SHAP400热轧钢焊接接头性能

SHAP400热轧钢焊接接头性能
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。

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。

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。

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。

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。