第三代先进高强度钢光纤激光焊接成形过程中的应变路径演变对比分析

《Materials Science and Engineering: A》：Comparative analysis of strain-path evolution during forming of fibre-laser welded third-generation advanced high-strength steel

　　

摘要

早期的激光焊接搭接板（LWB）应用中，焊缝区的性能差异较小，但随着第三代先进高强钢（3^rd Gen AHSS）的日益普及，由于钢的高淬硬性和亚稳相的存在，焊缝区越来越呈现出异质性。焊接接头经历了亚临界热影响区软化以及粗晶热影响区和熔合区（FZ）的硬化，从而形成在成形过程中易发生应变局部化和约束的区域。本研究对比考察了采用不同焦距光斑尺寸和焊接速度纤维激光焊接的3^rd Gen 980MPa AHSS的焊缝线在变形过程中应变路径的影响。采用 Marciniak 和 Nakazima 试验，对LWB进行单轴拉伸试验以及面内和面外双轴拉伸试验。结果表明，成形行为由FZ几何形态和试验类型共同决定。单轴拉伸和双轴拉伸试验中，断裂分别起源于基体区域和熔合区。在 Nakazima 试验中，FZ较宽且无飞溅形成的LWB表现出接近平面应变拉伸的应变状态；随着FZ宽度减小且焊接飞溅过量，应变路径趋向等双轴拉伸。在 Marciniak 试验中，具有不同FZ几何形态的LWB，其断裂位置出现在凸模曲率区、外边缘附近以及承载板孔的内侧区域。在这些断裂位置中，焊缝所经历的应变路径由平面应变拉伸向等双轴拉伸转变。

引言

第三代（3^rd Gen）先进高强钢（AHSS）的开发旨在满足汽车部件对机械性能提升和轻量化以改善燃油效率并降低温室气体排放的需求[1]、[2]。3^rd Gen AHSS在保持优异的强塑性平衡的同时，所需的锰和硅等合金元素量低于早期AHSS钢种形成足量残留奥氏体等功能性微观组织相所需[3]、[4]。尾板（tailored blanks）能够通过在单一部件中将不同性能的材料连接，或通过定向热处理局部改变单一材料的性能，从而实现组合机械响应[5]、[6]。激光焊接搭接板（LWBs）通过激光焊接将多个板件融合在一起以实现这种集成。使用AHSS制造LWB可以在单个部件中将不同钢种进行战略性布置，从而在提升结构性能的同时提高材料利用率[7]。这种选择性布置结合激光焊接的精度和可靠性[8]、[9]，使LWB对同时要求强度和成形性的轻量化结构应用尤为有利。

整体成形性描述的是板材在广泛区域上发生均匀塑性变形而不产生局部减薄或断裂萌生的能力[10]、[11]。这一特性通常使用成形极限曲线（FLC）进行量化，FLC界定了材料在从单轴拉伸到等双轴拉伸的不同面内应变路径下发生明显颈缩之前所能承受的应变上限[12]、[13]。FLC通常按照ISO 12004-2标准规定的Marciniak或Nakazima试验获得[14]。Marciniak杯试验使用圆柱形凸模和带中心孔的承载板，以近乎线性的应变路径在几乎无摩擦、无模具接触应力和弯曲的条件下对试样中心进行成形[15]、[16]。Nakazima穹顶试验不使用承载板，而采用半球形凸模对材料进行面外变形，使得弯曲、模具接触和非线性应变路径有助于延缓颈缩并提高极限应变[17]、[18]。双轴拉伸下的整体成形性也可通过测量极限穹顶高度（LDH）进行评估，LDH定义为试样断裂前的最大垂直位移[19]、[20]。LDH值可通过Erichsen杯试验和Hecker的LDH试验等方法获得[21]、[22]。要在不同材料或研究之间有意义地比较LDH值，必须仔细考虑材料固有特性和外部试验参数对测量结果的影响。

