搅拌摩擦热力耦合条件下Q_...980钢焊核区组织演变规律_武晓燕.pdf

搅拌摩擦热力耦合条件下 Q&P980 钢焊核区组织演变规律武晓燕1，蔺宏涛2，王怡嵩1,3，江海涛1(1.北京科技大学高效轧制与智能制造国家工程研究中心,北京,100083；2.湖南华菱涟源钢铁有限公司,娄底,417000；3.北京赛福斯特技术有限公司,北京,101107)摘要：采用搅拌摩擦焊接技术焊接 Q&P980 钢，研究搅拌摩擦高温和塑性变形综合作用对 Q&P980 钢焊核区组织演变的影响规律.结果表明，焊核区的组织演化受峰值温度、剧烈塑性变形和焊后冷却速率多因素协同调控.焊核区的峰值温度主要由搅拌头的旋转速度控制，旋转速度越大，焊接峰值温度越高；焊后冷却速率主要由搅拌头的焊接速度控制，焊接速度越大，焊后冷却速度越大，材料受到高温塑性变形的影响越小.当旋转速度控制在400 r/min 时，随着焊接速度从 50 mm/min 增加到 400 mm/min，焊核区组织演变规律为马氏体/铁素体/残余奥氏体马氏体，晶粒尺寸逐渐粗化.当焊接速度控制在 100 mm/min 时，随着旋转速度从 200 r/min 增加到 600 r/min，焊核区组织演变规律为马氏体/铁素体/残余奥氏体马氏体马氏体/贝氏体，晶粒尺寸逐渐细化.创新点：(1)采用搅拌摩擦焊接技术实现了超高强 Q&P980 钢的有效连接.(2)明确了不同搅拌摩擦焊接工艺条件下 Q&P980 钢焊核区组织的演变规律.(3)揭示了在搅拌摩擦热力耦合条件下 Q&P980 钢组织演变机制.关键词：Q&P980 钢；焊核区；焊接工艺参数；显微组织中图分类号：TG457文献标识码：Adoi：10.12073/j.hjxb.202207130010序言汽车轻量化的快速发展，促进了先进高强度钢在汽车中的应用.高强度钢配以合适的加工工艺与结构，才能实现有意义的轻量化.以焊接代替常规的机械连接工艺，可以消除机械连接引起的连接部位结构被动性，实现结构件的整体化制造，提高整体性能1.Q&P(quenching and partitioning)钢是一种新型的高强度、高塑性的马氏体钢，Q&P 钢因其优异的综合性能(抗拉强度 800 1 500 MPa，断后伸长率15%40%)推动了该合金体系在汽车上的应用2.高 强 度 的 Q&P980 钢 是 Q&P 钢 的 典 型 代 表，Q&P980 钢的微观组织由高密度位错的马氏体(M)、铁素体(F)及亚稳残余奥氏体(RA)组成.Q&P980 钢的组织特点决定其在焊接热循环下极易发生组织转变，给焊接带来困难3.而采用搅拌摩擦焊技术焊接钢铁材料在焊接性能、焊接稳定性以及成本上都具有一定的优势4.搅拌摩擦焊(FSW)作为一种新型的固相连接技术，与常规熔化焊相比，其焊接温度低，可通过控制焊接热输入量改变接头的组织和性能5-7.随着钨铼合金、多晶立方氮化硼等搅拌头工具的开发，搅拌摩擦焊技术在钢铁焊接结构件上的应用也越来越多8.Meshram 等人9对比了搅拌摩擦焊和熔焊马氏体钢的组织和性能，发现 FSW 能有效抑制熔焊合金元素的偏析问题，FSW 接头表现出较高的抗应力腐蚀开裂能力.Miles 等人10对比研究了焊接工艺参数对 DP590 钢和 TRIP590 钢接头组织和性能的影响，FSW 焊接件均从母材处断裂.Sato 等人11发现高碳钢焊接接头焊核区组织由铁素体/渗碳体转变为马氏体，焊核区的硬度也上升到 800 HV.收稿日期：20220713第44卷第6期2 0 2 3 年 6 月焊 接 学 报TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTIONVol.44(6):120 128June 2023Cui 等人12焊接高碳钢发现焊接峰值温度可控制在 Ac1线以下，焊后通过控制冷却速率还可以避免焊核区发生马氏体相变，促使焊核区生成铁素体组织，提高接头的韧性.Khodir 等人13调节焊接参数使 SK4 高碳钢的焊核区峰值温度低于 Ac1点，获得与母材相同的组织.Nelson 等人14研究发现，HSLA-65 钢 FSW 接头组织演变主要由冷却速率控制，当冷却速率小于 20/s 时，可以限制细小的板条状铁素体的产生，改善接头韧性.