激光焊接高强度TRIP钢板的组织性能研究

摘要

随着汽车制造行业的发展，各国汽车制造商也加强了对安全、轻量、节能环保型汽车的生产。TRIP钢是一种重要的汽车用高强度钢，使用TRIP590汽车高强度钢板可以在保证安全的前提下实现汽车的轻量化。焊接是汽车生产中的一项重要工艺，焊缝质量的好坏直接影响到汽车的安全性能和整体外形。激光焊接作为一种先进的焊接方法，有着焊接速度快，焊缝质量高等优点。激光焊接工艺参数对焊接质量有着重要的影响。 利用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、电子背散射(EBSD)、维式硬度计、拉伸试验机等设备研究了激光焊接工艺参数对TRIP590钢组织性能的影响，根据TRIP钢板的焊接性和激光焊接设备，本文首次设计了较全面的焊接工艺参数，工艺参数的变化范围为:焊接功率为1800W～2800W，焊接速度为2m/min～6m/min，离焦量为1mm、-1mm、0mm，并对激光焊接TRIP590钢焊接接头界面形成机理进行研究。 首先，研究了激光焊接功率、焊接速度、离焦量这三种工艺参数在单独变化时对TRIP590钢焊接接头组织性能的影响规律。研究了焊接功率分别为2800W、2500W、2200W时接头组织性能的变化，经研究发现:激光焊接功率会显著影响接头的组织性能，焊接功率越大，热影响区的组织越粗大，马氏体转变越充分，接头硬度越高，塑性会降低。研究了激光焊接速度在6m/min～3m/min变化时接头组织性能的变化，发现焊接速度越高，热影响区组织越细小，贝氏体含量越少，焊缝区马氏体转变越充分，焊缝硬度越高，但是断后伸长率没有变化。研究了离焦量为1mm、-1mm、0mm时激光焊接组织性能的变化，随着离焦量的减少热影响区和焊缝区的组织转变越充分，接头的硬度越高，抗拉强度略有降低，断后伸长率在离焦量为0mm时最低。 其次，在众多变化的参数中设计了一组三因素三水平正交试验，主要是通过正交试验来找到各个工艺参数对焊接接头组织性能影响的强弱程度，确定最佳的工艺参数，然后研究了两种变化的工艺参数对焊接接头组织性能的交互影响。以断后伸长率为标准，通过正交实验确定了最佳工艺参数为焊接功率2500W，焊接速度4m/min，离焦量1mm，这时断后伸长率为30.29333％。对激光焊接的影响最大的是离焦量，其次是焊接功率，最后是焊接速度。分析了焊接速度和焊接功率的变化，焊接速度和离焦量的变化，焊接功率和离焦量的变化对热影响区的组织，焊缝区的马氏体组织和接头硬度产生的交互影响。研究表明:激光焊接热影响区的组织主要受焊接热输入的影响，在焊接功率和焊接速度之间，焊缝区的组织主要受焊接速度的影响，因为焊接速度决定了过冷度，马氏体转变受过冷度影响较大，而焊缝硬度则受马氏体的影响。焊缝的熔宽随着热输入的增加而增加，但本文研究发现，焊缝的熔深和熔宽不会随着焊接功率的增加和焊接速度的降低而无限增大，这是因为焊缝上方的等离子体的屏蔽作用。在离焦量和焊接功率之间，焊缝区的组织主要受离焦量的影响，离焦量为正时焊缝马氏体转交不充分，接头硬度最低。在焊接速度与离焦量之间，离焦量决定了焊缝马氏体的含量，离焦量为正时，光斑在钢板上方，尽管这时提高了焊接速度，增加了过冷度，但是马氏体转变仍不充分，而接头的硬度也由离焦量确定。 最后，研究了TRIP590钢激光焊接接头的界面形成机理，主要研究了焊接热影响区、熔合区、熔化区组织形成机理。通过扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和电子背散射(EBSD)分析观察了焊接接头微观组织形貌，残余奥氏体在各个相中的分布和含量，焊接接头和母材的晶界取向差别，焊缝区的晶粒取向，研究了界面形成的机理和焊接接头不同区域的组织演变机理和不同的工艺参数下焊缝区的残余奥氏体含量。研究发现:残余奥氏体以膜或块状分布在于马氏体晶界和晶面上，热影响区中的碳化物以短棒状的形式在铁素体条间析出。经过EBSD分析后发现:母材的晶粒分布均匀，无择优取向，经过测定后残余奥氏体的含量为1.37％，平均晶粒尺寸为3.84μm。焊缝区晶粒尺寸比母材大，马氏体板条内有许多亚晶界，晶粒有一定的择优取向，焊接速度为5m/min时，晶粒尺寸大约为8μm，残余奥氏体含量为0.2％，焊接速度为3m/min时，平均晶粒尺寸为10μm，残余奥氏体含量为0.398％，板条分布也较凌乱。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 激光焊接技术