此前针对AHSS LWB的研究主要采用单轴拉伸试验和LDH双轴拉伸测量，来评估相对于基体（BM）而言LWB整体成形性的变化，详见综述[23]。AHSS的激光焊接在焊缝区引入了微观组织和形貌上的异质性[24]、[25]。根据具体焊接特征的不同，AHSS LWB整体成形性试验中的失效已在从基体区域[26]、[27]到亚临界热影响区（SCHAZ）[28]、[29]再到熔合区（FZ）[30]、[31]的不同区域被观察到。尽管有上述观察，但仍少有研究对AHSS LWB的局部应变演化及断裂应变路径进行详细的实验或数值分析。已有的研究表明了较为一致的规律。例如，当使用诸如QP980-QP980[31]、[32]、[33]、QP980-TRIP800[34]、MMn TRIP1000-MART1500[35]和TRIP1100-MART1500[35]等AHSS组合进行激光焊接后，垂直于焊缝方向进行单轴拉伸时，FZ表现出最低的轴向应变。在HSLA450-DP450[20]、DP600-DP600[36]、DP980-DP980[36]和TRIP800-TRIP800[37] LWB上进行的双轴拉伸LDH试验中，在局部颈缩或断裂前测量到的焊缝线处主、次真实应变分布显示了变形过程中与整板相当的双轴拉伸行为。然而，其他研究也观察到LWB中的应变路径与使用相同几何形状的整板所获得的成形结果所预期的不一致。例如，Panda等人[20]发现在HSLA450-DP980 LWB中，颈缩发生前在凸模顶端焊缝区域数值预测和实验测量得到的次真实应变接近零，表明整个变形历史过程中基本处于平面应变拉伸状态。Bandyopadhyay等人[38]也报道，在DP600-DP600和DP980-DP980 LWB的LDH试验中，凸模顶端处数值预测的应变路径非常接近平面应变拉伸。

本研究通过对单轴拉伸试验以及Nakazima和Marciniak试验中的双轴拉伸进行系统研究，考察了采用两种不同焦距光斑尺寸及一系列焊接速度生产的纤维激光焊接3^rd Gen 980 MPa AHSS的成形行为。采用立体数字图像相关法（DIC）记录了从试验开始到断裂过程中焊缝区域的整体应变演化及焊接板件应变路径，并与整板进行对比。将对比成形响应与激光焊接工艺引起的冶金特征以及不同试验类型的变形模式相关联。本研究旨在为当前文献中关于较大热跨度条件下制造AHSS基LWB成形过程中局部应变发展的观测局限补充新的实验数据，并考察以往研究在广泛研究的单轴和双轴加载条件下发现的不一致性。本研究的成果还为AHSS基LWB的冲压设计提供了参考，包括优化焊接参数的选择以及实际零件成形工况，无论是焊缝线直接发生面外变形（即Nakazima型拉伸），还是处于相对平整的较低部位，经历更多的是下垂型变形而不会显著牵拉焊缝线（即更接近Marciniak型拉伸）。

章节摘要

材料与激光焊接

本研究考察了1.65 mm厚的镀锌（GI）第三代先进高强钢（3^rd Gen 980）。其化学成分以及根据Yurioka等人[39]提出的公式计算的碳当量列于表1。

采用一台IPG Photonics掺镱光纤激光系统（YLS-8000），激光输出功率为4.5 kW，激光头倾斜5°角，使用两种激光焦距光斑，以单道堆焊方式加工出200 mm × 200 mm的LWB。

LWB工艺窗口

使用0.3 mm焦距光斑对3^rd Gen 980基体进行激光焊接，可获得2 m/min至8 m/min的较宽速度范围以实现完全熔透。相比之下，在相同激光输出功率下，1.2 mm焦距光斑显著缩小了适用的焊接速度范围，仅在2 m/min至3 m/min之间。这种限制源于较大型光斑功率密度较低，与0.3 mm光斑相比，将相同总激光功率分布在更宽的面积上。

结论

本研究针对光纤激光焊接3^rd Gen 980 AHSS，在不同热循环区间内焊缝区发展情况通过冶金和成形性分析，考察其在单轴和双轴拉伸加载条件下对机械性能的影响，主要结论总结如下：

• 1.
  与0.3 mm焦距光斑相比，在激光功率恒定的情况下，采用1.2 mm焦距光斑时实现完全熔透所需的焊接速度范围缩小约四倍。

CRediT作者贡献声明

Shiyuan Song： 撰写–审阅与修订，撰写–初稿，可视化，方法论，调查研究，形式化分析，数据管理，概念构思。Hassan Ghassemi-Armaki： 撰写–审阅与修订，项目管理。Elliot Biro： 撰写–审阅与修订，可视化，监督指导，方法论，经费筹措，概念构思。Cliff Butcher： 撰写–审阅与修订，可视化，监督指导，方法论，概念构思。Advaith Narayanan： 撰写–审阅

利益冲突声明

? 作者声明不存在可能影响本文报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢汽车/钢铁伙伴关系（A/SP）焊接与冲压团队对本研究提供的资金和技术支持。

Shiyuan Song|Muhammad Shehryar Khan|Advaith Narayanan|ZiQiang Sheng|Lu Huang|Hassan Ghassemi-Armaki|Cliff Butcher|Elliot Biro

加拿大滑铁卢大学机械与机电工程学院先进材料连接中心，加拿大安大略省滑铁卢市大学大道西200号，邮编N2L 3G1