1、I高强钢焊接工艺及接头组织与性能研究摘 要高强钢具有高强度、高韧性的优点，被广泛用在液压支架、汽车车壳上。本文从焊接工艺、焊接接头组织、力学性能等特点对国内外高强钢焊接方面的研究成果进行了综述，得出高强钢焊接接头各个区域的组织与性能不同，在不同焊接规范下相同区域的金相组织基本相似，熔合区因组织不均匀为最薄弱环节，指出防止高强钢热影响区的脆性破坏以及提高钢的韧性是今后高强钢焊接研究的重点。关键词：高强钢，焊接工艺，组织，力学性能IIStudy on Welding Process and Microstructure and Property of High Strength SteelAbst
2、ractHigh strength steel with high strength, high toughness advantages, are widely used in hydraulic support, car shell. From aspects of welding process, joint microstructure and mechanical properties of high strength steel welding, the research results of the high strength steel welding at home and
3、abroad were summarized. It indicates that the microstructure and mechanical properties of high strength steel weld joints are different in different regions, while the metallographic structures of the same region are basically similar under different welding parameters, the fusion zone is the weakes
4、t area due to the inhomogeneous microstructure. It is pointed out that to prevent the heat affected zone ( HAZ ) from brittle failure and to improve the toughness of the HAZ are the focus of future research on high strength steel weldingKey words： High strength steel, Welding process, organization,
5、Mechanical propertiesIII目 录摘 要 .IAbstract .II前 言 .11. 高强钢的发展状况 .21.1 高强钢的生产与发展 .21.2 高强钢的性能与分类 .21.3 高强钢的应用前景 .52. 高强钢焊接研究现状 .62.1 激光焊接 .62.2 气体保护焊 .72.3 电阻点焊 .73. 高强钢焊接工艺 .84. 高强钢焊接接头组织与性能研究 .94.1 焊接接头组织分析 .94.2 焊接接头力学性能分析 .105. 结语 .10参考文献 .11IV1前 言高强钢作为 21 世纪新一代钢铁材料，具有高强度和良好的塑韧性等力学性能，为现代制造业开启了新的发展
