QP980激光焊接组织性能及氢脆机理研究
作者单位：北京航天航天大学
会议名称：《第十二届中国金属学会青年学术年会暨首届〝碳中和〞冶金青年科学家沙龙》
会议日期：1000年
学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化]
摘 要：以淬火-配分钢(Quenching and Partitioning, QP)为代表的第三代先进高强钢在保持较好经济性的同时,综合力学性能显著提高。激光焊接因能量密度高、焊接效率高以及焊缝成形好等优势成为汽车制造领域必不可少的焊接方法,QP钢激光焊接关键结构件能够兼顾汽车轻量化和车体安全性能。然而,QP980钢(抗拉强度大于980MPa的QP钢)激光焊接过程中接头各微区微观组织与力学性能差异性大,且接头变形过程中各微区组织演变与断裂机理不明晰;另外车身制造及应用环境导致氢进入车体关键构件,严重恶化接头力学性能,这些限制了QP980及其焊接构件在车体制造领域的广泛应用。笔者及其团队近年来以QP980为研究对象,系统地研究了QP980的激光焊接过程,深入分析了QP980焊接接头各微区微观组织演变与焊接热循环相关性,并结合车体制造及应用情况,开展接头氢脆机理研究。主要研究结果有:(1)激光功率2.5kW、焊接速度2.5m/min、激光未离焦量、激光偏转角度0°、光斑直径0.6mm以及保护气流量15L/min时,焊接过程中接头粗晶区、细晶区、不完全相变区和回火区经历的峰值温度分别1315.7℃、1056.4℃、802.5℃和706.3℃;焊缝区、粗晶区和细晶区为全马氏体组织,不完全相变区为马氏体和铁素体,回火区为回火马氏体、马氏体、铁素体和少量残余奥氏体。热模拟热影响区各微区微观形貌与晶体结构与实际热影响区各微区一致;焊缝区、粗晶区和细晶区在拉伸试验中均呈脆性断裂,其抗拉强度分别为1673.2MPa、1773.7MPa和1890.2MPa;由于细晶区中马氏体晶粒较小,提供细晶强化效果,细晶区的抗拉强度和断裂总延伸率高于同为全马氏体组织的粗晶区和细晶区。较软回火马氏体出现在回火区中,因此回火区的抗拉强度最低(969.3MPa),但断裂总延伸率最高(32.3%)。结合热循环参数、热模拟及拉伸试验,得到接头各微区力学性能及本构数据,阐明了微区焊接热循环-微观组织-力学性能-本构数据对应关系,构建了具有复杂热影响区的接头有限元数值仿真模型。(2)接头试样电化学充氢后,接头各微区的微观形貌无明显变化;接头试样对氢十分敏感,当电化学充氢电流密度为5mA/cm2,充氢时间为5min时,抗拉强度氢脆敏感因子IHE(UTS)为17.3%,断裂总延伸率氢脆敏感因子IHE(TEL)高达84.7%,并且随着电化学充氢时间的增加,接头试样的力学性能持续降低。相同电化学充氢参数下,不完全相变区中可扩散氢含量显著高于接头其他区域,不完全相变区为接头氢脆最敏感区。充氢接头试样慢应变速率拉伸试验中,在氢促进局部塑性变形(HELP)和氢降低原子间结合力(HEDE)共同作用下,氢致微裂纹萌生于马氏体内部和马氏体/铁素体晶界处;氢致裂纹在接头不完全相变区中的扩展模式为穿晶扩展和沿晶扩展的混合模式。