元素偏析与微观组织不均匀性对激光焊接超高强钢–STS304异种搭接接头凝固裂纹的影响

《Journal of Materials Research and Technology》：Influence of elemental segregation and microstructural heterogeneity on solidification cracking in laser-welded UHSS–STS304 dissimilar lap joints

　　

本研究关注超高强钢（UHSS）与不锈钢（STS）之间的异种激光焊接，此类连接在需要高强度和耐腐蚀性的汽车及能源应用中具有重要价值。然而，两种材料在热学和冶金学特性上的差异可能导致靠近熔合界面的不均匀凝固组织及裂纹。在本研究中，研究人员采用激光搭接焊工艺，在15.00至90.01 J/mm的热输入范围内，将Al–Si镀层UHSS与STS304连接在一起。通过焊缝几何尺寸测量、微观组织表征和拉伸剪切测试，研究了热输入、稀释率、界面裂纹及断裂行为之间的关系。结果表明，熔深和稀释率随热输入增加而增大，但拉伸剪切强度与界面熔宽之间并未呈现清晰的线性关系。在高热输入条件下，拉伸剪切测试前已在熔合界面附近发现预存裂纹。断口形貌和微观组织观察显示，界面区域呈现脆性断裂特征，而中心区域则表现为韧性断裂特征，与裂纹相关的边界处存在枝晶和大角度晶界结构。熔合区主要由体心立方（BCC）马氏体基体构成，而在富Cr和Ni的区域附近发现了局部的面心立方（FCC）区域。这些结果表明，单纯增加界面熔宽并不能确保接头强度的提升，局部微观组织不均匀性和预存的界面裂纹是影响UHSS–STS异种搭接焊缝断裂行为的重要因素。

论文解读文章

1. 研究背景与问题提出

现代工业结构，如汽车、油气管道、发电厂及结构系统，日益需要将异种钢材连接起来，以同时实现高强度、耐腐蚀性和结构可靠性。特别是，不锈钢（STS）因其优异的耐腐蚀性，与提供卓越比强度的超高强钢（UHSS）的组合备受关注。然而，这两种材料在热学和冶金学特性上的巨大差异，会在熔化焊过程中导致不均匀的凝固行为和增大的开裂敏感性。尤其是在激光焊接等高能量密度工艺中，快速的加热和冷却会促进成分偏析和非平衡微观组织的形成。在此过程中，特定合金元素的局部富集可能发生，并通过在凝固末期形成液膜诱发凝固裂纹。

以往的研究主要集中在对接接头构型上，探讨了熔合区形态、相变行为和力学性能。例如，有研究报道了熔合区奥氏体分数随热输入变化，以及断裂行为取决于热输入条件。对于搭接接头和点焊结构，有研究发现较低热输入下可获得更高的剪切强度，也有研究表明增加激光功率可提高承载能力。然而，这些研究主要关注接头强度和断裂位置，而对熔合界面附近的裂纹萌生和扩展行为的关注相对较少。特别是，UHSS–STS异种焊缝中的局部凝固模式对熔合区内Cr当量（Cr_eq）和Ni当量（Ni_eq）的平衡高度敏感。快速凝固还会加剧元素偏析，并在熔合线附近形成不均匀的凝固组织。这些不均匀区域可能成为优先的裂纹萌生和扩展路径。因此，在UHSS与STS的激光搭接焊中，由稀释引起的成分不均匀性、凝固相关晶界以及熔合界面附近的裂纹行为之间的相互作用尚不完全清楚。

2. 研究内容与结论

为解决上述问题，研究人员在不同热输入条件下对STS304与Al–Si镀层UHSS进行了激光异种搭接焊实验。系统分析了稀释行为对凝固形态、相分布和开裂敏感性的影响，并特别关注了熔合界面附近的成分不均匀性、凝固相关边界与裂纹形成之间的关系。研究得出的主要结论包括：热输入影响了焊缝几何形状（如上表面熔宽、界面熔宽、熔深和稀释率），但拉伸剪切强度与热输入或界面熔宽均不呈线性关系，表明接头的承载能力并非仅由界面结合宽度决定；熔合区呈现胞状和树枝晶凝固组织，UHSS侧熔合区主要由马氏体组织构成；在高热输入条件下，拉伸测试前已在熔合界面附近观察到预存裂纹，这些裂纹沿枝晶间区域、柱状晶界和大角度晶界扩展；能谱分析（EDS）揭示了裂纹和熔合线附近Cr、Ni、Mn和Al的局部富集，这些富集区域与电子背散射衍射（EBSD）分析中观察到的不均匀微观组织和局部FCC相在空间上相关。这些发现的重要意义在于，它揭示了在UHSS–STS异种搭接焊中，断裂行为与局部微观组织不均匀性和界面裂纹密切相关，而非仅仅取决于界面熔宽，为优化焊接工艺提供了新的理论依据。

3. 关键技术方法

研究人员使用了多种表征与计算方法。首先，通过光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）及电子背散射衍射（EBSD）技术分析了焊缝的宏观与微观组织结构、晶体取向及相分布。其次，利用能谱分析（EDS）对特定微区的化学成分进行定量分析。此外，采用FactSage 8.3软件及FSstel数据库进行热力学计算，包括Scheil–Gulliver非平衡凝固模拟和平衡相图计算，以研究凝固路径和相稳定性。最后，通过维氏硬度测试和拉伸剪切试验评估接头的力学性能。

