第54卷 第3期 2021年3月
天津大学学报(自然科学与工程技术版)
Journal of Tianjin University (Science and Technology )
V ol. 54 No. 3Mar. 2021
收稿日期：2020-01-28；修回日期：2020-03-10. 作者简介：邓彩艳（1979— ），女，博士，副教授，**************. 通信作者：刘秀国，*****************.
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51771135).
Supported by the National Natural Science Foundation of China (No.51771135).
DOI:10.11784/tdxbz202001050
DP800双相钢激光焊接头软化区力学性能和组织分析
邓彩艳，刘 策，刘秀国，龚宝明，王东坡，许全军
(天津大学材料科学与工程学院，天津 300350)
摘 要：DP800双相钢作为一种高强钢，广泛应用于汽车制造业，它的安全性和可靠性满足汽车轻量化对于汽车用钢的要求．然而DP800双相钢焊接时会出现接头的软化问题，针对这一问题，对焊接接头软化区的微观组织和力学性能进行了研究．采用Nd ：YAG 固体激光器对DP800双相钢进行焊接，通过焊接接头硬度测试、拉伸试验、数字图像相关(DIC )应变测试方法研究软化区的力学性能特点，利用光学显微镜(OM )、扫描电子显微镜(SEM )以及电子背散射衍射技术(EBSD )分析软化区的微观组织特点．结果表明：焊接接头软化区距离焊缝中心约 2.0～3.6mm ，硬度范围在221～243HV ，比母材的硬度值下降了约10%；相较于焊接接头其他区域，在拉伸过程中软化区应变集中最为严重，变形量最大，断裂前应变值达到0.58．焊接接头主要分为焊缝金属区、粗晶热影响区、细晶热影响区、临界热影响区、亚临界热影响区和母材，其中焊接接头的软化主要发生在亚临界热影响区和临界热影响区，从组织相变角度分析，亚临界热影响区中马氏体发生了回火，析出碳化物，形成回火马氏体．临界热影响区中铁素体含量增加8.1%，引起了接头的软化；从晶体学角度分析，软化区包含的亚临界热影响区和临界热影响区的晶粒尺寸较大，总晶界长度较少，局部平均取向差(KAM )较低，引起了接头的软化． 关键词：DP800钢；激光焊；软化；数字图像相关；电子背散射衍射
中图分类号：TG401 文献标志码：A 文章编号：0493-2137(2021)03-0311-07
Mechanical Properties and Microstructure in the Softened Zone of
the DP800 Steel Joint by Laser Welding
Deng Caiyan ，Liu Ce ，Liu Xiuguo ，Gong Baoming ，Wang Dongpo ，Xu Quanjun
(School of Materials Science and Engineering ，Tianjin University ，Tianjin 300350，China )
Abstract ：DP800 steel is commonly used in the automobile manufacturing industry as a type of high-strength steel ，
which meets the a utomotive lightweight sa fety a nd relia bility requirements. However ，the softening effect of the welded joint typically occurs in the DP800 steel welding process. To solve this problem ，the microstructure and me-chanical properties of the softened region of the DP800 steel welded joint were studied. The DP800 steel was welded using the Nd ：YAG solid laser. The mechanical properties of the softened zone of the welded joint were tested by the ha rdness test ，tensile test ，a nd digita l ima ge correla tion (DIC ) stra in mea surement method. Optica l microscope (OM )，scanning electron microscope (SEM )，and electron back-scattered diffraction (EBSD ) technology were used to study the microstructure characteristics of the softened zone of the welded joint. The results showed that the sof-tened region of the welded joint is 2.0—3.6mm away from the weld center. The hardness value ranges from 221HV to 243HV ，which is around 10% lower than base metal (BM ). Compared to the other regions of the welded joint ，the softened zone strain localization is the most extreme in the t
ensile process. The tensile specimen is fractured when the strain reaches 0.58. The DP800 steel welded joint is divided primarily into weld metal (WM )，coarse grain heat-a ffected zone (CGHAZ )，fine gra in hea t-a ffected zone (FGHAZ )，inter-critica l hea t-a ffected zone (ICHAZ )，sub-critica l hea t-a ffected zone (SCHAZ )，a nd BM. The softening of the welded joint occurs prima rily a t SCHAZ a nd
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ICHAZ. From the perspective of phase transition ，the martensite occurs to temper and precipitate carbide and forms the tempered martensite in the SCHAZ ，and the ferrite content is increased by 8.1% in the ICHAZ ，which cause the softening of the welded joint. From the crystallography perspective ，SCHAZ and ICHAZ have a larger grain size ，less gra in bounda ry length ，and lower KAM value in the softened zone which lead to the softening of the welded joint.
