高强度钢与低碳钢不同材质激光焊接搭接接头的疲劳行为及断裂机理

《Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures》：Fatigue Behavior and Fracture Mechanisms of Dissimilar Laser-Welded Lap Joints of High-Strength and Mild Steels

该研究分析了1-GPa级高强度钢与280-MPa级 mild steel异种激光焊接 lap接头的疲劳断裂机制。通过对比四种接头类型(H/H、M/M、H/M、M/H)的疲劳强度，发现H/H接头疲劳强度显著高于其他类型，而H/M接头因裂纹在 mild steel基体扩展导致疲劳强度与H/H接近。微观结构分析表明，高强钢在上板时能有效抑制裂纹扩展，提升接头可靠性。

　　本研究旨在探讨1-GPa级高强度钢（H）与280-MPa级普通钢（M）在激光焊接搭接接头中的疲劳断裂机制。研究通过评估多种机械性能，并对四种类型的接头（M/M、H/H、H/M和M/H）进行平面弯曲疲劳试验，揭示了不同材料组合对疲劳强度的影响。试验结果显示，H/H接头表现出显著更高的疲劳强度，而H/M接头的疲劳强度则与H/H接头相近。另一方面，在有限寿命范围内，H/M接头的疲劳强度高于M/H接头，但在疲劳极限方面，两者几乎一致。这一现象的原因在于，除了H/M接头外，其他三种接头在疲劳试验后均在焊接区域发生断裂，而H/M接头则在普通钢的基材中发生断裂。由此得出结论，将高强度材料置于激光照射侧，可以确保更高的可靠性。

在汽车工业中，车身减重已成为减少二氧化碳排放和提升燃油效率的重要手段。与此同时，提高碰撞安全性也对车身结构提出了更高要求，特别是对高强度框架部件的需求日益增加。为了兼顾减重与高强度，高张力钢在车身制造中被广泛应用。此外，前部和后部车身结构需要具备稳定的压溃性能，以有效吸收碰撞能量。然而，驾驶舱区域则需要具备较高的变形抗力，以保护乘员安全。由于高张力钢的延展性随着其强度的提升而降低，因此在实际应用中需要谨慎考虑材料特性。普通钢虽然张力强度较低，但具有良好的韧性，使其成为与高张力钢组合使用的理想材料。此前已有学者对低碳钢和高强度低合金钢（HSLA）进行过激光焊接的搭接剪切型拉伸疲劳试验，发现短寿命区域中基材发生塑性断裂，而长寿命区域则表现出疲劳裂纹从板材分离处开始扩展的机制，从而导致疲劳断裂。这表明断裂机制存在显著变化。类似地，Huan等人对激光焊接的双相钢（DP 590、DP 780和DP 980）进行了张力强度和显微组织分析，发现熔合区（FZ）在焊接后硬化，而热影响区（HAZ）仅在DP 780和DP 980中出现软化。尽管所有接头的延展性均因硬度增加而下降，但其张力强度在焊接前后基本保持不变。此外，许多其他研究也对激光焊接钢材料的张力和疲劳强度进行了评估。激光焊接通过熔化材料改变接头的显微组织，这对疲劳性能产生重要影响。Farabi等人研究了激光焊接DP 600钢接头的显微组织和疲劳性能，发现熔合区、热影响区和基材的显微组织变化导致疲劳强度略有下降。然而，关于高强度钢与普通钢之间不同激光焊接接头的疲劳强度评估及其断裂机制的研究仍然有限。因此，理解显微组织与疲劳强度之间的关系对于设计采用多种材料的部件至关重要。

为了进一步探究高强度钢与普通钢在激光焊接后的疲劳性能，本研究采用了多种实验方法，包括显微组织分析、维氏硬度测试、静态拉伸试验和疲劳试验。研究对象为普通钢（M）和1-GPa级高强度钢（H），分别通过搭接方式连接，形成四种类型的接头。试验中，所有接头的宽度均为5毫米，长度为17.5毫米，厚度为1.2毫米，且重叠部分为5毫米。焊接位置位于重叠区域的中心，焊接长度为2毫米。激光焊接的具体参数详见表3，包括激光波长、功率、焊接速度、最小光斑直径和聚焦透镜焦距等。