6、空间。高强钢已广泛应用于工程机械、海洋结构、 煤机、桥梁、建筑结构、军用机械装备等。焊接接头组织是影响焊缝接接头性能的主要因素，高强钢因化学成分和组织性能与其他钢材不同，其焊接难点及焊后性能也不同于一般钢材。本文对国内外在高强钢焊接方面的研究成果进行了归纳与总结，整体了解高强钢焊接现状及未来研究方向，利于今后高强钢的研究及更广泛的应用。21. 高强钢的发展状况1.1 高强钢的生产与发展低合金高强钢于 20 世纪 30 年代开始出现，当时是指通过添加少量的合金元素，使屈服强度达到 280MPa 以上的钢种 1。随着生产工艺的发展，高强钢的性能逐渐由初期单纯的提高强度，逐渐向强度与成形性相平衡的阶
7、段发展。五十年代时人们逐渐认识到细化晶粒对高强钢屈服强度的有利影响，并发现在钢中加入 Nb、V 等合金元素可以很好的达到细化晶粒的目的。到了六十年代时，生产商通过在钢中加入微量合金元素，控制终轧温度和冷却速度使低合金高强钢的强度得到明显升高。这种通过细化晶粒和沉淀强化的高强钢，在一定的强度水平下，降低了钢的碳含量，增强了可焊性。 虽然钢的强度和韧性逐渐增加，焊接性得到改善，但高强钢仍会出现冲压件难以成形的问题。到了七十年代初，为了解决高强钢成形困难的问题，人们开发了具有良好成形性的双相高强钢，并改善了冷轧-退火生产工艺，使得双相钢很快在汽车生产中得到应用。而随着汽车工业的蓬勃发展，各国钢铁企业
8、先后开发生产了一系列的高性能钢，并改善了工艺性能及深加工技术。例如韩国浦项钢铁公司开发了细晶粒的双相钢，并试制了高 Mn 的 TWIP 高强钢，用于制作汽车后底板的前延伸部分 2。日本的 JFE 公司已开发生产了抗拉强度340MPa 至 980MPa 及以上的各强度级别的高强钢，广泛用于汽车面板、车架、底盘件等 3。瑞典 SSAB 公司开发生产的 Docol 双相钢系列冷轧薄板，力学性能更加均匀稳定，可用于制作各类高强度座椅骨架。国内对高强度钢也进行了大量研究，上海宝钢目前已可稳定生产如高强度 IF 钢、含 P 钢和各向同性钢等各类普通高强钢，以及双相钢、TRIP 钢、复相钢等各类先进高强钢
9、4。1.2 高强钢的性能与分类高强钢是通过析出强化、固溶强化、细晶强化等强化机制获得的有高强韧性，良好成形性和优秀碰撞吸能性的钢种 5。不同的条件下高强钢的分类有所区别。根据屈服强度的不同，通常把屈服强度小于 210MPa 的钢称为低强度钢，屈服强度在 210-550MPa 之间的称为高强度钢，屈服强度大于 550MPa 的称为超高强度钢。根据强化机理的不同，高强钢又可分为传统高强钢（CHSS）和先3进高强（AHSS） 。与先进高强钢相比，传统高强钢屈服强度较低，约在200MPa-600MPa 之间。其伸长率较大，约为 10%-45%。先进高强钢的强度较高，屈服强度一般高于 400MPa，伸长
10、率在 3%-30%之间。传统的高强钢多是通过固溶处理和晶粒细化达到强化效果的。目前常用的传统高强钢为：高强度 IF钢(HSIF)、烘烤硬化（BH）钢、冷轧各向同性(IS) 钢、冷轧高强度含 P 钢和高强度低合金（HSLA）钢。下面简单的介绍这几种传统高强钢的性能及特点。 （1）高强度 IF 钢(HSIF)IF 钢即无间隙原子钢，是在超低碳钢中加入 Ti、Nb 等元素，使钢中的碳、氮原子完全固定成化合物，从而形成无间隙原子的 IF 钢。IF 钢具有如下优点：稳定性良好、工艺适应性强、冲压件质量稳定、回弹小、生产率高且储运方便。而高强度 IF 钢是 IF 钢的一种，通过加入 P 和 Mn 等元素实