Keywords ：DP800 steel ；laser welding ；softening ；DIC ；EBSD
随着经济社会的发展，汽车轻量化成为了世界各国对下一代汽车的设计目标．DP800双相钢作为一种高强钢，广泛应用于汽车制造业，以满足高强度和轻量化的要求．焊接方法中，激光焊凭借能量密度高、变形小、工艺灵活等特点广泛地应用在汽车制造领域[1-3]．然而焊接接头的微观组织不均匀，对服役产生很大的影响，其中，焊接接头的软化是一个重要的问题．Zhao 等[4]研究了焊接速度对DP 钢焊接接头
的微观组织和力学行为的影响，结果表明，焊接速度越小，热影响区软化区的范围越大，软化现象越严重；Xia 等[5]研究了强度在450～980MPa 时3种双相钢的激光焊接过程，结果表明，焊接接头存在软化区，软化区软化的程度和DP 钢的强度，即马氏体的体积分数有关．目前的研究大都对焊接接头软化区的软化程度以及软化范围等因素进行分析，但是对建立焊接接头软化区的力学行为与微观组织关系的研
究并不多，因此有必要对其进行研究．
本文首先通过硬度试验确定焊接接头软化区的位置，利用拉伸试验结合数字图像相关方法得出焊接接头不同区域的变形行为．进而通过光学显微镜、扫描电子显微镜以及电子背散射衍射表征来分析焊接接头软化区微观组织特点．
1 试验材料和方法
1.1 试验材料
试验使用的材料是鞍钢生产的1.2mm DP800高强双相钢轧制板材，通过直读光谱仪测出其主要化学成分如表1所示．金相组织主要是由铁素体基体(F )和分布在基体上的马氏体岛屿(M )组成，力学性能如表2所示．
表1 试验用DP800双相钢的化学元素组成
Tab.1 Chemical composition of the experimental DP800 steel %
w C
w Mn
w Si
w P
w S
w Al
w Cr
w Ni
w Nb
w Mo
w Fe
0.098 2.060 0.497 0.008 0.001 0.043 0.365 0.010 0.032 0.002 其余
表2 试验用DP800双相钢的力学性能
Tab.2 Mechanical properties of the experimental DP800 steel
屈服强度/MPa
抗拉强度/MPa
延伸率
屈强比
471 805 0.20
0.585
1.2 试验方法
采用JK2003 SM 型Nd ：YAG 固体激光器对DP800双相钢进行焊接，焊接试样装配示意如图1所示，焊
接方向平行
于轧制
方向，焊接试板尺寸为99mm ×60mm ×1.2mm ，接头形式为对接．焊接试验参数如表3所示．
硬度试验采用HV-1000A 显微维氏硬度计，试验根据GB/T 4340.1—2009标准来执行，试验力为2N ，保荷时间为15s ．母材区域的测试间隔为
0.2mm ，热影响区和焊缝的测试间隔为0.15mm ．
图1 焊接试样装配示意
Fig.1 Diagrammatic sketch of laser welding
表3 激光焊接参数
Tab.3 Parameters of laser welding
功率/W
焊接速度/(mm ·s -1)
气流量/(L ·min -1)
喷嘴距离/mm
离焦量/mm
1100 12
20
20
－1
拉伸试验根据GB/T 2651—2008标准来执行，试
样尺寸如图2所示，厚度为1.20mm ．试验采用MTS
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万能试验机，拉伸速率为0.5mm/min ．通过DIC 技术测量拉伸过程中试样厚度方向的变形行为．试验前对试样侧面喷上随机分布的黑白斑点．图像采集的速度设置为每秒一张，应变计算区域为5
像素×569像素．
图2 拉伸试样尺寸示意(单位：mm )
Fig.2 Dimension of the tensile test specimen (unit ：mm )
利用金相试样制备方法制备焊接接头试样，其中侵蚀剂为4%的硝酸酒精，并利用光学显微镜和JSM-7800F 热场发射扫描电子显微镜进行观察．
