0 序 言
汽车制造业的轻量化需求促进了先进高强钢的应用与发展，出现了多个新的钢种[1]，其中双相钢(DP钢)因具有较高的原始加工硬化速率、较低的屈强比、较高的变形能力等在减轻车重的同时能保证车辆良好的安全性能，从而成为汽车轻量化用钢的理想材料[2].但是该钢种在焊接热源的作用下热影响区会发生软化现象[3-5]，造成焊接接头力学性能和成形性能的降低[6-7]，影响了其在汽车中的使用.
涡流的本质是电磁感应现象，它是指移动的金属导体在磁场中运动时，在移动金属中产生感应电动势，从而产生感应电流的现象。其产生的基本条件有两个：一个是不断变化的磁场，不断变化磁场会带来磁通量的变化，另一个是金属体本身可自行构成闭合回路，因此，感应电动势才能最终在闭合回路中形成感应电流。．当金属导体回路的电阻很小时，会在闭合回路中产生很大的感应电流，就像水中的旋涡，因此简称涡流。从以上原理分析可以发现：在电磁炉上使用的锅必须满足一个条件，那就是锅的材质必须是具有磁性的。所以电磁炉使用的锅应该是铁系(搪瓷、铸锅、不锈铁)锅，不锈钢锅，复合底锅必须是电磁炉专用。
对于双相先进高强钢的激光焊接接头软化问题，专家和学者进行了大量的研究工作，研究发现双相钢焊接热影响区的软化不仅与焊接热输入等焊接过程有关[8]，还与钢材本身的化学成分、强度级别等有关[9]；而对于软化原因和软化现象也有了统一的认识，即双相钢的制造工艺特点(通过连续冷却、控制轧制获得的)决定了焊接过程中的重新加热不可避免的会使原始组织中的马氏体发生变化，从而造成其热影响区的软化现象；但是对于双相钢激光焊接热影响区的软化还没有提出更好的解决途径.为了达到改善热影响区软化程度的目的，通过在激光热源后方5 mm处通入冷却水的方式使焊件达到强制快速冷却，并在焊接试板上下表面通入氩气来保护焊缝不受水流污染，从而来探讨DP1000双相先进高强钢快速冷却对激光焊接头软化的影响.
1 试验方法
试验材料选用某钢铁公司生产的DP1000连续冷轧双相钢板，厚度为1.5 mm，其微观组织如图1所示，主要化学成分及力学性能见表1和表2所示.双相钢由铁素体和马氏体组成，马氏体呈岛状分布在铁素体基体上，这种双相的组织特点保证了该钢在强度提高的同时，仍具有足够的塑性和韧性.
通过分析以上前馈串级投运前后的温度控制误差，投运后温度误差明显可控制在±10%内，前馈串级炭黑温度控制调节精度相当好。投运前后炭黑温度的叠加趋势比较分别如图4、图5所示，投运后温度波动幅度收敛明显。
图1 DP1000双相钢显微组织
Fig.1 Microstructure of base metal
表1 DP1000的主要化学成分(质量分数.%)
Table1 Main chemical compositions
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表2 DP1000的力学性能
Table2 Mechanical properties of DP1000
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采用JKSM型Nd:YAG固体激光器对DP1000双相钢进行焊接，激光器的额定输出功率为2 kW，聚焦镜镜头焦距为160 mm，采用高纯氩气对焊缝正面和背面进行保护，气体流速为20 L/min. 焊接试样采用对接形式，由于是自熔化焊接，试板中间不留间隙. 为了对比冷却条件对焊接接头性能的影响，分别采用在不同冷却条件下(水冷和空冷)优化后的焊接工艺参数获得的试样进行对比试验.
将激光焊接头按照GB/T2651—《焊接接头拉伸试验方法》标准加工成标距为50 mm，平行段宽度为10 mm的拉伸试件，单向拉伸试验采用CSS电子万能试验机，拉伸试验时移动速度为2 mm/min，抗拉强度和断后伸长率等焊接接头的力学性能取三组数据的平均值作为该条件下的力学性能数值.
焊接接头的硬度测量根据GB/T4340.1—金属材料维氏硬度试验(第1部分：试验方法)进行，采用MHV-2000型数显显微维氏硬度计，载荷为1.961 N，保压时间为15 s. 测试区域包括母材区、焊接热影响区的软化区、硬化区和焊缝金属区，其中软化区根据接头受热程度的不同而产生的组织变化以及Ac1，Ac3分界线细分为回火热影响区(Sub-Critical HAZ)和不完全相变区(Inner-Critical HAZ)，在硬度测试中，测试点之间的距离均为0.15 mm，硬度值取其平均值，接头横截面的硬度测试点如图2所示.
