变化量 速率(m/min) 杯突值(mm) 功率(kw) 杯突值(mm) 数值 3.00 10.20 3.00 10.20

2.00 8.90 2.00 8.60

2.50 9.70 2.50 9.00

3.50 10.10 3.50 9.30

杯突试验结果的力学分析从试验结果(表及图)看,拼焊板的焊缝向厚板侧偏移,且薄 板所占比例越大,焊缝向厚板侧偏移越明显,焊缝由直线形变成抛物线形.由于焊缝的存 在,且焊缝处的硬度较高,变形性差,在杯突试验的拉深过程中容易先开裂.在拼焊板试样 的杯突试验过程中薄板板厚小,所需的变形应力小,先进入塑性区,产生塑性变形和加工 硬化,强度增加.随着拉深高度和弯曲程度的增加,厚板也进入塑性变形阶段,发生加工硬 化,强度增加,又使薄板受到更大的拉应力,进一步被拉长,在这种拉深与硬化作用下,最终 使薄板的拉应变大于厚板.所以薄板所占的比例越大,拼焊板试样的杯突值越大,胀形性 越好.在拉深过程中,薄板板厚小,与在同样的冲头力作用下薄板变形量比厚板大.胀形区 薄板被拉长,并向厚板偏移,从而导致了焊缝向厚板侧移动.并且薄板在胀形区所占的比 例越大,薄板的变形越大,向厚板偏移越大,焊缝向厚板移动越大,焊缝由直线形变成抛物 线形.

3.1.2 杯突试验过程中的力-位移变形曲线分析 试验使用 GP-TS2000M 多能试样机在 10KN 的压边力、10mm/min 的加载速度下进 行,得到力—位移曲线如图所示:

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(a)v=3m/min

P(2.0-3.5kw)

(b)P=3kw

v(2.0-3.5m/min)

图 3-2 力-位移变化曲线

由上图表可见,在所给参数条件下,拼焊板焊缝区在进行杯突试验的过程中,试验 区屈服点最大受力可以达到 29.1KN,杯突值最大达到 10.2mm 的良好加工性能,总的 来说, 在杯突测试过程中材料能保持良好的加工性能和较均匀的受力变形而没有出现突 然失效等不良现象。

3.2 激光拼焊板高强钢硬度变化分析 本试验根据杯突试验测出的力学现象,对试样的焊缝区、热影响区进行了显微硬度 分析,在 HV-1000 显微硬度仪上进行,每隔 0.5mm 打一个点, 对数据进行简单处理后 得到基本原始数据,然后使用 origin 制图软件生成了该试样的系列硬度变化曲线,文章 将在功率或者速率不变的条件下的两类试样进行了同一张图谱上重叠的技术处理, 如图 所示:

图 3-3 实验条件下的显微硬度变化曲线

由上图焊缝区显微硬度分析可知,焊缝区和热影响区的硬度都高于母材的硬度.焊缝 区硬度在两块板材之间呈对称分布.试样焊缝中心处的最高硬度可达 583.5HV,从焊缝区
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处到热影响区再到母材两侧,硬度两侧呈降低趋势,在距离焊缝中心约 4mm 处降低到 240HV 左右的母材 SP252-590PQ 基板硬度,本实验由于客观原因没有在母材上制取更 多数量的母材硬度,是本曲线图没能显示硬度在母材区保持稳定值的原因。 根据焊接热影响区对组织的影响, 本文认为在激光加工过程中生成了类似马氏体的 高硬度组织,下表提供了钢的焊接热影响区组织:

表 3-2 钢材焊接过程中不同温区组织差异表

名称

加热温度范围 /° C 融化温度 1500° 以上 C >1250° C 1250-1100° C

组织形态

焊缝区 粗晶区 混晶区 (中间 晶粒区)

融化凝固的范围为枝晶组织 晶粒部分粗大,容易淬脆生成裂纹 介于粗晶与细晶之间的晶粒,性能也是中间的程度

细晶区

1100-900° C

加热到 Ac3 以上转变点,再结晶而细化,韧性等力学 性能良好

部分变态区

900-740oC

加热到 Ac1 转变点以上,只是珠光体球化,缓冷时韧 性良好,急冷时,常常生成马氏体,韧性恶化。

脆化区

740-300° C

由于热应力和析出而脆化,从显微镜难以分辨出变化

本次显微硬度测试是以 2.94N 的压头力进行的, 在操作过程中按照既定的采样计划 获得压痕长度(格数) ,表中所列格数已经经过两个对角线取平均值的数据处理。硬度 计算方法是由一个 0.98gf 的压头力计算出硬度数值, 然后三倍的数值作为其实际维式硬 度值。 根据硬度变化曲线反映出的材料性能变化, 本文认为是焊接区在激光热量下组织形
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态发生变化引起的,一方面热影响区的化学成分与母材相同,但是组织与母材相异。其 次焊接过程中热影响区加热到了奥氏体化温度以上,因而焊前的母材组织被破坏,这个 温度和加工冷却速度决定了焊缝所生成的组织性能。 我们在下一步制作了金相试样对焊 缝区微观组织进行分析,用以解释焊缝区组织形态。