焊接接头试样各区域的晶体特征利用EBSD 进行表征，其中，电解抛光液主要是由体积分数为95%的无水乙醇和5%的高氯酸溶液组成．EBSD 测试时，工作电压为20kV ，扫描步长为0.2μm ．
2 结果与分析
2.1 焊接接头硬度分布
图3为焊接接头横截面厚度中线上的硬度测试结果，可以看出整个焊接接头的硬度分布不均匀．其中，母材的平均硬度值约256HV ，靠近母材区的热影响区的硬度值范围为221～243HV ，位于距离焊缝中心约2.0～3.6mm 的位置．该区域的硬度值比母材区域的硬度值下降了约10%，因此定义为焊接接头的软化区．焊缝金属区域的硬度最高，平均硬度值为376HV ．靠近焊缝的热影响区的硬度也高于母材，硬度值范围为263～356HV ，此区域和焊缝金属区共同构成了焊接接头的硬化区．在焊接接头横截面沿厚度方向的其他部位也
有着类似的硬度分布．
图3 DP800双相钢焊接接头硬度分布
Fig.3 Hardness profile of the DP800 laser welded joint 2.2 拉伸试验结果及应变测试
对焊接接头拉伸试样进行拉伸试验，其应力-应变曲线如图4所示．可以得出，焊接接头拉伸试样的抗拉强度为816MPa ，屈服强度为509MPa ，断后伸长率为9.84%．
图4 焊接接头的应力-应变曲线
Fig.4 Stress -strain curve of the welded joint
利用DIC 技术对拉伸过程中焊接接头各区域的
应变进行测试，从焊接接头的拉伸曲线中选取5个特征点A 、B 、C 、D 、E ，其中点A 的宏观应变εA ＝7.72×10-4，位于弹性阶段；点B 的宏观应变εB ＝4.26×10-3，位于屈服阶段；点C 的宏观应变εC ＝0.026，位于塑
性变形的强化阶段；点D 的宏观应变εD ＝0.092，
是抗拉极限点；点E 的宏观应变εE ＝0.101，位于断裂前的部分．这5个不同宏观应变下试样沿拉伸方向的微观应变(εyy )分布如图5所示．从图5(a )可以看出，试样在弹性阶段微观应变分布变化不大，并没有出现某一区域的应变集中．当试样拉伸至屈服点时，如图5(b )所示，硬化区基本上没有应变，其他区域
应变相较于弹性阶段较大，说明塑性变形刚开始时，组织不均匀造成的应变集中就开始产生．随着焊接接头试样进一步拉伸，达到屈服点时，焊接接头的软化区出现了明显的应变集中，分布在焊缝区的两侧，如图5(c )所示，此时应变值达到0.07，超过了其宏观应变值．当试样拉伸至抗拉极限时，微观应变分布如图5(d )所示．可以看出，其中一个软化区的应变集中开始变大，应变达到0.22．当试样拉伸至断裂前，即拉伸曲线的点E 时，软化区的应变发生突变，达到0.58. 母材区应变量约0.10，相对于软化区的变形可以忽略不计．整个拉伸过程中，硬化区(焊缝区和靠近焊缝区的热影响区)应变量很小，几乎为0．最终焊接接头拉伸试样断裂在软化区． 2.3 焊接接头软化区的组织特点 2.3.1 组织特点
焊接接头各区域不均匀的硬度分布和应变分布是由它的微观组织决定的．图6是DP800双相钢焊
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typec转dp天津大学学报(自然科学与工程技术版)
第54卷 第
3期
（a ）宏观应变εA ＝
7.72×10-4
（b ）宏观应变εB ＝4.26×10-3
（c ）宏观应变εC ＝
0.026
（d ）宏观应变εD ＝0.092
（e ）宏观应变εE ＝0.101
图5 焊接接头沿拉伸方向微观应变(εyy )的分布
Fig.5 Microscopic strain (εyy )distribution of the welded
joint along the tensile direction
接接头横截面的宏观组织形貌．其中a 所对应的区域是母材区，b 所对应的区域是亚临界热影响区，c 所对应的区域是临界热影响区，d 所对应的区域是细晶热影响区，e 所对应的区域是粗晶热影响区，f 所对应的区域是焊缝金属区．
