Comparison of defect formation, mechanical strength and corrosion resistance of GTAW and LBW joints performed in pre-strained sheets of galvanized dual-phase steel

技术摘要：预应变镀锌双相钢 GTAW 与 LBW 接头缺陷形成、机械强度及耐腐蚀性能的比较研究

问题陈述
汽车工业越来越多地利用定制焊接件（TWBs）来优化车辆重量和制造效率。这些部件通常涉及连接具有不同厚度和预应变水平的薄板。虽然双相（DP）钢提供了优异的强度-延展性平衡，但其应用受到锌涂层（镀锌）以及成形所需预应变的复杂影响。预应变、低熔点锌涂层以及焊接过程中的热循环相结合，增加了产生液态金属脆断（LME）、气孔和热裂纹等缺陷的高风险。此外，DP 钢的热影响区（HAZ）由于马氏体回火容易出现软化现象。尽管气体钨弧焊（GTAW）和激光束焊接（LBW）是常用的连接方法，但关于预应变水平对预应变镀锌 DP590 钢的热场、缺陷形成、微观结构演变及耐腐蚀性能的具体影响，目前仍缺乏充分的研究。

研究方法
本研究采用数值模拟与实验相结合的方法，评估了 GTAW 和 LBW 工艺对预应变镀锌 DP590 钢板（厚度分别为 0.89 mm 和 1.34 mm）的影响。

• 实验设计： 采用了全因子 $2^3$ 实验设计（DoE），以焊接工艺（GTAW 与 LBW）、焊接电流/激光功率以及预应变水平作为控制因素。
• 表征手段： 通过宏观形貌和显微组织分析来评估熔合区（FZ）几何形状、长宽比以及内部缺陷（气孔、裂纹）。利用光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）和电子探针微区分析（EPMA）进行微观结构分析，以量化相组成和锌涂层的降解情况。通过显微硬度剖面测量基体金属（BM）、热影响区（HAZ）和熔合区（FZ）的硬度分布。
• 腐蚀测试： 对隔离的 FZ 和 HAZ 区域在 3.5 wt.% NaCl 溶液中进行动电位极化测试，以确定腐蚀速率和机制。
• 数值模拟： 开发了有限元（FE）热模型，用于预测瞬态温度分布、冷却速率和热积累。针对不同的热源模型（GTAW 的双椭球热源和 LBW 的椭圆抛物面热源）进行了校准，以补偿因板材挠曲导致的熔合区形貌变化。

主要结果

• 缺陷形成： 预应变显著改变了熔合区（FZ）的形貌，使其从椭圆形转变为梯形或矩形。这种形貌拓宽有助于锌蒸气气泡的排出，从而有效抑制了气孔的产生。高冷却速率加速了凝固过程，防止了热裂纹的发生，并最大限度地缩短了固态金属与残余液态锌之间的相互作用时间，从而减轻了液态金属脆断（LME）。在所有焊缝中均未检测到凝固裂纹。
• 微观结构与硬度：
  • GTAW： 较宽的熔合区导致了热积累以及在中间温度区间内的停留时间延长，促进了铁素体的形成。这导致了不均匀的微观结构（主要是魏德曼铁素体和多边形铁素体）以及较低且不均匀的显微硬度（平均约 326 HV）和局部软化。
  • LBW： 集中的热源和较高的冷却速率抑制了铁素体的形核，促进了细化的、均匀的贝氏体-铁素体组织，并具有更高的马氏体含量。这使得整个熔合区具有更高且更均匀的显微硬度（平均约 398 HV）。
• 耐腐蚀性能：
  • GTAW： 不均匀的微观结构（铁素体与贝氏体/马氏体耦合）产生了大量的微电偶，导致较高的电偶腐蚀速率。锌涂层的损失导致了均匀腐蚀。
  • LBW： 虽然熔合区由于缺乏稳定的钝化膜而易受氯化物诱导的点蚀影响，但由于较高比例的马氏体和上贝氏体（表现出更具贵金属特性的电化学行为），其整体腐蚀速率低于 GTAW 接头。LBW 的热影响区（HAZ）极小，保留了基体材料的特性。

意义与结论
研究表明，对于低厚度的预应变镀锌 DP590 钢板，激光束焊接（LBW）是比 GTAW 更合适的连接工艺。LBW 的主要优势在于其能够产生高冷却速率，从而细化微观结构、使机械性能均匀化，并降低对电偶腐蚀的敏感性。虽然预应变显著影响了熔合区的几何形状和热积累，但 LBW 工艺能有效管理这些热效应，从而生产出具有优异机械性能和耐腐蚀性能且无缺陷的接头。本研究强调，决定焊接镀锌 DP 钢性能的关键在于每种焊接工艺特有的热循环，而非仅仅是输入能量。