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SAHP400热轧钢SAHP400热轧钢

放大字体  缩小字体 发布日期:2016-11-11   来源:1-江铃汽车股份有限公司 制造部;2-南昌航空大学航空制造工   作者:赵 霞1 毛锦荣2 钟瑞炜2 黄永德2 陈玉华2
采用光学显微镜、显微硬度计、扫描电镜及能谱测试,研究3.0mm厚SAHP400热轧钢CO2焊接头组织及断口特征。结果表明:SHAP400热轧钢焊接接头主要由粒状铁素体、侧板条状铁素体、长条状铁素体、珠光体以及少量的针状铁素体组成。焊缝顶部的长条状铁素体晶粒由上向下生长;焊缝中心晶粒明显长大,形成等轴晶;焊缝底部区域为侧板条铁素体。断口有韧窝出现,呈韧性断裂特征,接头焊缝硬度要高于热影响区及母材,接头焊缝最大硬度值为262HV。当采用CO2保护气体焊时,会增加焊缝中C元素和O元素的含量。
       SAHP400热轧钢具有较高的强度、良好焊接性及综合性能等,常用于制造汽车大梁、车轮等汽车结构件[1]。车架是汽车承载的受力支架,相当于骨骼对于人体一样,完整并有序连接的骨骼才能满足人们的正常运动需求,同理车架的完整和满足一定的刚度、强度等力学性能要求才能使汽车正常服役。车架的好坏影响着汽车的使用性能、安全性能以及汽车能否稳定的运行[2-3]。近些年SUV车以其优越的承载性能和综合实用性能,越来越受到广大民众的欢迎,所以现代的消费需求对汽车的综合使用性能提出了更高的要求。常见的SUV车及轻卡的车架由两侧的两根槽型纵梁及七根横梁焊接而成,车架的焊接有几百处焊接接头,焊接在车架的连接过程中起着相当重要的作用[4]。

        SAHP400热轧钢作为汽车车架材料对于焊接技术有着非常关键的作用。而CO2焊因具有良好的焊接性、可控性及合理的经济效益性等特点,满足现代生产的要求。另外,与传统的手工电弧焊等焊接方法相比,具有焊接速度快、经济性好、节省成本等优点,是焊接车架构件的理想方法[5-6]。

        SAHP400热轧钢采用CO2焊工艺方面前期已做了相关研究,但较理想接头强度下的焊缝组织及性能尚不明确。为此,本文通过研究SAHP400热轧钢CO2焊接头显微组织结构及性能,为SAHP400 热轧钢实际车架构件焊接生产提供理论指导。
 
1    试验材料与方法
        试验材料选用汽车结构用的SAHP400热轧钢,尺寸为150mm×100mm×3mm。其化学成分如表1所示。
       焊丝型号ER50-6,直径Φ1.2mm,焊丝化学成分如表2所示。
        焊接设备为日本松下公司生产的CO2气体保护焊机器人,机器人型号为YA-1 UAR81 CO2。最大搬运质量18kg,最大工作距离1796mm。焊接电源型号为YD-350FR。

        焊前采用酒精清洗材料表面,并用丙酮清洗去除材料杂质,以保证焊接面光滑整洁。焊接时保护气体CO2流量保持18L/min不变,电流极性为直流反接,焊接电压为380V。焊后观察焊缝表面成形,并制备金相试样。制备金相后采用4%的硝酸酒精溶液腐蚀焊缝。采用MR5000 的金相显微镜观察焊缝显微组织结构。采用设备为WDW-100型万能拉伸试验机进行拉伸,测试接头抗拉强度。通过WT-401MVD型显微硬度计测量焊缝截面显微硬度。采用扫描电镜观察焊缝断口形貌。采用能谱测试分析焊缝化学成分。

       根据前期试验,焊接速度变化范围为50~ 65cm/min;焊接电流在170~180A范围内变化时,发现当焊接电流为175A,焊接速度为50cm/min 时,接头抗拉强度最高,可以达到471MPa。
 