根据图3的硬度分布以及焊接接头各区域的组
织特点，DP800双相钢的软化主要发生在亚临界热影响区和临界热影响区．
图7(a )和(b )是软化区包含的亚临界热影响区和临界热影响区的SEM 放大图．亚临界热影响区的范围较
宽，大约为1.4mm ．从细微结构上可以观察到部分马氏体内部和边界中存在“白点”或“白条”，这说明马氏体发生了分解，形成回火马氏体结构．通过IMAGEJ 软件进行统计，回火马氏体的尺寸范围约为0.5～6.5μm ，回火马氏体的体积分数为36.54%．根据文献[6]，这些“白点”或“白条”为碳化物．由于该区域经历的焊接热循环峰值温度低于Ac 1，相当于回火过程，原始马氏体出现分解，形成碳化物，导致合金元素的固溶度下降，引起硬度和强度的下降．临界热影响区的宽度较窄，约为133μm ．从微观组织形貌可以看出，该区域铁素体含量较多，达到71.01%．该区域的焊接热循环峰值温度处于Ac 1 ～Ac 3之间[7]，在焊接加热过程中，马氏体和部分铁素体发生奥氏体(γ)转化．当快速冷却时，不稳定的奥氏体又生成新的铁素体和马氏体．然而由于该区的冷却速度较快，部分奥氏体没有发生完全转化，形成残余奥氏体．未转变的铁素体和新生成的铁素体使得该区域铁素体含量增加，形成焊接接头的软化区．亚临界热影响区和临界热影响区的这些组织特点使得这两个区域发生软化，形成软化区，宏观上呈现硬度下降、容易变形的力学性能．
图7(c )是母材区的SEM 放大图，可以看出，母材主要由铁素体和马氏体组成．经统计，母材中马氏体的尺寸约0.7～4.5μm ，体积分数约为37.09%．根据图7(a )和图7(b )，亚临界热影响区马氏体的尺寸和含量与母材相比变化不大；临界热影响区中铁素体的含量比母材增加了8.1%，引起了
该区域的软化.
图7(d )～(f )是由细晶热影响区、粗晶热影响区和焊缝金属区所组成的硬化区的微观组织．其中细晶热影响区的宽度约为375μm ．该区域的铁素体含量很少，仅有3.23%，微观组织主要是细小的板条马氏体结构．粗晶热影响区宽度约为250μm ，该区域主
图6 焊接接头宏观组织形貌
Fig.6 Macroscopic morphology of the welded joint
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（a）亚临界热影响区 （b）临界热影响区 （c
）母材
（d）细晶热影响区 （e）粗晶热影响区 （f）焊缝金属区
图7焊接接头各个区域的SEM图
Fig.7SEM graph of different zones of the welded joint
要由粗大的板条马氏体组成．焊缝区的焊接加热最
高温度超过了钢的熔点，在冷却过程形成了垂直于熔
合线的柱状晶．微观组织主要由板条马氏体组成．这
些主要为马氏体结构的区域组成了焊接接头的硬化
区．与母材相比，硬化区中马氏体含量明显增多．
2.3.2晶体学特征
图8是DP800双相钢焊接接头各个区域的电子
背散射衍射反极图(inverse pole figure，IPF)，图9为
焊接接头各区域晶粒尺寸的统计结果.可以看出：软
化区包含的亚临界热影响区和临界热影响区的平均
晶粒尺寸为5.78μm和8.55μm；母材的平均晶粒尺
寸为5.20μm；硬化区包含的细晶热影响区和粗晶热
影响区的晶粒大小分别为2.53μm和5.56μm．从晶
粒尺寸的角度来看，相对于母材，软化区晶粒的粗化
使得硬度和强度降低．
图10统计了焊接接头各个区域在40μm×
40μm范围内的晶界总长度．可以看出，软化区包含
亚临界热影响区和临界热影响区的总晶界长
度分别
（a）亚临界热影响区 （b）临界热影响区
（
c）母材
（d）细晶热影响区 （e）粗晶热影响区 （f）焊缝金属区
图8焊接接头各个区域的IPF
Fig.8Inverse pole figure of different zones of the welded joint
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