Evaluation of public participation level of smart city construction based on fuzzy matter-element
图2 热影响区硬度测试点图
Fig.2 Dot of hardness in HAZ
利用Neophot32型光学显微镜(OM)和JSM63-60LV型扫描电子显微镜(SEM)观察DP1000双相钢的原始组织、焊接接头显微组织及拉伸断口形貌.
2 试验结果与分析
2.1 焊接接头力学性能及断裂情况分析
为了了解不同冷却条件下的焊接接头性能，对快冷试件和空冷试件分别进行单向拉伸试验. 拉伸试验结果如表3和图3所示，可以看出，焊接接头的抗拉强度和断后伸长率与母材相比均有下降，屈服强度有所增加，断后伸长率有较大幅度的下降；但是快冷条件下焊接试样的抗拉强度和断后伸长率均比空冷条件下焊接试样的有所增加，快冷焊接试样的抗拉强度平均值达到了母材抗拉强度的95%，而空冷焊接试样的平均抗拉强度为母材的91%；快冷焊接的平均断后伸长率为母材的39%，空冷焊接的为母材的32%. 从单向拉伸结果看，快冷焊接试样的单向拉伸力学性能略优于空冷焊接的试样.
表3 DP1000双相钢激光焊接接头拉伸力学性能
Table3 Mechanical properties of DP1000 laser welding joints
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图3 不同冷却条件下焊接接头与母材性能对比
Fig.3 Properties comparison of base metal and welding-joints under different cooling conditions
将快冷与空冷焊接的拉伸断口分别进行分析. 典型拉伸试样断裂位置如图4所示，宏观断口观察发现两种冷却方式下焊接接头拉伸断口表面均没有光泽，断面有较明显的收缩，属于延性断裂. 而对拉伸断裂后的试件断裂位置进行观察可知，断裂均发生在焊接接头的热影响区；图5是两种冷却方式下拉伸断口的SEM形貌，从图中可以看出，空冷焊接试样的断口有明显的撕裂脊，其它部位为较深的撕裂孔以及浅浅的韧窝形貌，韧窝大小不均；而快冷焊接试样的拉伸断口为大小不等的韧窝，且韧窝较 深，说明快冷焊接试样的塑性优于空冷焊接试样.
图4 典型拉伸试样宏观断裂位置
Fig.4 Fracture location of a typical tensile sample
图5 典型焊接接头拉伸断口SEM形貌
Fig.5 Fracture morphology of typical tensile sample in SEM morphology with fast cooling and air cooling
图6 不同冷却条件焊接拉伸试验前后接头不同区域的尺寸(mm)
Fig.6 Size of sub-zones of welded joints before and after tensile test with two cooling conditions
对单向拉伸试验前后典型试样的焊接接头不同区域进行标定和测量(图6)发现，两种冷却状态下的试样在拉伸试验时均在热影响区发生了断后伸长，焊缝金属区、母材区的长度变化不显著；对拉伸试样不同区域拉伸前后断后伸长率进行标定的测量结果如表4所示. 从表中可以看到断后伸长率最大的部分均位于断裂侧的焊接热影响区，而在焊缝金属区以及两侧的母材区则变化较小，其数值均小于拉伸试样整体断后伸长率，尤其是两侧母材的断后伸长率均低于3%. 由此可以看出DP1000双相钢在焊接过程中塑性的降低主要是由于在整个焊接接头中不协调变形造成了试样整体断后伸长率的降低，而快冷焊接对接头断后伸长率的整体提高具有促进作用，尤其是对焊缝金属区以及两侧热影响区的断后伸长率提高较多，焊缝金属的断后伸长率提高了0.83%，而在断裂侧的热影响区，其断后伸长率提高了9.09%，提高幅度较大，可以预测快冷焊接可以有效增加焊接接头的塑性.
表4 两种冷却条件下拉伸试样不同亚区的断后伸长率(%)
Table4 Elongation of sub-zones of tensile specimens under two cooling conditions
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而两种冷却条件下的焊接热影响区(断裂侧和未断裂侧的平均值)的断后伸长率均高出母材的断后伸长率，但是由于接头的其它部位(如母材区和焊缝金属区)参与变形较小. 由此可判断出，由于焊接热影响区较软，塑性较好，而母材区以及焊缝金属区的硬度较大，从而强度较高，而使得变形主要集中在热影响区，其它部分很难参与到变形中去，从而造成了焊接接头整体塑性的下降.