3.3 焊缝热影响区金相组织影响分析 根据试样的杯突值所得机械性能变化,以及在硬度分析中得到的变化特点,本文就 试样在几个不同条件下的进行金相分析,采用的分析思路如下: ⑴.选取最佳焊接速度与功率下试样低倍数(100× )分析焊接焊缝的成形过程以及 成形性,第一步从认识焊缝的角度引入焊接金相分析的实验课题。 ⑵.选取最佳焊接速度与功率下从高倍数(400× )分析焊缝组织,辨别焊缝区出现 的组织及其带来的性能, ,并在高倍数下比较焊缝中心区、热影响区以及木材组织变化, 解释焊接过程对硬度变化、深冲性能变化的原因。 ⑶.在中倍数(200× )下比较几种不同参数下焊接形成的组织,分析不同参数下焊 接生成的组织差异,解释其在影响焊缝成形过程中的所起的作用。

3.3.1 焊缝区 100× 放大倍数的组织过渡分析 选取 3kw-3m/min 下实验所得金相样品金相 100× 佳能 A600 型数码摄像机在金相显 微镜下进行拍摄,获取金相照片 由图可以看出,焊缝区金属组织与母材组织在 100× 下 的组织过渡明显,新生成的组织在与母材比较晶粒粗大,在热影响区形成较为细密的组 织过渡区,晶粒判断为等轴晶,而在靠经焊接中心部分则表现为粗晶,分散较热影响区 凌乱,从焊缝中心的组织分布对称结构可以分辨出在焊接中心的两块金属的焊缝线,由 激光焊接中心拖动的组织条纹,初步判断形成了较大硬度的马氏体组织。 以上分析在 100× 下可以得到以下几个结论:焊缝区与母材组织变化明显,热影响 区判定出现细等轴晶组织;焊缝中心生成类似马氏体的条块状组织,该组织对焊缝性能 影响将在 400× 下重点分析;厚差板没有因板材厚度不一而出现重大焊缝组织缺陷;进 一步的组织分析本文将在 400× 中分析

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(a)

(b)

50?m

50?m

图 3-4 焊缝区组织 100× 金相图 (a)焊接过渡区组织全局示意图 (b) 焊接中心全局示意图

3.3.2 焊缝区 400× 组织成分分析 选取 3kw-3m/min 下实验所得金相样品金相 400× 佳能 A600 型数码摄像机在金相显 微镜下进行拍摄,获取金相照片。 如图可知,焊接区域从中心到母材组织形貌发生了两次变化,在焊接中心区生成了 大量针状、板条状马氏体组织,从中心到两侧都有生成;在焊接热影响区形成了较明显 的等轴晶过渡区,晶粒从母材到影响区内等轴晶呈逐渐整体长大趋势,并在远离母材区 域形成于焊缝中间形成马氏体组织;母材区为典型的双相钢组织,即铁素体+奥氏体。 厚差板在成分相同组织变异的情况下,变化明显,金属焊缝中部加热到了靠近熔点 1500° ,从焊接中心到母材两侧,在激光拼焊板焊缝中总是存在一定数量的板条状马氏 体,如图所示。板条状马氏体的特征是在奥氏体晶粒的内部形成细条状马氏体板条,条 与条之间有一定的交角。由于这种马氏体的含碳量低,故也称低碳马氏体。焊缝中马氏 体组织的生成,不但与焊缝化学成分有关,更主要的是与焊接方法和焊接接冷却条件有 关。在激光焊接条件下,焊缝区受到急速加热和冷却,此时奥氏体过冷到 Ms 温度以下 就发生马氏体转变,由于母材本身含碳量少,因此焊缝中一般只会出现板条状马氏体。 板条状马氏体具有一定的强度,另外,低碳的板条马氏体形成温度高(Ms 点较高),在 其形成后过饱和的碳发生部分分解,称自回火,自回火能改善马氏休的韧性。

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(a)

(b)

(c)