维氏硬度测试用于评估焊接区域的硬度变化。试验中，将焊接区域切割并进行抛光处理，随后在接头附近的10个点测量硬度，并取其平均值作为标准值。结果显示，M/M和H/H接头的硬度分布基本保持恒定，而H/M和M/H接头则表现出在焊接区域深度方向上硬度的变化趋势。H/M接头的硬度随着深度增加而逐渐降低，而M/H接头的硬度则逐渐升高。此外，起始点的硬度值略低于终点，这可能对张力和疲劳性能产生显著影响。

静态拉伸试验的结果显示，四种接头的最大强度分别为H/H接头541.1牛顿、H/M接头505.0牛顿、M/H接头496.1牛顿和M/M接头314.8牛顿。对应的活塞位移分别为0.27毫米、0.32毫米、0.32毫米和0.68毫米。比较H/H与M/M接头的结果发现，H/H接头在达到最大强度后迅速断裂，而M/M接头则表现出更高的延展性。在H/M接头中，最大强度和活塞位移均与焊接区域的维氏硬度值相关，表明在高强度钢与普通钢焊接时，高强度钢的机械性能在接头中占据主导地位。

疲劳试验的结果显示，在所有应力振幅范围内，H/H接头的疲劳强度最高，其次是M/H或H/M接头，最后是M/M接头。疲劳极限值分别为H/H接头70兆帕、H/M接头60兆帕、M/H接头55兆帕和M/M接头40兆帕。这一趋势表明，疲劳强度随着张力强度的提升而增强。此外，H/H、M/M和M/H接头在所有应力振幅下均表现出焊接区域断裂的模式，而H/M接头则在普通钢基材中发生断裂。这说明H/M接头的断裂机制与其他三种接头不同，其疲劳裂纹从普通钢一侧的熔合区开始扩展，并最终在基材中引发断裂。

扫描电子显微镜（SEM）观察结果显示，所有接头的疲劳断裂均起始于相同位置，但断裂机制因材料组合而异。在H/H、M/H和M/M接头中，疲劳裂纹从焊接起始点向接头扩展，最终在焊接区域断裂。而在H/M接头中，裂纹则从普通钢一侧的熔合区开始，随后在基材中扩展并导致断裂。这一现象表明，H/M接头的疲劳断裂机制与其它接头存在显著差异。在H/M接头中，由于普通钢的延展性较好，裂纹扩展路径更倾向于从熔合区向基材方向延伸，而非在焊接区域形成断裂。因此，H/M接头的疲劳强度相对较高，主要归因于其独特的断裂机制。

通过电子背散射衍射（EBSD）分析，研究发现H/H和H/M接头的熔合区与M/H和M/M接头的熔合区在显微组织上存在相似性。这一现象表明，上层板的材料在焊接过程中熔化并渗透到下层板中，从而影响其显微组织。此外，维氏硬度的差异也与疲劳强度的变化密切相关。H/H接头的硬度和强度均较高，而M/M接头则较低，这与它们的显微组织特性相一致。同时，KAM（内核平均晶界偏转）分布和晶粒尺寸的变化也反映了焊接过程中热影响对材料性能的影响。H/H、H/M和M/H接头的KAM值较高，晶粒尺寸较细，表明这些区域受到更强烈的热影响。而M/M接头的KAM值较低，晶粒尺寸较大，这可能与其较低的硬度和强度有关。

研究还发现，H/M接头的疲劳断裂机制与其它接头不同。在H/M接头中，裂纹起始于普通钢一侧的熔合区，并向基材扩展，最终导致断裂。这表明，H/M接头的疲劳断裂并非发生在焊接区域，而是发生在基材中。因此，H/M接头的疲劳强度虽然在有限寿命范围内略低于M/H接头，但在疲劳极限处与M/H接头相近。这一现象可能与普通钢基材的延展性和焊接过程中材料渗透有关。

综上所述，本研究揭示了高强度钢与普通钢在激光焊接搭接接头中的疲劳断裂机制。结果显示，将高强度材料置于焊接区域的上层，可以显著提高接头的疲劳强度和可靠性。H/H接头因具有较高的硬度和强度，表现出最佳的疲劳性能。H/M接头虽然在有限寿命范围内疲劳强度略低，但由于其断裂发生在基材中，因此在疲劳极限处与M/H接头相近。而M/H和M/M接头则因硬度和强度较低，疲劳性能相对较差。这些发现为汽车制造中采用多种材料的接头设计提供了重要依据，有助于优化焊接工艺，提高车身结构的安全性和耐久性。