1．1．1 激光焊接的基本原理

1．1．2 激光焊接参数对激光焊接的影响

1．1．3 激光焊接的特点

1．2 激光技术在汽车工业中的应用

1．2．1 激光焊接技术在汽车白车身焊接中的应用

1．2．2 激光拼焊技术在汽车工业中的应用

1．2．3 其他激光加工技术在工业中的应用

1．3 我国激光焊接技术在汽车领域应用现状

1．4 汽车用高强度TRIP钢的研究现状

1．4．1 TRIP效应及TRIP钢生产工艺

1．4．2 TRIP效应的影响因素

1．4．3 TRIP钢在工业中的应用

1．4．4 我国TRIP钢的发展及应用

1．5 本课题研究的目的和意义

第2章 实验材料与方法

2．1 实验材料

2．2 激光焊接工艺参数的选择

2．3 正交实验

2．4 焊接实验

2．5 显微组织分析与表征方法

2．5．1 光学电镜分析

2．5．2 扫描电镜观察

2．5．3 透射电镜分析

2．5．4 电子背散射(EBSD)分析

2．6 力学性能测试

2．7 硬度测试

2．8 本章小结

第3章 激光焊接参数对TRIP590钢焊接接头组织性能的影响

3．1 引言

3．2 激光焊接功率对TRIP钢组织性能的影响

3．2．1 激光焊接功率对焊接接头宏观质量的影响

3．2．2 激光焊接功率对焊接接头微观组织的影响

3．2．3 焊接功率对焊接接头硬度的影响

3．2．4 激光焊接功率对接头力学性能的影响

3．3 激光焊接速度对TRIP590钢组织性能的影响

3．3．1 激光焊接速度对焊接接头宏观质量的影响

3．3．2 焊接速度对焊接接头微观组织的影响

3．3．3 焊接速度对焊接接头硬度的影响

3．3．4 焊接速度对焊接接头力学性能的影响

3．4 离焦量对TRIP590钢组织性能的影响

3．4．1 离焦量对接头宏观质量的影响

3．4．2 离焦量对焊接接头微观组织的影响

3．4．3 离焦量对焊接接头硬度的影响

3．4．4 离焦量对焊接接头力学性能的影晌

3．5 本章小结

第4章 激光焊接工艺参数优化

4．1 引言

4．2 激光焊接参数的优化

4．3 激光焊接功率和焊接速度对TRIP钢组织性能的影响

4．3．1 激光焊接功率和焊接速度对焊接接头宏观质量的影响

4．3．2 激光焊接功率和焊接速度对焊接接头微观组织的影响(C)

4．3．3 激光焊接功率和焊接速度对焊接接头硬度的影响

4．4 激光焊接功率和离焦量对TRIP钢组织性能的影响

4．4．1 激光焊接功率和离焦量对焊接接头宏观质量的影响

4．4．2 激光焊接功率和离焦量对焊接接头微观组织的影响

4．4．3 激光焊接功率和离焦量对焊接接头硬度的影响

4．5 激光焊接速度和离焦量对TRIP钢组织性能的影响

4．5．1 激光焊接速度和离焦量对焊接接头宏观质量的影响

4．5．2 激光焊接速度和离焦量对焊接接头微观组织的影响

4．5．3 激光焊接速度和离焦量对焊接接头硬度的影响

4．6 本章小结

第5章 TRIP钢激光焊接接头界面分析

5．1 引言

5．2 扫描电镜分析

5．3 透射电镜分析

5．4 EBSD分析

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间论文发表及科研情况