DH590钢板激光束焊的焊接特性研究

DH590钢板激光束焊的焊接特性研究

汪小培1，伊日贵1，张永强1，杨建炜1，刘蔚宁2，李 峰3

（1.首钢技术研究院，北京 100043；2.国家电网公司交流建设分公司，北京 100031；3.国家电网公司，北京 100031）

摘要：对厚1.5mm规格DH590钢板进行激光束焊焊接试验，研究该钢板的激光束焊焊接特性以及焊接接头性能。结果表明，1.5 mm规格的DH590+Z钢板单板的最大焊接速度为6.8 m/min，搭接板最大焊接速度为3.2m/min；连续搭接试验的平均最大抗剪力为41.6kN，断续搭接试验的平均最大抗剪力为18.9kN，焊接接头的平均最大抗拉力为12.5 kN；焊接接头焊缝区的显微硬度分布均匀，热影响区不存在明显的软化点；对焊接接头进行X光探伤检测，未发现气孔和裂纹缺陷，焊缝质量良好。

关键词：DH钢；激光束焊接；焊接工艺；焊接性能

0 前言

目前，节能减排已成为汽车工业发展的首要任务，超高强钢在汽车车身上的广泛应用，不但可以获得结构减重进而实现节能减排，而且可提高汽车的安全性和服役寿命[1]。双相钢属于相变强化高强度钢，由铁素体和马氏体组成，具有屈强比低、无屈服延伸、应变强化指数高和抗碰撞性能良好等特点，已广泛应用于汽车车身及结构件制造[2]。

激光焊由于具有加热和冷却速度快以及热作用范围窄的特点，大大降低了超高强度钢焊接的软化区宽度，同时激光焊具有速度快、生产效率高、应用于生产线的焊接柔性好等优点，在超高强度钢的焊接生产上拥有广泛的应用前景[3-4]。

本研究对成形增强双相钢DH590冷轧镀锌板进行激光束焊接，确定了单板和搭接焊接时的最大焊接速度，分析焊接接头的微观组织和显微硬度分布，并研究钢板连续搭接和断续搭接时的剪切拉伸性能和十字拉伸性能，对该钢种的激光束焊焊接性能进行评价。

1 试验材料和设备

1.1 试验材料

试验材料为DH590镀锌钢板，钢板厚度1.5mm。主要化学成分如表1所示，力学性能如表2所示。

表1 DH590的化学成分%

w（C）0.10 w（Si）0.40 w（Mn）1.60 w（P）0.01 w（S）0.002 w（Al）0.60 w（Cr+Mo+Nb+Ti）0.05

表2 DH590的力学性能

屈服强度Rp0.2/MPa 396抗拉强度Rm/MPa 604伸长率A80/% 33.5

1.2 试验设备

焊接试验使用的激光设备是HL4406D型Nd: YAG固体激光器，最大输出功率4 400 W，光束质量25mm·rad。对试样钢板进行连续搭接和断续搭接焊接，在焊接接头处切取10mm×10mm的标准金相试样，用4%的硝酸酒精溶液对其进行腐蚀，使用Leica DMI5000M金相显微镜观察微观组织，并用Leica HXD-1000TM显微硬度测试仪测量显微硬度[5]。剪切拉伸试样尺寸为45mm×120mm，搭接量16mm，十字拉伸试样尺寸为50 mm×150mm，使用型号为Zwick-Z100的拉伸试验机测试焊接试样的剪切拉伸性能和十字拉伸性能。连续搭接焊接时的剪切拉伸试样如图1所示，在搭接面上形成一条连续的焊缝。断续搭接焊接时的拉伸试样如图2所示，在搭接面中心形成一条长25mm的焊缝。十字拉伸试样如图3所示，搭接面中心焊缝长度为25mm。

图1 连续搭接剪切拉伸试样

图2 断续搭接剪切拉伸试样

2 分析和讨论

2.1 最大焊接速度

图3 十字拉伸剪切拉伸试样

分别对厚1.5 mm的DH590+Z钢板在单板试样和搭接试样下的最大焊接速度进行测试，最大焊接速度定义为在焊缝根部面形成能辨认出的连续焊缝的最大焊接速度。激光功率设定为3.6 kW，焊接速度的间隔为0.2 m/min，对单板和搭接板进行不同速度下的焊接测试。单板测试的结果如图4所示，在焊接速度为6.8 m/min时，焊缝根部面形成了能辨认出的连续焊缝；在7 m/min的焊接速度下，出现了不连续的焊缝点，该钢板的单板最大焊接速度为6.8 m/min。

图4 单板焊接速度测试试样结果

搭接板测试结果如图5所示。在3.2 m/min的焊接速度下，焊缝根部面形成了能辨认出的连续焊缝；在3.4 m/min的焊接速度下，出现了不连续的焊缝点，该钢板的搭接板最大焊接速度为3.2 m/min。

图5 搭接焊接速度测试试样结果

2.2 焊接接头组织形貌

观察厚1.5 mm DH590+Z钢板搭接焊焊接接头的组织形貌，接头的宏观形貌如图6所示，此时的激光功率4 kW，焊接速度3.2 m/min。

图6 搭接焊焊接接头宏观形貌

搭接接头的微观组织形貌如图7所示，母材组织是由铁素体和铁素体晶界上的岛状马氏体组织组成，组织沿轧向呈拉长状态。热影响区主要为马氏体组织和少量的铁素体组织，焊缝区为板条状马氏体组织。

图7 搭接接头的微观组织

2.3 剪切拉伸性能和十字拉伸性能

分别对试样进行连续搭接焊接和断续搭接焊接，检验搭接接头的剪切拉伸性能，试样尺寸如图1、图2所示，此时的激光功率为4 kW，焊接速度为3.2 m/min。分别对5个连续搭接剪切试样和5个断续搭接剪切试样进行剪切拉伸试验，结果如图8所示。

