DP500钢脉冲激光焊接工艺与组织及性能关系的研究

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本文采用小功率的SW-500型Nd:YAG固体脉冲激光器,对0.65mm厚的DP500高强度双相钢薄板进行了较为系统的焊接性试验研究。利用VHX-900型数码显微镜、金相显微镜、扫描电镜和透射电镜等分析手段,对不同的脉冲激光焊接工艺参数下的焊接接头表面成形性和显微组织结构进行了观察比较和分析;利用显微硬度计、拉伸试验机、杯突试验机对其进行了硬度分布和拉伸性能以及成型性能的试验测定。对在不同的脉冲激光焊接工艺参数下的焊缝正、反面的成形性和焊缝横截面形态的变化进行观察对比分析,研究了脉冲电压、脉冲宽度和脉冲频率对焊缝正、反面的成形性和焊缝横截面形态的影响。试验结果表明,在不同的脉冲激光焊接工艺参数下焊缝的正面成形性均优于焊缝反面;而热影响区的宽度均随焊接参数的增加而逐渐变宽,其中热影响区宽度受脉冲宽度的影响较大;在脉冲电压增大至255V、脉冲宽度增大至5ms,脉冲频率增大至16Hz时,焊接的熔透模式由“适度熔透”模式转变为“过熔透”,使得焊缝的截面形态由“V”型向“X”型转变,此时焊缝反面焊斑直径有较大增幅,焊斑重叠率在此时也随之有大幅度变化,相比较脉冲频率的变化对焊斑重叠率的影响较大;在不同焊接熔透模式下,当焊斑重叠率达到70%左右时,选择“适度熔透”模式下的焊缝具有良好的成形性。对在不同脉冲激光频率下焊缝凝固特征及晶粒组织与硬度关系进行了重点研究。试验结果表明,在形成焊缝的每个焊斑可分为重叠区和未重叠区,并且随着脉冲激光频率不同,不但形成的焊缝形态和焊斑重叠率不同,而且还存在晶粒组织的差异。同时,硬度出现波动性,最低硬度值出现在焊斑重叠区,最高硬度值出现在焊斑未重叠区。随着脉冲激光频率的提高焊斑重叠率的增大,晶粒组织的差别不但逐渐减小,而且沿焊缝正剖面中心线的硬度波动性也逐渐降低。另对试验材料成分中的主要合金元素沿着形成的焊缝中心线进行线扫描结果显示,主要合金元素Mn、Cr、Si的含量在焊缝中基本保持不变,表明在一定工艺条件下形成的脉冲激光焊缝,虽有晶粒组织上的差异,但其成分中的主要合金元素的分布并没有偏析现象的出现。对不同脉冲激光焊接工艺下焊接接头的显微组织分析,试验结果表明,脉冲激光焊接的熔池具有明显的柱状组织和一定的结晶取向,随着脉冲线能量的增加这种结晶取向有所减弱;焊缝组织主要由板条马氏体和上贝氏体组成,经透射电镜观察形成的马氏体结构是一种位错型板条马氏体。经比较,在较小脉冲能量工艺条件下,焊缝中马氏体组织所占体积分数较大,随着脉冲线能量的提高,不仅焊缝中马氏体组织所占体积分数有所降低,而且焊缝中有沿晶铁素体出现。不同脉冲激光工艺下的焊接接头的力学性能测定结果表明,接头最高硬度出现在熔合区,焊缝处的显微硬度是母材的1.4-1.5倍,并且在较高脉冲线能量参数组合下焊接接头存在热影响软化区,软化区的形成原因主要是由于焊接热循环作用,使得母材组织中的马氏体发生回火造成的。拉伸试验结果显示,与母材相比,焊接接头的延伸率与加工硬化指数均有小幅降低,经横向拉伸中焊接接头均断裂于母材,而经纵向拉伸试验中焊接接头呈“闪电形”断裂特征。对不同脉冲激光焊接工艺下焊接接头的杯突成型性能试验结果表明,焊接接头共出现了三种情况的裂纹位置,在较低脉冲线能量焊接参数组合下,焊接接头杯突试验裂纹在焊缝处产生并垂直于焊缝向母材扩展,此时得到杯突值较高,可达到母材的83%以上;而在较高脉冲线能量焊接参数组合下的焊接接头形成的裂纹产生于焊缝或热影响区并平行于焊缝扩展,此两种情况下得到的杯突值大大下降。
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