激光焊接DP 590钢的电辅助焊后快速热处理：微观结构与力学性能

《Journal of Materials Research and Technology》：Electrically assisted post-weld rapid heat treatment of laser beam welded DP 590 steels: Microstructural and mechanical properties

激光焊接DP590钢的微结构调控与残余应力演变研究。通过单脉冲与多脉冲电脉冲热处理，发现MP处理能更显著细化晶粒、降低马氏体含量（36% vs 41%），并使残余应力从拉应力转为压应力（-1.45 MPa）。处理后焊接接头微观结构均匀化，未影响基材性能，且多脉冲处理能更有效缓解焊接热应力。

　　
本研究聚焦于电辅助后焊接热处理（EA-PWHT）对DP 590双相钢激光焊接接头微观结构和力学性能的影响机制。该材料因具备高强度与良好延展性的平衡特性，被广泛应用于汽车轻量化部件制造，但焊接过程中形成的焊接热影响区（HAZ）易引发材料不均匀性和力学性能劣化问题。研究团队通过对比单脉冲（SP）与多脉冲（MP）电辅助热处理工艺，系统揭示了EA-PWHT对焊接接头微观重构及残余应力调控的作用原理。

在实验设计方面，采用2500W激光器进行激光焊接，通过调整焦点直径、焦距等参数获得均匀熔池。值得注意的是，传统后热处理存在能耗高、效率低的问题，为此研究者开发了局部电脉冲加热技术。该技术通过在电极与焊缝表面之间形成7mm间距，利用电脉冲的焦耳热效应实现精准局部加热，同时借助非热力学效应（如电荷失衡）促进扩散过程，显著缩短热处理时间至传统炉热的1/3。

微观结构分析显示，未经热处理的激光焊接区（WZ）存在高密度针状马氏体（57%），晶粒尺寸细小（约3.3μm），形成显著应变梯度（KAM均值为1.06）。这种微观结构导致WZ硬度高达385HV，但存在明显拉应力（94.7MPa）。而热影响区（HAZ）呈现典型的粗大柱状晶（CGHAZ）和细小等轴晶（FGHAZ）双相结构，其中CGHAZ因碳扩散受限形成回火马氏体（51%相分数），FGHAZ则保留更多铁素体（61%）。

通过SP和MP两种EA-PWHT工艺的对比发现，单脉冲处理使WZ晶粒尺寸增大至7μm，马氏体含量降至41%，残余应力下降至30.4MPa。而多脉冲处理通过9次次级脉冲的间歇加热，进一步将马氏体含量压缩至36%，晶粒尺寸扩展至18μm，残余应力发生逆转（-1.45MPa）。特别值得注意的是，MP工艺通过延长奥氏体化（Ac3）至奥氏体-铁素体转变（Ac1）间的冷却延迟（5秒/脉冲），促使碳原子在更高温度区间完成扩散重组，形成稳定的铁素体基体。

电子背散射衍射（EBSD）分析揭示了更深刻的微观重构机制。原始基体（BM）呈现典型的再结晶等轴晶结构（平均6.97μm），高角度晶界占比达91.5%。激光焊接后，WZ形成高应变（KAM 1.06）的柱状晶马氏体区，而CGHAZ则出现定向生长的粗大晶粒（9.14μm）与回火马氏体混合结构。经EA-PWHT后，SP处理使WZ晶界曲率半径增加2.3倍，马氏体板条尺寸从15μm扩展至28μm；MP处理进一步促进晶界迁移，形成粗细双态晶结构（平均18μm），同时消除了传统HAZ的CGHAZ和FGHAZ分界线。

残余应力测量数据显示，MP工艺成功将WZ区残余拉应力逆转为-1.45MPa的压应力，降幅达98%。这种应力状态转换与微观结构重构密切相关：多脉冲处理诱导的动态再结晶（DRX）和静态再结晶（DSRX）协同作用，不仅细化了晶粒（MP处理晶界曲率半径较SP提高40%），更通过形成新鲜马氏体（36%相分数）和铁素体（64%）的复合结构，显著改善材料均匀性。微硬度测试表明，MP工艺使WZ区硬度下降33%（260HV），但周边过渡区硬度提升至350HV，形成梯度硬度缓冲层。

研究特别强调了脉冲间隔对相变动力学的影响。MP工艺通过5秒的次级脉冲间隔，创造多次碳原子扩散激活能垒，迫使奥氏体在Ar3-Ac1区间反复相变。这种"热脉冲淬火"效应使马氏体相变从连续冷却转变（CCT）模式转变为离散相变模式，相变滞后时间增加3倍，导致最终马氏体含量降低。同时，电脉冲产生的局部电场（强度达58A/mm2）加速了晶界偏聚析出过程，形成稳定的PAGB（晶界平均间距由3.2μm增至4.7μm）。

该技术突破传统后热处理的局限性，在保持基体性能（BM硬度220HV，延伸率28%）的前提下，成功将焊接接头抗拉强度提升至625MPa，并使夏比冲击吸收能提高至35J（较SP工艺增加12%）。微观组织重构不仅优化了力学性能，更显著改善了焊接接头的成形性，在深拉伸测试中，试样断裂位置始终保持在远离焊缝的基体区域，未出现焊接热影响区导致的早期失效。

研究结论指出，EA-PWHT通过精准控制热机械过程，实现了三个关键突破：1）消除传统HAZ的粗大柱状晶区（CGHAZ）与细小等轴晶区（FGHAZ）的界面应力集中；2）将高密度马氏体（57%）通过再结晶-相变协同作用降至合理范围（36%-41%）；3）通过电脉冲的athermal效应（非热力学活化）促进晶界迁移，形成梯度应力分布。这种"结构-性能"的协同调控机制为先进高强钢焊接接头的热处理提供了新范式。

该研究成果在工业应用方面具有显著价值，特别是对汽车制造中的白车身部件生产。传统激光焊接后热处理需整体加热（300-400℃）长达90分钟，而EA-PWHT仅需3分钟单侧加热即可达到同等效果。更值得关注的是，MP工艺在保持接头强度（较基体提高50%）的同时，将成形极限图（FLD）的Y值从0.75提升至0.89，显著改善冲压成型性能。这种高效节能的热处理技术可降低传统工艺60%的能耗，特别适合mass production中的在线热处理需求。

研究团队通过建立多尺度分析框架，揭示了电脉冲参数与微观结构演变的非线性关系。实验发现，次级脉冲密度（每秒1.8次）超过临界值（约1.5次）时，晶界迁移速率与马氏体相变速率出现竞争关系，导致双相钢焊接接头形成独特的梯度纳米结构。这种结构特征使接头在承受交变载荷时，能够通过晶界滑移和相变诱导塑性（PI）协同作用，将疲劳寿命延长2.3倍。

最后，研究团队提出EA-PWHT的工艺窗口理论：当电脉冲频率在1.5-2.0Hz区间时，既能有效促进碳原子扩散（激活能约320kJ/mol），又可避免晶界过度熔化（熔蚀深度<5μm）。这一发现为工业应用提供了关键参数指导，同时揭示了脉冲频率与再结晶激活能之间的耦合关系，为后续工艺优化奠定了理论基础。