图 3-5 焊缝区 400× 金相图 (a) 焊缝区组织金相图 (b) 焊接热影响区组织金相图 (c) 母材组织

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从图中还可以看出焊缝中心生成马氏体区晶内有针状铁素体组织存在, 针状素体的 形成温度约在 500℃左右,它是在母材原始奥氏体晶内以针状分布,是焊缝常见组织。 针状铁素体是焊缝中希望的组织,在性能上随着针状铁素体细小、密集,数量增大而韧 性提高。随着针状铁素体数量减少而性能恶化,尤其是冲击韧度下降严重,因此,针状 铁素体的数量对焊缝性能有重大影响。 由以上分析本节可以总结出以下几个结论: ⑴.母材组织为典型的 DP 双相组织-铁素体+奥氏体组织,成分比例按图估算约为 4:3; ⑵.焊缝热影响区生成大量等轴晶,等轴晶从母材向焊区过渡明显,在远离焊缝的 区域晶粒尺寸较小,在靠近焊缝区域生成较大晶粒,二者呈明显梯度变化,构成了焊接 热影响区的主要微观结构; ⑶.焊缝中心生成硬度较高的较多板条状马氏体组织以及针状铁素体组织;马氏体 呈一定角度定向分布,铁素体包含在其各处,在硬度较高的环境下铁素体保证了材料的 机械性能。

3.3.3 几种试验参数条件下的焊缝区 200× 组织成分比较 如图可看出,功率从 2.0kw-3.5kw 变化的过程中,组织形态差异在微观层面上还是 比较明显的,图中可以看出,在功率增大的过程中,组织成分的微观大小结构比例发生 了的变化,在低功率中所形成的组织比例稍微不均匀,等轴晶数量与宽度少,过渡不明 显,以上原因容易导致焊缝边缘区组织突变,不利于综合成形;在 3.0kw 左右生成的细 等轴晶区过渡良好,比例目测均匀性稍好,在功率提高到 3.5kw 后,由于焊缝热量值过 高,焊缝边缘出现细等轴晶宽度过大的情况,在距离母材较远的中心出按梯度转化出条 状组织马氏体, 该结构也不利于在深冲过程中的金属流动。 以上我们可以得出一个结论: 金属在设备功率提高的过程中,功率低时焊缝热量偏低,容易产生组织形成能力不足, 焊缝未焊透;功率高时易产生热量偏多,熔化能力过大而焊缝与母材之间生成较大热影 响区的组织,导致母材与焊缝性能差异较大。以上不利于焊缝组织的过渡,因而存在一 个临界功率以满足材料在焊接后的使用性能要求。

30

(a)

(b)

50?m

50?m

(c) (

(d)

50?m

50?m

图 3-6 焊缝区功率变化下的 200× 金相组织比较
(a) P=2.0kw (b) P=2.5kw (c)P=3.0kw (d)P=3.5kw

如图可知,在焊接速率从 2m/min-3.5m/min 变化的过程中,组织差异比较明显,不 难看出,在速率变化的过程中,组织成分的微观结构发生了的变化,在速率较小的情况 下所形成的组织范围较宽,等轴晶数量与宽度较大,中心组织与母材区差别较大,过渡 不明显, 容易在马氏体组织区与细等轴晶区导致焊缝边缘区组织突变, 不利于综合成形; 在 3.0m/min 左右生成的马氏体中同时出现大量针状铁素体,分布在马氏体中各部分, 目测均匀性较好,在速率提高到 3.5m/min 后,由于焊速较高,焊缝组织分布较均匀, 但是在形成的组织范围较窄,形成在母材组织的突变,该组织结构如果偏差过大极易导 致焊缝组织脆化或者未焊透。综上得出以下结论:金属在设备功率提高的过程中,功率 低时焊缝热量偏高,容易熔化能力过大而焊缝与母材之间生成较大热影响区的组织;速 率过高时易产生热量不足,产生组织形成能力不足,焊缝未焊透,焊缝组织变化去小, 导致母材与焊缝性能差异较大。以上不利于焊缝组织的过渡和力学性能的传递,因而存 在一个临界速率以满足材料在焊接后的使用性能要求。

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(a)

(b)

50?m

50?m

(c)

(d)

50?m

50?m

图 3-7 焊缝区速率变化下的 200× 金相组织比较 (a) v=2.0m/min (b) v=2.5m/min (c) v=3.0m/min (d) v=3.5m/min

通过比较两种控制变量法下的实验结果,我们可以得出以下两点结论: ⑴、金属在设备功率提高的过程中,功率低时焊缝热量偏低,容易产生组织形成能 力不足,焊缝未焊透;功率高时易产生热量偏多,熔化能力过大而焊缝与母材之间生成 较大热影响区的组织,导致母材与焊缝性能差异较大。以上不利于焊缝组织的过渡,因 而存在一个临界功率以满足材料在焊接后的使用性能要求。 ⑵、金属在设备速率提高的过程中,速率低时焊缝热量偏高,容易熔化能力过大而 焊缝与母材之间生成较大热影响区的组织;速率过高时易产生热量不足,产生组织形成 能力不足,焊缝未焊透,焊缝组织变化去小,导致母材与焊缝性能差异较大。以上不利 于焊缝组织的过渡和力学性能的传递, 因而存在一个临界速率以满足材料在焊接后的使 用性能要求。