11、现固溶强化，既有较高的强度，又有良好的成形性。（2）冷轧各向同性钢(IS)冷轧各向同性钢是通过合理而准确地控制合金元素的含量，配以适当的板材轧制与退火工艺，而得到的各向同性钢 6。它是一种对塑性应变比（r 值）进行限定的钢。所谓各向同性是板材的 r 值趋向于 0，从而在各向同性钢深冲变形时达到各个方向变形趋于一致。由于这种钢的各向同性，使其拥有较好的拉伸成形性，常用于制作汽车的外覆盖件。（3）烘烤硬化钢（BH）烘烤硬化钢是通过固溶处理实现强化，因为钢中有固溶作用的 C 和 N，在冲压时产生位错，在涂漆烘烤处理过程中，固溶 C 与位错发生交互作用，使钢板屈服强度上升，产生了时效硬化现象。这类钢的
12、特点是冲压成形前具有较低的屈服强度和较好的成形性，通过冲压成形，产生应变强化，随后的油漆烘烤，产生烘烤硬化，从而得到冲压成形性好、抗凹陷性高的效果 7。（4）冷轧高强度含 P 钢 含 P 钢是一种固溶强化的高强度钢，含 P 钢的成形性和焊接性良好，多用于汽车车身制造，其中抗拉强度在 400MPa 的含 P 钢用量最多。含 P 钢板的金相组织与 08Al 钢较相似，采用含 P 钢完全可以代替 08Al 类材料冲制部分车身和车底板等零件，节约钢材 10%以上，成形、焊接、涂装等工艺性能满足生产4要求，济效益十分明显 8。(5)高强度低合金钢（HSLA） 高强度低合金钢是一种低含碳量、高屈强比、焊接
13、性能优良的工程结构用钢。其含碳量一般低于 0.25%，合金元素含量低于 5%，通过添加 Nb、V 、Ti等合金元素进行强化，屈服强度一般可达 500MPa 以上。HSLA 钢不仅拥有较好的塑性、韧性，较低的时效敏感性，而且其加工性能好，能耐大气、海水腐蚀，常用于工程机械及船舶结构制造 9。先进高强钢主要是通过相变进行强化的钢种，其强度级别高于传统高强钢,且拥有较低的屈强比和良好的碰撞吸能性。此外，先进高强钢力学性能稳定、疲劳寿命高且冲压成形性良好，应用前景十分广阔。常用的先进高强度钢主要有复相（CP）钢、双相（ DP）钢、相变诱发塑性（TRIP）钢和孪生诱发塑性（TWIP）钢等几种。相变诱发塑
14、性钢（TRIP）：相变诱发塑性钢是一种利用残余奥氏体应变诱发相变、相变诱导塑性机制而研制的具有高强度、高延展性的钢种 10。TRIP钢主要含有碳、锰、硅、铝、铌、钼等元素，其中碳主要富集在残余奥氏体中，以增加残余奥氏体数量，提高钢的稳定性及强度 11。微合金元素铌的加入可有效控制 TRIP 钢的奥氏体化及应变过程中的各种相变，使奥氏体向铁素体和贝氏体中的转变，获得高的残余奥氏体的体积分数及稳定性，以提 TRIP 钢的各项力学性能。复相钢（CP）：复相钢主要是一种由铁素体、马氏体和贝氏体组成，利用微合金元素的细化晶粒和析出强化的作用而形成的高强韧性、高疲劳性能的先进高强钢 12。复相钢中添加铌等
15、合金元素可形成细小的碳化物以沉淀相析出，提高钢的强度。合理的合金元素及合适的淬透性使复相钢在保证好的强度及韧性的条件下具有更好的能量吸收能力。 孪生诱发塑性钢（TWIP）：孪生诱发塑性钢是利用变形时产生孪晶诱发塑性而得到高强韧性、高延展性的汽车结构用钢。TWIP 钢是 Grassal 等人在研究 Fe-Mn-Si-Al 系 TRIP 钢时发现的，并提出孪晶诱发塑性的概念 13。TWIP 钢一般含锰、硅、铝以及微量的镍、钒、钼等元素。TWIP 钢中锰含量约为 15%-30%，其具有很强的促进奥氏体化的作用，可以很好的加强 TWIP 效应，一般5锰含量越高，TWIP 钢塑性越好。铝元素亦可促进钢的
16、奥氏体化，但易氧化不利于钢的浇注，故含量不会太高约在 2%-4%之间。TWIP 钢中硅元素固溶于奥氏体，有利于提高钢的强度，但硅会抑制 TWIP 效应，并影响钢的表面质量。一般 TWIP 钢中硅含量较低，在 2%-4%左右。双相钢（DP）双相钢的组织为铁素体和马氏体双相组织，是一种强度高、韧性好、应变硬化性强且成形性好的先进高强度钢。其一般是由低碳钢或者低合金钢热处理或控冷控轧后得到 1。双相钢主要分为热轧双相钢和冷轧双相钢两种。热轧双相钢是在临界区轧制，通过控制终轧温度和压下量，急冷后进行盘卷得到；冷轧双相钢主要通过退火后的高速快冷获得双相组织 14。双相钢化学成分中主要有 C、 Si、Mn