2.2 焊接接头硬度分析
将快冷焊接和空冷焊接的焊接接头横截面硬度进行对比分析，其硬度分布如图7所示. 从图7可以看出，快冷焊接和空冷焊接的横截面硬度值变化趋势相同，都是从母材开始，先经历硬度的下降，随着与母材距离的增加，硬度值逐渐上升，然后迅速增加，焊接热影响区硬化区及焊缝金属区硬度有很大的提高，这两个区域硬度值比母材硬度值增大，整个焊接接头横截面硬度值出现类“W”形.
图7 两种冷却条件下焊接接头横截面硬度分布
Fig.7 Hardness distribution of welded joints crosssection with two cooling condition
对两种冷却条件下焊接接头的相同区域(比如焊接热影响区的硬化区、软化区等)进行对比发现，快冷焊接的硬度值明显高于空冷焊接，如在焊接接头的硬化区，快冷焊接焊缝金属区的硬度高达423 HV，而空冷焊接的最高硬度为396 HV.
——两个充气娃娃，一个是秦川的模样，一个是她的模样。他们毫不知情地走下流水线，然后神奇地邂逅。他们会在死去以前再一次订制两个充气娃娃，一个秦川，一个她，秦川与她邂逅，相知，相爱，相守……生命无休无止，爱情地老天荒。
两种冷却条件下焊接热影响区软化区的硬度有明显区别，快冷焊接软化区的最低硬度为261 HV，其软化率(硬度降低的比率)为18.5%(母材硬度平均值为320 HV)，而空冷焊接的最低硬度为224 HV，其软化率为30%，快冷焊接的软化率比空冷焊接的低11.5%. 对两种冷却条件下软化区的硬度进行分析可知，焊接热影响区Ac1线上的硬度值基本相同，都是270 HV左右，而在距离Ac3线相同距离的位置，两种冷却条件下的硬度值则存在着很大的区别，例如在距离Ac3线0.1 mm的位置，快速冷却条件下的硬度值为261 HV，而空冷焊接条件下的硬度值只有224 HV，同样，距离Ac3线0.4 mm的位置，快冷条件下的硬度值是293 HV，而空冷焊接的则为283 HV；除此之外，最重要的一点就是快冷条件下的焊接热影响区软化区的宽度比空冷焊接热影响区宽度窄很多，即快冷条件下的软化区宽度为0.6 mm，而空冷条件下的软化区宽度为1.4 mm.
总之热影响区软化区硬度的变化趋势是随着与Ac3线距离的增加(向母材侧移动)，硬度值逐渐增加，直到母材位置硬度达到原始值，这与文献[3]得出的结论是一致的，由此可见，快冷焊接对于改善焊接热影响区的软化有一定的促进作用，使得热影响区软化程度有所降低，从而使整个焊接接头的硬度变化较平缓，因此在拉伸过程中整个焊接接头的协调性增强，从而拉伸试样的抗拉强度和断后伸长率均有所增加.
2.3 焊接接头各亚区分析
2.3.1 热影响区亚区宽度分布
图8为快冷焊接和空冷焊接接头横截面宏观形貌. 从图8可以看出，空冷焊接和快冷焊接的焊缝金属区上表面宽度相差不大；但快冷焊接的热影响区宽度尤其是回火区宽度较空冷焊接的有较大下降，快冷焊接的回火区宽度仅为空冷焊接回火区宽度的一半左右，其它区域如不完全相变区、细晶区以及粗晶区等快冷焊接的也都较空冷焊接的相应区域窄. 由此可见，快冷焊接可以明显降低焊接热影响区的宽度，尤其是软化区(回火HAZ和不完全相变 HAZ)宽度，软化区宽度的下降有利于焊接接头在变形过程中的均匀化，从而获得更高的抗拉强度和断后伸长率，提高焊接接头的整体性能.
