·1498 北京科技大学学报 第36卷 热冲压工艺是先在加热装置中将硼钢板加热并 表1B1500HS钢的化学成分（质量分数） 保温一段时间使板料完全奥氏体化，然后把高温板 Table 1 Chemical composition of B1500HS steel % 料用转移装置快速转移到热冲压模具中进行冲压成 Si Mn Cr Ni Mo B Al Ti Fe 形.在热冲压模具中设计有冷却水道，在零件成形 0.230.251.350.200.030.040.0030.040.03余量 的同时进行淬火处理，零件初始的组织由铁素体和 珠光体组织转变为均匀的马氏体组织，马氏体组织 激光焊接机进行焊接.焊接参数：功率3~4kW,焦 使零件具有更高的力学强度.汽车不同的部位对强 距光斑0.3mm.激光焊接激光束直径小，产生的焊 度和刚度的需求不同，根据汽车部件的实际需求改 缝和热影响区宽度都较小，焊缝宽度大约1mm.将 变结构件的截面厚度，可以进一步轻量化，更好地满 线切割后的试样件放入中温加热炉中加热到 足汽车关于节能减排的要求.使用激光拼焊板 900℃，保温5min使试样温度均匀，然后快速取出 (tailor-welded blank,简称TWB)进行成形可以有效 试样并分别采取空冷、模具冷却和水冷三种不同的 地达到这个目的.激光拼焊板技术是将多块金属板 冷却方式对试样件进行冷却热处理.空冷是将加热 料通过焊接方式连接在一起，这些板料可以具有不 后的试样快速取出曝露在空气中自然冷却，水冷则 同材质、不同厚度或不同涂层) 是将快速取出的试样浸入水中迅速冷却.实验中模 由于焊缝的存在，在传统的高强钢拼焊板冷冲 具冷却为模拟实际模具淬火过程.选择两块热传导 压过程中，存在成形性能差、模具要求高、模具磨损 性良好且外观基本相同的钢板，将加热后的试样件 严重等问题，严重阻碍了高强钢拼焊板在汽车工业 放置在两块钢板之间，垂直施加固定的压力，保证每 中的应用.当前，对拼焊板的研究大多是关于冷冲 次淬火效果基本一致，整个操作过程为6s左右 压方面的，而对拼焊板热冲压的研究，特别是高 为了测试拼焊板热处理前后的性能，分别对拼 强钢拼焊板的热冲压研究很少见.唐炳涛等2) 焊板母材试样、横向焊缝试样和纵向焊缝试样进行 通过在Gleeble试验机上模拟不同冷却速率下 了常温拉伸试验，热处理后的拉伸试样及其具体尺 B340LA和B1500HS高强钢拼焊板的冷却过程，比 寸如图1所示.由于拼焊板横向和纵向方向不同， 较了不同钢板焊接后的性能，发现宝钢生产的 导致力学性能和成形性能不同.在电子显微镜中对 B340LA和B1500HS钢拼焊后的性能要优于其他钢 拉伸断口进行观察分析，并通过能量色散谱仪对焊 的拼焊板，阐述了拼焊板需要选择合适的拼焊母材 缝的元素成分进行测定.分别在热处理前后的母材 组合的观点，并通过优化后的Hensel-Spittel和 试样纵向焊缝试样上割取3mm×8mm尺寸大小的 Arrhenius数学模型对实验结果进行了验证.本文目 金相试样，采用冷镶制样，3%硝酸乙醇腐蚀，并对焊 的在于研究热冲压前后焊缝的力学性能变化.为了 缝和母材的微观组织进行光镜观测及维氏硬度 消除钢板厚度差的影响，选择将相同厚度的 测试 B1500HS钢板激光焊接在一起，然后进行模拟热冲 2 结果与分析 压试验.通过拉伸试验机、扫描电子显微镜、能量色 散谱仪、光学显微镜、维氏硬度仪等对热处理前后的 2.1拉伸试验结果分析 高强钢拼焊板焊缝的力学性能和显微组织进行了测 按照标准GB/T228.1一2010分别对未热处理、 试和分析 空冷、模具冷却和水冷四组试样进行常温拉伸试验， 每组三个试样，最后结果取平均值.图2所示是拉 1实验材料与方法 伸得到的不同热处理后拼焊板的抗拉强度、屈服强 1.1实验材料 度和延伸率 实验用宝钢公司提供的1.6mm厚B1500HS钢 从图2(a)可以看出：热处理前母材试样的抗拉 作为实验材料，这种硼钢主要含有C、Si、Mn、B等化 强度为525MPa,热处理后抗拉强度明显增大，其中 学元素，具体成分如表1所示.B1500HS钢出厂状 水冷达到了1777MPa:纵向焊缝试样热处理前抗拉 态的微观组织由铁素体和珠光体组成，该材料初始 强度为864MPa,空冷处理后抗拉强度有所下降，为 抗拉强度为500~600MPa,显微硬度为Hva.5170 688MPa,模具冷却和水冷处理后抗拉强度得到了大 左右. 幅提高，其中水冷达到了1648MPa;横向焊缝试样 1.2实验方法 热处理前抗拉强度为525MPa,经热处理后抗拉强 将两块厚度同为1.6mm的B1500HS钢板采用 度有了较大程度的提高，其中水冷为1610MPa.由北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 热冲压工艺是先在加热装置中将硼钢板加热并 保温一段时间使板料完全奥氏体化，然后把高温板 料用转移装置快速转移到热冲压模具中进行冲压成 形． 