2    试验结果与分析
2.1    接头的微观组织特征
        图1所示是焊接电流为175A,焊接速度为50cm/min时焊缝不同区域组织。图1(a)、(b) 和(c)分别为焊缝母材显微组织、细晶区组织以及熔合区组织。从图1(a)、(b)和(c)可以看出,SAHP400热轧钢母材为白色铁素体和少量黑色珠光体,而接头热影响区的细晶区晶粒明显细化,由原来的粒状铁素体变为针状铁素体。熔合区晶粒明显粗大。由于熔合区靠近焊缝,温度较高,部分晶粒明显长大,形成长条状铁素体。图1(d)、(e)和(f)分别为SHAP400热轧钢焊缝顶部区域显微组织、焊缝中心区组织以及焊缝底部组织。由图1(d)可看出,焊缝顶部区域铁素体明显长大,呈等轴树枝晶向下生长。由于焊缝顶部区域加热速度最快,在一定的高温停留时间下,晶粒逐渐长大,且向下生长。由图1(e)焊缝中心区域组织可看出,焊缝中心晶粒明显长大,且呈等轴晶状,同时焊缝中心也有少量黑色珠光体。而焊缝底部区域由于散热速度较快,侧板条铁素体含量明显增多。这是由于焊接热循环的冷却条件对奥氏体晶界析出晶界铁素体的量有较大影响,在其他条件一定时,焊缝底部温度相对于焊缝中心区域要低,且散热快。使得高温停留时间减少,同时使冷却速度加快,晶粒来不及长大,从而形成更多的侧板条铁素体。
        由此可见,SHAP400热轧钢接头主要由粒状铁素体、侧板条状铁素体、长条状铁素体、珠光体以及少量的针状铁素体组成。焊缝顶部晶粒由上向下生长,焊缝中心晶粒明显长大,形成等轴晶;焊缝底部区域为侧板条铁素体。


 
2.2    焊接接头显微硬度分析
        图2为焊接电流175A,焊接速度50cm/min时,母材、焊缝及热影响区的接头显微硬度值。从图2中可看出,SAHP400热轧钢母材平均显微硬度值大约为170HV;热影响区平均显微硬度值约为220HV;焊缝平均显微硬度值约为262HV。由此可见,焊缝显微硬度值高于母材和热影响区。


 
        由接头显微组织可知,焊缝显微组织主要为侧板条铁素体、针状铁素体、长条状铁素体以及珠光体,且焊缝顶部铁素体呈树枝晶生长。焊缝组织较母材明显细化。另外,不同形态的铁素体在焊缝中生长方向不一,晶界更加致密。而晶粒细化和致密的晶界导致焊缝硬度值提高。热影响区虽然有细晶区,但细晶区为热影响区的一小部分,且部分晶粒在热的作用下发生溶解,晶界致密度要低于焊缝区,所以热影响区硬度低于焊缝区组织。由于母材中晶粒分布均匀,且位错减少,硬度要低于热影响区。

2.3    接头拉伸断口分析
        图3所示工艺参数为焊接电流175A,焊接速度50cm/min时的SAHP400热轧钢接头拉伸断口。图4为图3的M区放大及分区。由图3及图4(a)可看出接头断口不平整,呈45°角断裂。图4(b)为图4(a)的A区放大。从图中可看出,断口区为蜂窝状,且有明显的撕裂痕迹。图4(c)和图4(d)分别为图4(b)中B区和C区放大,从图中可看出,断口端面呈现韧窝状,韧窝较大,均匀分布整个区域,呈韧性断裂,说明断口处韧性较好。由图4(c)可看出,韧窝里面能够清晰的看到颗粒状物质,对其进行能谱测试,测试结果如图5所示。结果发现该颗粒状含有C、O和Fe三种元素,其中C原子含量为19.08%,O原子量为24.25%,Fe含量为56.67%。原始SAHP400 热轧钢母材和ER50-6焊丝中没有O元素存在,且C含量<0.14%,而断口处C元素和O元素明显增加。分析认为,在焊接过程中CO2会与ER50-6焊丝中Si等元素会发生如下冶金反应:
         Si+CO2=SiO2+C
        形成的SiO2和C,使得焊缝中O和C增多。在拉伸过程中硬质相SiO2分布在焊缝的内部,当接头受到拉力作用,这些相的存在会阻碍位移的进行,拉力进一步加大,粒子相周围会出现一些微小的裂纹。随着裂纹的延展和聚集,在拉力的作用下弥散粒子四周与周围分开产生韧窝。 
 



 
3    结束语
3.1    SHAP400热轧钢焊接接头主要由粒状铁素体、侧板条状铁素体、长条状铁素体、珠光体以及少量的针状铁素体组成。焊缝顶部长条状铁素体晶粒由上向下生长;焊缝中心晶粒明显长大,形成等轴晶;焊缝底部区域为侧板条铁素体。
3.2    接头焊缝硬度值要高于热影响区和母材,且接头焊缝最大硬度值为262HV。
3.3    SAHP400热轧钢焊接断口有韧窝出现,呈韧性断裂特征。SAHP400热轧钢焊接采用CO2保护气体焊时,焊缝中会增加C元素和O元素含量。
 
 
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