供稿|王亞東，王立剛，孟慶剛

內(nèi)容導(dǎo)讀

閃光對焊是汽車輪輞生產(chǎn)的主要焊接方法。330CL汽車輪轂實(shí)際生產(chǎn)過程中閃光對焊接頭易發(fā)生失效斷裂，增加了產(chǎn)品的廢品率，提高了生產(chǎn)成本。本文采用X射線熒光光譜儀、金相顯微鏡、掃描電鏡等表征方式分析330CL輪輞閃光對焊接頭失效斷裂原因。結(jié)果表明，330CL鋼的化學(xué)成分、金相組織及力學(xué)性能均符合YB/T 4151—2015標(biāo)準(zhǔn)要求；起裂位置以及裂紋延伸區(qū)域均位于靠近母材的熱影響區(qū)，而斷裂位置處較多的夾雜物以及粗大的晶粒是導(dǎo)致接頭失效斷裂的主要原因。

閃光對焊屬壓力焊的一種，是汽車輪輞生產(chǎn)的主要焊接方法之一。330CL鋼作為一種熱軋車輪鋼，廣泛應(yīng)用于汽車輪輞。330CL汽車輪轂實(shí)際生產(chǎn)流程如圖1所示，在擴(kuò)張過程中閃光對焊接頭易發(fā)生失效斷裂(圖2)，增加了產(chǎn)品的廢品率，提高了生產(chǎn)成本。有學(xué)者研究稱閃光對焊接頭的斷裂可能是由于母材強(qiáng)度分布不均所致，也有的學(xué)者認(rèn)為可能是由于較多粗大的魏氏體降低了接頭的力學(xué)性能所致[1-3]。本文對330CL輪輞失效斷裂的接頭進(jìn)行微觀金相、斷口成分以及斷口形貌分析，研究閃光對焊接頭失效斷裂的原因，并提出預(yù)防措施。

實(shí)驗(yàn)材料和方法

對板厚3.0 mm的問題產(chǎn)品進(jìn)行試樣截取，并進(jìn)行化學(xué)成分及力學(xué)性能測試。

圖1 汽車輪轂生產(chǎn)流程圖

圖2 閃光對焊接頭端部失效開裂照片

使用Leco金相切割機(jī)對問題產(chǎn)品進(jìn)行取樣，試樣完整保留了斷口的形貌，便于后續(xù)對斷口的觀察。斷口試樣首先經(jīng)超聲波清洗后進(jìn)行干燥處理，用ZEISS SUPRA55掃描電鏡觀察斷口情況并分析。同時對該試樣焊接接頭斷裂位置進(jìn)行機(jī)械打磨和拋光，并且用體積分?jǐn)?shù)4%硝酸酒精腐蝕4 s，使用Axioplan2 imaging金相顯微鏡對試樣組織進(jìn)行觀察，判斷斷裂位置處的金相組織。

結(jié)果與討論

330CL鋼化學(xué)成分及力學(xué)性能

330CL鋼化學(xué)成分檢測結(jié)果見表1，力學(xué)性能結(jié)果見表2，均滿足YB/T 4151—2015標(biāo)準(zhǔn)中對330CL車輪用熱軋鋼板的要求。

表1 330CL鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

斷口掃描電鏡分析

圖3為試樣斷口處的微觀形貌。從圖中可以看到斷裂處具有明顯的微孔聚集，表明斷口是以韌性斷裂為主的斷裂形式[4]。此外，圖3(b)顯示斷口處有尖銳棱角的夾雜物的存在。夾雜物主要成分為O、Fe、Al、S、Mn等(表3)，其中O是閃光對焊過程中的金屬燒損而產(chǎn)生[5]，而 S、Mn是由于母材本身該元素含量較高所致。夾雜物的存在會在一定程度上弱化晶界的連接強(qiáng)度，在后續(xù)的擴(kuò)張工藝過程中從靠近母材的熱影響區(qū)位置開始作為裂紋起始點(diǎn)而開裂，從而成為部件開裂的主要原因。

圖3 試樣斷口處微觀形貌：(a) 韌窩形貌；(b) 夾雜物形貌

表3 斷口處夾雜物化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

金相組織分析

使用Axioplan2 imaging金相顯微鏡對母材以及接頭斷裂位置處進(jìn)行金相組織觀察，其中斷裂位置位于接頭中靠近母材的熱影響區(qū)。試樣的制備依據(jù)GB/T13298—2015要求來進(jìn)行。圖4(a)顯示330CL母材內(nèi)部組織由鐵素體及少量珠光體組成；靠近母材的熱影響區(qū)產(chǎn)生斷裂位置處受焊接熱循環(huán)的影響，其斷裂位置組織由粒狀貝氏體與少量魏氏體組成。

圖4 金相組織圖：(a) 母材金相組織；(b) 斷裂位置金相組織

對比發(fā)現(xiàn)，斷裂位置的平均晶粒尺寸明顯大于母材晶粒尺寸，粗大的晶粒尺寸會降低接頭的韌性。斷裂位置處粗大晶粒的形成與焊接接頭的過熱程度有關(guān)。在閃光對焊過程中，焊接熱輸入量越大，高溫停留時間越長，越容易產(chǎn)生魏氏體組織，得到的焊接接頭韌性也就越差。在后續(xù)的生產(chǎn)工序中，部件的殘余應(yīng)力將集中于焊接接頭區(qū)域，最終在輪輞應(yīng)變量較大的接頭端部發(fā)生失效斷裂。因此，閃光對焊過程導(dǎo)致的近母材的熱影響區(qū)晶粒組織粗大為失效斷裂發(fā)生的原因之一。

圖5顯示母材沿軋制方向的厚度中心位置存在帶狀夾雜物，這可能為殘留在鋼中的破碎Al2O3夾雜物，進(jìn)一步分析表明與表3所獲得的夾雜物成分較為相似。因此，母材中殘留的破碎夾雜物也可能為斷口位置夾雜物的來源之一。

圖5 板材軋制方向心部帶狀夾雜物

結(jié)束語

采用X射線熒光光譜儀、金相顯微鏡、掃描電鏡等表征對330CL輪輞失效斷裂的斷口成分、金相、形貌進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)靠近母材的熱影響區(qū)金相晶粒的粗大、韌性降低與晶界處夾雜物的產(chǎn)生是閃光對焊接頭發(fā)生斷裂的主要原因。因此，在鋼板的生產(chǎn)工藝上嚴(yán)格控制S、O、Mn、P、Al等元素含量，可以使成材滿足產(chǎn)品的強(qiáng)度及漲型性能要求。此外，在閃光對焊工藝上，調(diào)整頂鍛速度和頂鍛量達(dá)到有效擠出焊接端面產(chǎn)生的復(fù)雜氧化物的目的。同時也適當(dāng)減小焊接熱輸入量，防止出現(xiàn)粗大的魏氏體組織，保證產(chǎn)品的力學(xué)性能，提高產(chǎn)品成材率。