连续搭接试验的平均最大抗剪力为41.6 kN，达到最大抗剪力的平均位移为33.4 mm。断续搭接试验的平均最大抗剪力为18.9 kN，达到最大抗剪力的平均位移为2.9 mm。通过对比可知，连续搭接的抗剪力是断续搭接的两倍以上，而达到最大抗剪力的平均位移远远大于断续搭接的，这说明在连续搭接的情况下，焊接接头破坏之前，母材经历了较大的拉伸变形，而在断续搭接时，母材的变形较小。两种搭接情况下焊接接头的破坏形貌如图9所示。在连续搭接的情况下，发生断裂破坏的位置主要是在热影响区，而在断续搭接的情况下，发生破坏的位置是在搭接接头的界面上，是界面破坏。

图8 剪切拉伸试验结果

按照如图3所示进行十字拉伸试样的焊接，检验焊接接头的抗拉性能。激光功率4 kW，焊接速度3.2 mm/s。分别对5个十字拉伸试样进行正拉试验，结果如图10所示。平均最大抗拉力为12.5 kN，达到最大抗拉力的平均位移为54.5 mm。

焊接接头的抗拉力小于抗剪力，但是达到破坏时的位移量大于剪切时。十字拉伸时焊接接头的破坏形貌如图11所示，破坏的位置位于母材，说明此时母材的拉伸变形已经达到极限，发生破坏，这也是焊接接头抗拉时的位移量大于剪切时的原因。

2.4 焊接接头显微硬度分布

图9 搭接接头的破坏形貌

图10 十字拉伸试验结果

图11 十字拉伸时焊接接头的破坏形貌

对连续搭接试样和断续搭接试样进行显微硬度分析，加载力1 000 g，从一侧母材经过焊缝到另一侧母材，打点间隔300 μm，连续搭接试样和断续搭接试样的显微硬度分布如图12所示。在连续搭接和断续搭接的情况下，焊接接头的显微硬度分布差别不大。焊缝区的显微硬度为400～450 HV，母材区显微硬度为200 HV，热影响区没有明显的软化点。

图12 显微硬度分布

2.5 焊缝X光探伤检测

对十字拉伸试样、断续搭接剪切试样和连续搭接剪切试样进行X光探伤，检测焊缝的完整性，结果如图13所示。在3种试样中，焊缝中都不存在气孔和裂纹等缺陷，焊接效果良好，焊缝完整性好。

3 结论

（1）厚1.5mm规格的DH590+Z钢板单板最大焊接速度为6.8m/min，搭接板最大焊接速度为3.2m/min。

（2）连续搭接试验的平均最大抗剪力为41.6kN，达到最大抗剪力的平均位移为33.4 mm；断续搭接试验的平均最大抗剪力为18.9 kN，达到最大抗剪力的平均位移为2.9 mm；焊接接头的平均最大抗拉力为12.5 kN，达到最大抗拉力的平均位移为54.5 mm。

图13 X光探伤检测

（3）焊缝区显微硬度在400～450HV，母材区的显微硬度约为200HV，热影响区不存在明显的软化点。

（4）对焊接接头进行X光探伤检测，未发现气孔和裂纹等缺陷，焊缝质量良好。

参考文献：

[1]王晓南，郑知，曾盼林，等.800MPa级高强钢光纤激光焊接接头微观结构对硬度及疲劳性能的影响[J].中国激光，2016（12）：109-118.

[2]汪小培，张永强，鞠建斌，等.DP590激光拼焊板焊接性能和成形性[J].电焊机，2016，46（8）：22-25.

[3] 陈俐，胡席远，胡伦骥.高强钢的激光焊接性研究[J].应用激光，2003，23（1）：19-21.

[4] 陈树君，王超，郝素锋,等.热冲压高强钢电阻+激光组合点焊工艺[J].焊接学报，2013，34（5）：5-8.

Research on laser beam welding characteristics of DH590 steel

WANG Xiaopei1，YI Rigui1，ZHANG Yongqiang1，YANG Jianwei1，LIU Weining2，LI Feng3
（1.Shougang Research Institute of Technology，Beijing 100043，China；2.State Grid Corporation of China，AC Construction Branch，Beijing 100031，China；3.State Grid Corporation of China，Beijing 100031，China）

Abstract：Through the laser beam welding experiments of 1.5 mm DH590 steel plate，the welding characteristics and welding joint performance are investigated.The results show that the maximum welding speed for single sheet thickness of DH590 is 6.8 m/min and the maximumweldingspeedonalapjointis3.2m/min.Themaximumsheartensileforceforcontinuouslapweldsandstitchedlapweldsare41.6kN and 18.9 kN，respectively.The maximum cross tension force of welding joints is 12.5 kN.The microhardness distribution of fusion zone in weldingjointishomogeneousandtherearenosofteningpointsintheheataffectedzone.X-raydetectionsarecarriedoutontheweldingjoints andtheporosityandcrackdefectsarenotfound，whichindicatesthegoodweldingqualityoftheweldedjoints.

Key words：DH steel；laser beam welding；welding procedures；welding properties

中图分类号：TG456.7

文献标志码：A

文章编号：1001－2303（2017）08－0071-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2017.08.13

收稿日期：2017-04-10

作者简介：汪小培（1987—），男，工程师，硕士，主要从事材料焊接性和焊接工艺的研究工作。E-mail：wangxp [e-mail]。

本文参考文献引用格式：汪小培，伊日贵，张永强，等. DH590钢板激光束焊的焊接特性研究[J].电焊机，2017，47（08）：71-75.