2.3.2 焊接接头及焊接HAZ亚区微观组织分析
从微观组织上看，快冷焊接接头相应的分区组织与空冷焊接类似，接头中不同区域的组织梯度很大，图9为两种冷却条件下焊接接头不同亚区的显微组织，从宏观上看，两种冷却条件下的焊接接头均由于经历了类似的焊接热循环，组织梯度变化相差不大，全部经历了从焊缝金属区到粗晶热影响区到细晶热影响区，再到不完全相变热影响区和回火热影响区的变化，而且组织特征变化亦不大，在回火热影响区中的组织主要为回火马氏体加原始铁素体组织，基本保持了母材的组织分布，马氏体呈岛状分布在铁素体基体上，但是其与母材的区别是该区域的马氏体发生了回复，组织中的岛状马氏体上有碳化物析出；而在不完全相变热影响区中的组织则有明显的再结晶特征，组织与母材中的组织存在有较大的差别，马氏体更加细小，呈小块状分布在铁素体周围，经TEM观察发现该区域出现了MA组元和贝氏体组织，由此降低了该区域的硬度值，造成了焊接热影响区的软化现象[10]；细晶区中存在有相对细小的等轴马氏体组织，以及少量被马氏体包围着的铁素体，此时的马氏体呈现出层片结构，为典型的板条马氏体形态，而铁素体仍然呈现块状，但是较不完全相变区中的铁素体块要细小，并且含量较少；而到了焊接热影响区的粗晶区，则完全由等轴马氏体组成，内部的铁素体已经完全消失，根据焊接冶金学知识可知，焊接热影响区的粗晶区在焊接热源的作用下，材料达到了1 350 ℃以上的高温，原始组织中的铁素体和马氏体转变成了奥氏体，在快速冷却过程中，奥氏体来不及长大及均匀化，则转变成为相对粗大的组织，而在激光焊接热源的快速冷却条件下，该区域形成了较为粗大的马氏体组织，造成了焊接热影响区的硬化区.
图8 两种冷却条件下焊接接头横截面形貌及亚区宽度分布
Fig.8 Welded joints cross section morphology and sub-zones width under two different cooling conditions
图9 两种冷却条件下焊接接头不同区域组织形貌
Fig.9 Microstructure of welding-joint"s sub-zone under two cooling conditions
上述介绍了两种冷却条件下焊接接头的相同点，但是快冷焊接与空冷焊接的焊接热影响区及焊缝金属相比还是有些差别，由于在快冷焊接条件下，增加了水作为冷却介质，因此其在相同部位的组织较细小一些，如图9a、图9b所示的同为焊接热影响区的回火区域，快冷焊接的马氏体回火析出的渗碳体较少，而在空冷焊接的渗碳体则较多，分析原因应该是在快冷条件下，冷却速度快，在回火温度区间停留时间短，有些碳化物来不及析出长大即达到了室温状态，所以快冷焊接的马氏体基本保持了母材的组织特征；而空冷焊接的冷却速度相对较小，因此其有相对较长的回火时间，析出了一定数量的碳化物. 又如图9c及图9d所示的同为焊接热影响区的不完全相变区，快冷焊接的组织较细小，块状的马氏体与空冷焊接的相比更多、更细，分布也更均匀；在HAZ的细晶区，快冷焊接的晶粒大小较均匀，而且内部的铁素体与空冷焊接相比也较少，如图9e和图9f所示；而到了焊接热影响区的粗晶区，此时组织完全转变为马氏体组织，从图9h和图9i中可以清晰的看到两种冷却条件下的原奥氏体晶界，从原奥氏体晶界中可以看出，快冷焊接时奥氏体晶粒较细小，而且分布也较均匀，而空冷焊接条件下的晶粒则较粗大，并且有长大倾向；而在图9j和图9k中的焊缝金属区中，两种冷却条件下的组织差别不是很大，都是垂直于热源方向的粗大的柱状晶形态.
3 结 论
(1) 快冷焊接接头强度和断后伸长率与空冷焊接相比略有增加.
根据中信所11月1日刚刚结束的“中国科技论文统计结果发布会”，《冶金分析》有7篇分别来自北京中实国金国际实验室能力验证研究中心、河北省出入境检验检疫局技术中心、天津地质矿产研究所、中国人民武警警察部队武警黄金地质研究所、涟源钢铁集团有限公司、吉林市环境监测站、江西省高等学校应用有机化学重点实验室等单位的稿件入选领跑者5000—中国精品科技期刊顶尖学术论文。入选度F5000论文的信息如下所示。
(2) 快冷焊接接头横截面的硬度比空冷焊接接头相同区域的硬度有所增加，而且快冷焊接热影响区宽度比空冷焊接热影响区宽度窄，快冷焊接的软化率比空冷焊接的软化率降低了11.5%.
①优：骨折完全愈合且功能正常，无痛、无畸形，生活自理能力同骨折前。②良：骨折愈合，无痛、无畸形，但存在10°～20°活动度之差，生活能自理。③可：骨折略有畸形愈合，无痛，功能有所恢复，生活可部分自理。④差：骨折愈合延迟，有疼痛感，功能受限，生活不能自理。
(3) 两种冷却条件下的焊接接头的不同亚区的组织变化趋势相同，分区明显，焊接接头均可以分为母材区、回火热影响区、不完全相变热影响区、细晶热影响区、粗晶热影响区和焊缝金属区；但两种冷却条件下相同区域的组织略有区别，快冷条件下的组织均较空气冷却条件下的组织细小、均匀.
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