车用双相钢激光焊接接头力学行为的应变率效应研究

摘要

当今汽车制造领域对于“车身轻量化”与“服役安全性”的要求不断提高，使得DP钢等为代表的先进高强度钢在车身构件上得到了广泛应用。激光焊接技术能够提高车身尺寸匹配精度和接头强度，实现异种及不等厚钢板的“先焊接后冲压成形”生产方式，在提高车身结构刚度和结构设计灵活性等方面均显示出巨大的优势，因此，正在逐步取代传统焊接，成为汽车制造中的重要焊接方式。焊接接头作为车身结构的重要组成部分，在汽车制造及碰撞过程中均要承受高应变速率的动态载荷作用（应变速率最高可达500～1000s-1），因此，研究动态力学性能具有非常重要的现实意义。DP钢及其激光焊接接头的变形和断裂行为的应变率效应也必将决定焊接构件的服役可靠性，对于现代汽车车身中大量使用的DP钢结构部件服役安全性的保障尤为重要。
　　本文针对汽车制造领域广泛应用的DP780钢板，利用Nd∶YAG脉冲激光进行焊接，研究了激光焊接工艺参数对焊接接头质量的影响，以及应变速率对DP780钢母材及激光焊接接头拉伸变形行为和断裂机制的影响规律，以进一步揭示动态载荷下其力学性能改变的本质。
　　激光焊接工艺研究结果表明，焊接速度、脉宽和电流等激光工艺参数对焊接接头表面形貌、几何尺寸、截面显微组织、硬度分布和力学性能影响很大。优化的焊接工艺参数范围是:焊接速度300～500mm/min，脉宽8.6～9.4ms，电流86～94A。在此优化参数下可获得表面成形性好，无明显裂纹和气孔等缺陷的焊接质量良好的DP780钢焊接接头试样。
　　高速拉伸试验结果表明，DP780钢母材和激光焊接接头的拉伸变形行为和拉伸性能均具有应变速率敏感性。DP780钢母材和焊接接头的拉伸性能随应变速率的变化规律基本一致，较母材相比，焊接接头拉伸性能的应变速率敏感性更为显著。随应变速率的增大，屈服强度和抗拉强度提高，而塑性先下降后上升，当应变速率达到500s-1时塑性达到最大值，而后，随应变速率继续增大而再次下降。激光焊接会导致DP780钢塑性整体下降。随应变速率的增大，DP780钢激光焊接接头断裂位置距熔合中心线的距离显著降低，断裂位置由母材区转移至热影响区的软化区。对应变率效应的产生原因进行分析，结果表明，动态载荷下，DP780钢激光焊接接头不同区域内，组织的塑性变形行为应变速率依存性的差异，是焊接接头断裂位置表现出明显应变率效应的本质原因。DP780钢激光焊接接头拉伸变形过程中，宏观力学行为的应变速率敏感性主要取决于DP780钢母材在不同应变速率下变形行为及断裂机制的改变。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 汽车轻量化

1．1．1 汽车轻量化发展

1．1．2 汽车轻量化材料

1．1．3 汽车用先进高强度钢概述

1．2 双相钢(DP钢)

1．2．1 DP钢制备及显微结构

1．2．2 DP钢的力学性能特点

1．2．3 DP钢在汽车中的应用

1．3 汽车车身连接

1．3．1 汽车连接方式

1．3．2 激光焊接技术

1．4 高应变速率下DP钢动态力学行为研究现状

1．4．1 材料加载状态的划分及动态载荷的特点

1．4．2 DP钢生产与服役过程加载特点

1．4．3 金属材料在单向拉伸载荷下的拉伸变形行为及性能指标

1．4．4 动态载荷下DP钢及激光焊接接头力学行为的研究现状

1．5 本文研究的目的及主要内容

第2章 实验材料及研究方法

2．1 实验材料

2．2 激光焊接

2．2．1 激光器

2．2．2 激光焊接试验

2．3 室温拉伸试验

2．4 显微硬度测量

2．5 表面形貌、显微组织和断口形貌观察

2．6 断口附近位错组态观察

2．7 焊接接头几何尺寸和断裂位置测量

第3章 焊接工艺对DP780钢激光焊接接头组织和Jl’生能的影响

3．1 激光工艺参数的选择

3．1．1 激光焊接工艺参数

3．1．2 几种焊接缺陷

3．2 焊接速度对DP780钢激光焊接接头组织和性能的影响

3．2．1 焊接速度对焊接接头表面形貌的影响

3．2．2 焊接速度对焊接接头几何尺寸的影响

3．2．3 焊接速度对焊接接头显微组织的影响

3．2．4 焊接速度对焊接接头显微硬度的影响

3．2．5 焊接速度对焊接接头拉伸性能的影响

3．2 脉宽对DP780钢激光焊接接头组织和性能的影响

3．2．1 脉宽对焊接接头表面形貌的影响

3．2．2 脉宽对焊接接头几何尺寸的影响

3．2．3 脉宽对焊接接头显微组织的影响

3．2．4 脉宽对焊接接头显微硬度的影响

3．2．5 脉宽对焊接接头拉伸性能的影响

3．3 电流对DP780钢激光焊接接头组织和性能的影响

3．3．1 电流对焊接接头表面形貌的影响

3．3．2 电流对焊接接头几何尺寸的影响

3．3．3 电流对焊接接头显微组织的影响

3．3．4 电流对焊接接头显微硬度的影响

3．3．5 电流对焊接接头拉伸性能的影响

3．4 本章小结

第4章 DP780钢及激光焊接接头力学行为的应变率效应研究

4．1 优化参数下DP780钢焊接接头的组织和硬度分布

4．1．1 激光焊接接头表面形貌与显微组织变化

4．1．2 激光焊接接头截面硬度分布

4．2 应变速率对DP780钢及激光焊接接头力学性能的影响

4．2．1 DP780钢及焊接接头应力-应变曲线

4．2．2 DP780钢及焊接接头力学性能随应变速率的变化

4．3 应变速率对DP780钢及激光焊接接头断裂行为的影响

4．3．1 DP780钢及激光焊接接头断口形貌随应变速率的变化

4．3．2 DP780钢焊接接头断裂位置随应变速率的变化

4．4 DP780钢及激光焊接接头变形及断裂行为的应变率效应的微观机制

4．4．1 DP780钢断口侧面形貌随应变速率的变化

4．4．2 DP780钢的变形行为的应变率效应

4．5 本章小结

第5章 结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