由此可见，控制搅拌摩擦焊接温度和冷却速率可以制备性能优异的焊接接头，其调控接头组织和性能的能力明显优于传统熔化焊技术.优化焊核区组织和性能是制备高强度焊接接头的重要一环.目前关于高强度薄规格 Q&P980 钢板的搅拌摩擦焊的研究较少，缺乏 Q&P980 钢焊接接头工艺参数和微观组织间相互关系及组织演化规律的系统研究，而且搅拌摩擦焊作为一种复杂的热力耦合焊接过程15，在变形和温度耦合作用下组织演变的规律并不清晰.因此，为解决 Q&P980 钢所面临的焊接问题，文中采用搅拌摩擦焊接技术开展 Q&P980 钢焊接试验，研究在搅拌摩擦热力耦合复杂作用下焊接接头组织演变规律.1试验方法试验所用材料为宝山钢铁股份有限公司生产的汽车用先进高强度钢 Q&P980，其力学性能为抗拉强度 1 084 MPa，屈服强度 710 MPa，断后伸长率22%，主要化学成分见表 1.搅拌摩擦焊接试样尺寸规格为 150 mm 100 mm 1.2 mm，焊接试验在FSW-LM2-1020 型搅拌摩擦焊接设备上进行，焊接过程示意图见图 1.焊接搅拌头采用钨铼合金(WRe25)制造，轴肩形状为内凹型，搅拌针为圆锥形，具体如图 1b 所示.表 1 Q&P980 钢的主要化学成分(质量分数，%)Table 1 The composition of Q&P980 steel CSiMnPSCrNiFe0.231.432.050.0160.004 50.0450.017余量 焊接试验完成后，首先采用 Olympus OLS4100激光共聚焦显微镜分析接头焊缝的弧纹特征.为了深入分析焊接接头微观组织特征，焊缝位置取样示意图见图 2.利用 Olympus OLS4100 激光共聚焦显微镜分析金相组织，金相试样经镶嵌、机械研磨、抛光后采用 4%硝酸酒精溶液腐蚀.机械抛光试样经4%硝酸酒精溶液深腐蚀后，利用 Quanta 450FEG场发射扫描电子显微镜(SEM)观察微观组织.EBSD 测试用试样需进行电解抛光，抛光液为体积分数 10%的高氯酸+酒精溶液，电压为 15 V，时间约 20 30 s，最后在丙酮中超声振动清洗5 min.采用 Quanta 450FEG SEM 上配备的 EBSD组件开展电子背散射衍射测试.采用 Bruker D8X 射线衍射仪检测物相，XRD 检测靶材为 Cu 靶，电压 40 kV，电流 40 mA，步长为 0.02，扫描速度1/min，扫描范围 47 94，并通过 Jade6.0 软件分析物相变化.12 mm4 mm5 mm1 mm150 mmRSAS100 mmNDTDRD焊接方向旋转方向QP980QP980焊接工具1.2 mm(a)焊接过程示意图(b)搅拌头示意图 图 1 焊接过程示意图和搅拌头示意图Fig.1 The schematic presentation of welding processand stir tool.(a)welding process;(b)stir tool第6期武晓燕，等：搅拌摩擦热力耦合条件下 Q&P980 钢焊核区组织演变规律1212试验结果分析 2.1 Q&P980 钢搅拌摩擦焊接接头宏观形貌分析图 3 为采用搅拌摩擦焊接设备焊接 Q&P980钢的宏观形貌.在研究条件所选择的焊接工艺参数范围内(旋转速度 200 600 r/min，焊接速度 50 400 mm/min，下压量 0.2 mm)，焊接板材可以完全焊透，且 Q&P980 钢搅拌摩擦焊接接头表面形貌质量良好.由接头纵截面的金相组织可知，Q&P980钢搅拌摩擦焊接接头横截面宏观形貌呈现典型的“碗状”.弧纹是搅拌摩擦焊接接头重要的特征形貌，由图 4 中弧纹宽度和凹凸度测量结果可以看出，弧纹呈等腰三角形状，弧纹间距基本一致，也说明研究中选择的焊接工艺稳定，焊接接头的焊合状态较好.