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3.4 本章小结 ⑴.在几种控制条件下,激光拼焊板在功率增加与速率增加的过程中杯突值先增大 后减少,存在最优临界值;功率对焊接后拼焊板的深冲性能的影响在本文中比速率的比 重要稍大。 ⑵.在几种控制条件下,激光拼焊板焊缝、热影响区、母材的显微硬度变化规律为 通过焊缝区时,硬度先增大后减少,焊缝板条状马氏体区硬度最高。 ⑶.在几种不同条件下的金相分析得知,在焊缝区生成了硬度很高的板条状马氏体 组织和韧性很好的针状铁素体,在热影响区形成了过度平缓的细等轴晶-等轴晶-粗等轴 晶过渡,促使了焊缝获得良好的械性能。 ⑷. 通过拼焊板杯突试验过程中力-位移曲线表现的性能连续性, 本文认为拼焊板在 试验过程中参数调节没有超出范围,焊缝组织成形良好。

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结 论
本文利用 H&F Moto Man 25607 激光拼焊机,采用控制变量法,以 SP252-590PQ 高强钢为研究对象,通过不同焊接速率及焊接功率对此高强钢进行激光焊接,利用 GP-TS2000 微机伺服万能试验机及 HV-1000 显微硬度仪研究了板厚为 1.2 与 1.6mm 的 高强钢板分别在控制功率为 3kw、焊接速率为 2.0-3.5m/min 范围以及焊接速率为 3m/min、焊接功率在 2.0-3.5kw 范围内的焊缝的力学性能,借助金相显微镜研究了焊缝 与母材的微观组织差异,得出以下结论: 1) 本文将厚度分别为 1.2mm 和 1.6mm 的高强钢薄材在恒定激光束偏心率 r=0 时, 使用控制变量法研究,得到最佳焊接工艺参数是:焊接速率 v=3.0m/min;焊接功率 P=3kw; 2) 焊缝区杯突值随功率或速率的增大先增大至以峰值后减少,功率影响要比速率 的影响显著得多,在最佳实验参数下得到材料焊缝区的杯突值可以达到 10.2mm,满足 加工的≥9mm 要求。 3) 硬度沿焊缝横截面呈现出以焊缝中线为对称轴的近对称分布,焊缝激光束中心 区的硬度比其他区域要大得多,可达到 580HV 左右。在控制变量下,3.0m/min、3.0kw 时从母材-焊缝-母材的硬度变化较平缓。 4) 高强钢板焊缝在金相显微镜下观察到的组织为:焊缝中心:板条马氏体和针状 铁素体,两侧热影响区:珠光体和的铁素体,母材区:铁素体+奥氏体;热影响区组织 由细等轴晶-等轴晶过渡明显。

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参 考 文 献
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techniques for magnesium alloys[J], Aerospace Manufacturing Technology Centre, Institute for Aerospace Research, National Research Council Canada, 5145 Decelles Avenue, Montreal, Que., Canada H3T 2B2 Received 7 July 2004; received in revised form 12 November 2004; accepted 27 June 2005

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致 谢
非常感谢毕业论文过程中,袁鸽成教授和周勇工程师的悉心指导、人文关怀和照 顾。四年的大学求学生涯短暂而美丽,在这个充满激情与梦想的大学,我投入了所有的 感情,同样也收获许许多多珍贵的知识与友谊。本论文是在导师袁鸽成教授和周勇工程 师的悉心指导下完成的。导师渊博的专业知识,严谨的治学态度,实事求是、精益求精 的工作作风,诲人不倦的高尚师德,严以律己、宽以待人的崇高风范,朴实无华、平易 近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我树立了远大的目标、掌握了基本的研究方法, 还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。本论文从选题到完成,每一步都是在袁 老师和周老师的指导下完成的,倾注了导师大量的心血。在此,谨向袁老师表示崇高的 敬意和衷心的感谢! 谢谢您! 本论文的顺利完成,还离不开各位大学期间老师、同学和朋友的关心和帮助,离 不开实验室朱振华、黄泽涛师兄的指导和帮助;师兄扎实的专业基础和缜密的逻辑思维 在我毕业设计过程中对我帮助很大, 没有您们的帮助和支持我是没有办法完成我的学位 论文的,在此一并向你们表示衷心的感谢!谢谢您们! 再次我还要感谢广州花都宝井汽车钢材部件有限公司,给了我这研究课题的支持。 感谢公司邵炽雄工程师、彭敬春工程师、黄海波工程师、 、以及公司总经理赵益民对我 论文期间的支持和关怀,谢谢您们! 再一次感谢所有在我的毕业论文中曾经帮助过我的朋友和同学, 以及在论文中被我 引用或参考的论著的作者。谢谢!

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