在热冲压模具中设计有冷却水道，在零件成形 的同时进行淬火处理，零件初始的组织由铁素体和 珠光体组织转变为均匀的马氏体组织，马氏体组织 使零件具有更高的力学强度． 汽车不同的部位对强 度和刚度的需求不同，根据汽车部件的实际需求改 变结构件的截面厚度，可以进一步轻量化，更好地满 足汽车关于节能减排的要求． 使用激光拼焊板 ( tailor-welded blank，简称 TWB) 进行成形可以有效 地达到这个目的． 激光拼焊板技术是将多块金属板 料通过焊接方式连接在一起，这些板料可以具有不 同材质、不同厚度或不同涂层［4--8］． 由于焊缝的存在，在传统的高强钢拼焊板冷冲 压过程中，存在成形性能差、模具要求高、模具磨损 严重等问题，严重阻碍了高强钢拼焊板在汽车工业 中的应用． 当前，对拼焊板的研究大多是关于冷冲 压方面的［9--11］，而对拼焊板热冲压的研究，特别是高 强钢拼焊板的热冲压研究很少见． 唐炳涛等［12--13］ 通过 在 Gleeble 试验机上模拟不同冷却速率下 B340LA 和 B1500HS 高强钢拼焊板的冷却过程，比 较了不同钢板焊接后的性能，发现宝钢生产的 B340LA 和 B1500HS 钢拼焊后的性能要优于其他钢 的拼焊板，阐述了拼焊板需要选择合适的拼焊母材 组合 的 观 点，并通过优化后的 Hensel-Spittel 和 Arrhenius数学模型对实验结果进行了验证． 本文目 的在于研究热冲压前后焊缝的力学性能变化． 为了 消除 钢 板 厚 度 差 的 影 响，选 择 将 相 同 厚 度 的 B1500HS 钢板激光焊接在一起，然后进行模拟热冲 压试验． 通过拉伸试验机、扫描电子显微镜、能量色 散谱仪、光学显微镜、维氏硬度仪等对热处理前后的 高强钢拼焊板焊缝的力学性能和显微组织进行了测 试和分析． 1 实验材料与方法 1. 1 实验材料 实验用宝钢公司提供的 1. 6 mm 厚 B1500HS 钢 作为实验材料，这种硼钢主要含有 C、Si、Mn、B 等化 学元素，具体成分如表 1 所示． B1500HS 钢出厂状 态的微观组织由铁素体和珠光体组成，该材料初始 抗拉强度为 500 ～ 600 MPa，显微硬度为 Hv0. 5 170 左右． 1. 2 实验方法 将两块厚度同为 1. 6 mm 的 B1500HS 钢板采用 表 1 B1500HS 钢的化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of B1500HS steel % C Si Mn Cr Ni Mo B Al Ti Fe 0. 23 0. 25 1. 35 0. 20 0. 03 0. 04 0. 003 0. 04 0. 03 余量 激光焊接机进行焊接． 焊接参数: 功率 3 ～ 4 kW，焦 距光斑 0. 3 mm． 激光焊接激光束直径小，产生的焊 缝和热影响区宽度都较小，焊缝宽度大约 1 mm． 将 线切割后的试样件放入中温加热炉中加热到 900 ℃，保温 5 min 使试样温度均匀，然后快速取出 试样并分别采取空冷、模具冷却和水冷三种不同的 冷却方式对试样件进行冷却热处理． 空冷是将加热 后的试样快速取出曝露在空气中自然冷却，水冷则 是将快速取出的试样浸入水中迅速冷却． 实验中模 具冷却为模拟实际模具淬火过程． 选择两块热传导 性良好且外观基本相同的钢板，将加热后的试样件 放置在两块钢板之间，垂直施加固定的压力，保证每 次淬火效果基本一致，整个操作过程为 6 s 左右． 为了测试拼焊板热处理前后的性能，分别对拼 焊板母材试样、横向焊缝试样和纵向焊缝试样进行 了常温拉伸试验，热处理后的拉伸试样及其具体尺 寸如图 1 所示． 由于拼焊板横向和纵向方向不同， 导致力学性能和成形性能不同． 在电子显微镜中对 拉伸断口进行观察分析，并通过能量色散谱仪对焊 缝的元素成分进行测定． 分别在热处理前后的母材 试样纵向焊缝试样上割取 3 mm × 8 mm 尺寸大小的 金相试样，采用冷镶制样，3% 硝酸乙醇腐蚀，并对焊 缝和母材的微观组织进行光镜观测及维氏硬度 测试． 2 结果与分析 2. 1 拉伸试验结果分析 按照标准 GB /T 228. 1—2010 分别对未热处理、 空冷、模具冷却和水冷四组试样进行常温拉伸试验， 每组三个试样，最后结果取平均值． 图 2 所示是拉 伸得到的不同热处理后拼焊板的抗拉强度、屈服强 度和延伸率． 从图 2( a) 可以看出: 热处理前母材试样的抗拉 强度为 525 MPa，热处理后抗拉强度明显增大，其中 水冷达到了 1777 MPa; 纵向焊缝试样热处理前抗拉 强度为 864 MPa，空冷处理后抗拉强度有所下降，为 688 MPa，模具冷却和水冷处理后抗拉强度得到了大 幅提高，其中水冷达到了 1648 MPa; 横向焊缝试样 热处理前抗拉强度为 525 MPa，经热处理后抗拉强 度有了较大程度的提高，其中水冷为 1610 MPa． 由 · 8941 ·