4. 研究结果

4.1 焊缝外观

随着热输入从60.01 J/mm降低到15.00 J/mm，焊缝轮廓从X形转变为I形，熔深从完全穿透（2.2 mm）变为部分穿透（1.26 mm），稀释率从0.44降至0.15。总体而言，界面熔宽（IF宽度）随热输入增加而增大，但其变化幅度小于上表面熔宽。

4.2 异种材料接头的微观组织与力学性能

无论热输入高低，UHSS侧的熔合区均观察到向焊缝中心生长的发达枝晶组织。粗晶热影响区（CGHAZ）和细晶热影响区（FGHAZ）中观察到马氏体板条束，其尺寸在高热输入下增大。STS侧熔合区呈现混合的胞状和柱状枝晶结构。在高热输入条件下，甚至在拉伸剪切测试前，就在熔合界面附近观察到了平行于界面的预存裂纹，这些裂纹沿枝晶间区域和柱状晶界扩展。EBSD分析表明，焊缝金属主要为BCC相（马氏体），但在熔合线和裂纹尖端附近发现了局部的FCC相。裂纹沿大角度晶界（HAGBs）和凝固边界扩展。值得注意的是，低热输入条件下也检测到局部FCC相，但未观察到严重开裂，表明FCC相的存在本身不能完全解释开裂行为。

4.3 断裂位置

断口分析显示，靠近界面区域的断口呈现出裸露的枝晶形态和局部平坦的断裂面，表现出脆性断裂特征；而焊缝中心区域则观察到准解理特征伴随韧窝，表现为韧性断裂。

4.4 裂纹附近的元素分布

EDS分析揭示，在裂纹路径和熔合线附近，Cr、Ni、Mn和Al等元素发生了局部富集。这些富集区域与EBSD观察到的FCC相分布在空间上相关联。

4.5 异种材料接头的力学性能

拉伸剪切强度随焊接速度的变化呈现先增后减的趋势。最高强度出现在激光功率2.5 kW、焊接速度4 m/min的条件下。断裂位置随热输入变化：高热输入下，断裂发生在UHSS侧的熔合线上；低热输入下，断裂主要沿界面区域发生。硬度测试显示，熔合区和CGHAZ硬度较高（约400–550 HV），而STS母材硬度较低（低于250 HV）。尽管焊缝区域硬度高，但所有熔合线断裂均发生在硬度更高的UHSS侧，表明硬度不足以单独解释断裂路径。

5. 讨论与结论总结

讨论部分指出，异种焊缝的凝固行为受焊缝金属成分，特别是由稀释率决定的Cr_eq和Ni_eq平衡的强烈影响。Schaeffler图计算显示，所有成分均位于马氏体区域，这与EBSD观察到的熔合区主要由BCC相组成的结果一致。热力学计算表明，基于稀释率的成分计算的BCC和FCC相分数相近（各约50%），而基于EDS局部成分的计算则显示出更高的BCC相分数（约80%）。这反映了局部成分与平均成分的差异。研究人员认为，激光匙孔焊接提供的熔池混合力相对较弱，可能导致熔体混合不充分，从而使得即使在平均成分保持不变的情况下，局部成分偏析依然存在，进而引起局部相分布和微观组织特性的变化。

综合来看，UHSS–STS异种搭接焊缝的断裂行为与界面区域的微观组织不均匀性密切相关。高热输入下，虽然界面熔宽增加，但同时产生了预存的界面裂纹，导致拉伸剪切强度并未随熔宽成比例增加。这表明，焊缝几何尺寸本身无法充分解释断裂行为。因此，工业工艺设计应综合考虑接头成形和界面裂纹的产生，而非简单地追求最大熔深或界面熔宽。

研究结论翻译如下：

在本研究中，研究人员在不同热输入条件下对STS304与Al–Si镀层UHSS进行了激光异种搭接焊，系统研究了热输入对焊缝形态、微观组织演变、开裂敏感性和力学性能的影响。主要结论如下：

1. 1.
   热输入影响了焊缝几何形状，包括上表面熔宽、界面熔宽、熔深和稀释率。尽管界面熔宽通常随热输入增加而增大，但拉伸剪切强度与热输入或界面熔宽均不呈线性关系。结果表明，接头的承载能力并非仅由界面结合宽度决定。
2. 2.
   熔合区呈现胞状和树枝晶凝固组织，UHSS侧熔合区主要由马氏体组织构成。在高热输入条件下，拉伸剪切测试前已在熔合界面附近观察到预存裂纹。光学显微镜、EBSD和断口分析一致表明，裂纹沿枝晶间区域、柱状晶界和大角度晶界扩展，而非穿过枝晶内部。这些观察结果表明，较低的拉伸剪切强度也与凝固微观组织有关。
3. 3.
   EDS分析揭示了裂纹和熔合线附近Cr、Ni、Mn和Al的局部富集。Cr、Ni和Mn的富集区域与EBSD分析中观察到的不均匀微观组织和局部FCC相在空间上相关。热力学计算显示了成分依赖的BCC/FCC相分数变化，而平衡计算表明增加Ni含量促进了FCC相的稳定性。总体而言，结果表明，UHSS–STS异种搭接焊缝的断裂行为与局部微观组织不均匀性和界面裂纹有关，而非仅仅与界面熔宽有关。