17、 等合金元素，同时添加 Nb 等合金元素来细化组织结构，提高抗拉强度。合金元素对高强度等级的双相钢强化效果更好。由于近年来生产技术的改进，冷轧和热轧双相钢的性能更加稳定，生产制造也变得更加容易，这些都促使了双相钢的广泛应用。 1.3 高强钢的应用前景高强钢具有高的强韧性，优良的成形性及焊接性，已广泛应用于汽车、建筑、航天、船舶等工业。如高强度 IF 钢具有良好的变形性及低的屈服极限，常代替软钢用作汽车外板，以实现汽车构件减重、减薄。冷轧各向同性钢冲压成形性和抗凹陷性良好，常被用于生产汽车车身外板。高强度低合金钢作为一种高效能材料，成本较低且性能优良，广泛应用于油气输送管线、机械构件和汽车钢板的
18、生产。TRIP 钢强度高，成形性及变形性能良好，成形零件抗冲撞吸收能力强，抗冲击凹陷性好，多用来制作汽车车门冲击梁、防护杆、车轮轮毂、汽车挡板、底盘部件等部件。复相钢主要应用于汽车高强度防撞击部件上，如保险杠、防撞杆和 B 柱等安全零件。马氏体时效钢强度很高，主要用于航空、船舶等工业中的重要结构件。双相钢强度高、碰撞吸收能力强、冲压性良好，目前可已广泛应用于如车身内外板、保险杠、防撞梁等汽车部件。高强钢用于汽车结构制造，在减轻自重、节能减排、提高安全性等方面展现了广阔的前景。高强钢尤其是先进高强钢已成为汽车轻量化用钢的发展趋势。与其他轻量化材料相比，高强钢具有钢材的成形性好、回收利用率高、生产
19、工6艺简单、性价比高等优势。鉴于高强钢在汽车部件应用上的良好效果，促使高强钢重新取代了部分铝合金、镁合金及复合材料成为一些汽车零件的加工材料。随着生产工艺的发展，高强钢将会向强度更高，强度和延性配合度更好，成形加工性能更优良，制造生产成本更低的方向发展。同时为了节约成本、增加安全性，高强钢车身制造中将会应用更多的激光拼焊板成形技术。该技术可更好地使材料的性能与结构相匹配，提高生产效率。除此之外，拥有良好防腐性能的可镀层高强钢板将会应用更加广泛，与之相关的生产和加工新技术也会成为高强钢研究的方向。 2. 高强钢焊接研究现状目前，国内外用于高强钢的焊接方法有很多，包括激光焊接、搅拌摩擦焊、闪光对焊
20、、TIG 焊、MAG 焊、电阻点焊等。下文主要从激光焊接、电阻点焊、气体保护焊三方面简单介绍高强钢焊接的研究现状。2.1 激光焊接激光焊接技术是一种以激光束作为热源通过激光与工件的相互作用，工件吸收激光能量转化为热能而熔化形成永久性连接的高效连接方法。相比于其他常用的焊接方法，激光焊的特点是能量密度高、效率高、热输入量小、适应性强、工件变形小且易于实现自动化，其焊件质量优于传统焊接。随着激光技术的发展成熟，激光焊接在航空航天、船舶工业、机械制造、轻工电子、汽车生产等领域应用日趋广泛。高强钢激光焊接的特点是能量密度高、热输入小、加热冷却速度快，可促使晶粒细化，减小工件变形，但仍然存在焊缝凝固裂纹、HAZ 裂纹和软化等问题。近年来国内外学者对高强度钢激光焊接应用的做了大量的探索研究，对高强钢激光焊接性有了一定的认识。 于群等人对 1.2mm 的双相钢 DP780 进行激光焊对接和搭接试验，通过调整参数研究焊缝组织和性能特点 15。试验发现热影响区存在软化现象，不过软化区较窄，对拉伸性能影响不大。提高焊接速度可增加焊缝马氏体含量，硬度增加，接头成形能力降低。搭接试验时焊接速度增加，接头剪切强度提高，剪切断口为脆性断裂。在研究高强度双相钢 DP980 激光焊接头的拉伸性能及疲劳性能 16的试验中，