上表面下表面纵截面放大图2 mmRSBMSZHAZHAZ 图 3 Q&P980 钢搅拌摩擦焊接接头宏观形貌Fig.3 The macro morphology of FSWed Q&P980 steel joints 044989918.4159.208d1/md2/m1 3481 798 XYZ18.4150d2/m 图 4 焊接接头弧纹特征Fig.4 Arc pattern characteristics of welded joints 2.2 旋转速度对焊核区微观组织的影响当搅拌摩擦焊焊接速度为 100 mm/min 时，不同旋转速度下 Q&P980 钢接头焊核区微观组织特征如图 5 和图 6 所示.其中图 5 为 FSW 接头焊核区相组成扫描形貌图.当旋转速度为 200 r/min 时，焊核区组织以马氏体与铁素体组织为主(图 5b)，但是与母材(图 5a)相比，铁素体含量减少.当旋转速度为 300 r/min 时，焊核区铁素体含量进一步减少(图 5c).当旋转速度提高到 400 r/min 时，焊核区的微观组织全部为马氏体(图 5d).当旋转速度为 金相试样,编号 J1-3、J2-3151520050202020150101010金相试样,编号 J1-2、J2-2金相试样,编号 J1-1、J2-1编号 L1-3、L2-3尾孔拉伸试样拉伸试样拉伸试样丢弃区域丢弃区域焊缝焊缝中心线编号 L1-2、L2-2编号 L1-1、L2-1 图 2 取样示意图(mm)Fig.2 The schematic presentation of samples122焊 接 学 报第44卷600 r/min 时，焊核区为马氏体和少量贝氏体的混合组织(图 5d).图 6 和图 7 为不同旋转速度下 Q&P980 钢FSW 接头焊核区微观组织的 IPF 图及 KAM 图.由 IPF 图可知，与母材相比焊核区的晶粒明显细化.旋转速度为 200 r/min 时，焊核区晶粒最细小(约为 4 m)，旋转速度的增加导致焊核区的晶粒尺寸增大至约 20 m.由 Q&P980 钢 FSW 接头焊核区的 KAM 图可以看出，旋转速度为 200 r/min 时，焊核区 KAM 值最小，表明该条件下位错密度较低.随着旋转速度的提高，高 KAM 值的比例逐渐增加，且高 KAM 值不仅在晶界处存在，在马氏体晶内也呈均匀分布.由此可见，旋转速度会影响接头组织演变，这与 Barnes 等人16在高旋转速度下的研究结果相似.Q&P980 钢的基体组织为马氏体、铁素体和残余奥氏体.由于母材中残余奥氏体含量较少(体积分数约为 8.4%)，SEM 和 EBSD 很难对其进行精准测量.图 8 为不同旋转速度下焊核区的 X 射线衍射图谱.相比于母材，焊核区一直存在少量残余奥氏体.随着旋转速度的增大，代表 FCC 相的(220)和(311)面衍射峰逐渐消失，说明焊核区残余奥氏体的含量随着旋转速度的提高呈减少趋势的.5 m(a)母材(b)200 r/min(d)400 r/min(e)600 r/min(c)300 r/minMMMMBMMFFFRA5 m5 m5 m5 m 图 5 不同旋转速度下 Q&P980 钢 FSW 接头焊核区中心的微观组织Fig.5 The microstructures of Q&P980 steel and weld nugget under different rotation speed.(a)BM;(b)200 r/min;(c)300 r/min;(d)400 r/min;(e)600 r/min 1110011015 m(a)母材5 m(b)200 r/min5 m(d)400 r/min5 m(e)600 r/min5 m(c)300 r/min 图 6 不同旋转速度下 Q&P980 钢 FSW 接头焊核区微观组织的 IPF 图Fig.6 The IPF