1 引言
先进高强度钢（AHSS）是当今汽车行业发展最快的材料类别。DP钢作为先进高强度钢家族的一员，因具备高能量吸收能力，被广泛应用于汽车碰撞区域。在过去二十年，激光焊接作为汽车行业核心连接技术，凭借可提高生产效率、在不增加焊件冶金不均匀性的同时实现灵活接头设计的优势，得到了广泛应用。
为降低生产与运营成本、优化强度与硬度等性能，异种材料焊接的关注度日益提升。激光焊接具有热影响区小、热输入低、变形程度小等优点，在该领域潜力显著，因此受到更多关注。但焊接过程中会发生元素混合并可能形成新相，导致母材与接头存在差异，进而显著影响焊接材料的整体性能，如机械强度下降、疲劳性能变差。此外，异种材料焊接时，因母材的理化性质（如热膨胀系数、熔点、力学性能）不同，且可能形成金属间化合物，还会面临更多挑战。
焊接工艺热循环会改变双相钢的微观组织，使焊接接头形成熔合区与热影响区。由于加热与冷却速率较快，熔合区主要由马氏体构成，导致硬度显著升高；但在热影响区远离熔合线的位置，会出现软化区。鉴于软化区可能对力学性能产生不利影响，相关研究已广泛开展。已有研究指出两种与温度相关的软化机制：在回火温度下，马氏体回火并析出碳化物，引发软化；在临界区间温度下，马氏体转变为奥氏体，冷却后可能形成铁素体、贝氏体或残余奥氏体，导致最终马氏体含量减少，同样引发软化。软化程度受热输入与钢材牌号影响，例如DP980焊接接头因马氏体含量更高，其软化程度比DP600焊接接头更显著。
微观组织与力学性能的不均匀性会极大改变焊接部件的整体性能。有研究表明，与母材相比，接头极限抗拉强度可能降低或基本不变，屈服强度则可能升高；模拟结果显示，热影响区宽度与软化程度增加会导致接头极限抗拉强度下降；延伸率显著降低的现象也较为普遍。
拉伸断裂位置可能出现在母材或热影响区的软化区：热影响区越窄、软化程度越低、熔合区越宽，断裂越易发生在母材。不同研究结果的差异可能源于焊接参数不同，例如热输入增加会导致焊缝宽度增大。此外，双相钢焊接接头的疲劳性能也备受关注。有研究发现，接头几何形状对疲劳强度影响显著，且高应力幅值下疲劳断裂多发生在软化区，低应力幅值下则极少出现。
目前，双相钢激光焊接的相关研究多集中于母材厚度及拉伸性能相近的钢材，而不同材料/厚度组合的接头焊接仍面临挑战。因此，有必要通过分析焊接材料理解该技术，并重点研究焊接接头，尤其是不同材料与厚度组合的接头对力学性能的影响。本研究旨在表征激光焊接双相钢接头（含相同/不同材料与厚度组合），探究其对焊件静态与动态性能的影响，并对比不同焊件的微观组织与力学性能差异。
2 材料与方法
2.1材料与试样制备
本研究采用DP800与DP1000钢的冷轧方形管材（边长40mm），厚度分别为1.3mm与2.1mm。两种母材的化学成分与力学性能如表1所示，焊接接头由相同母材（相同/不同厚度）或不同母材（相同/不同厚度）构成，具体组合如表2所示。
本试验对三种类型不同、壁厚各异的管材进行了测试。对接焊缝采用单道单光束激光焊接工艺制备，所使用的设备为IPG光纤激光器（型号：YRL-15000，连续波模式），并搭配Precitec YW52光学系统；具体焊接参数详见表3，其中线能量为60J/mm。激光焊接过程中，激光束聚焦于焦点位置，光束角度为7°；同时通入纯度为99.998%的氩气作为保护气体，气体流量为18L/min，以隔绝周围空气对焊接区域的影响。待焊接的方管采用“零间隙”方式装夹固定，未进行额外的边缘预处理以提升装配精度。每组参数对应制备一条焊缝。为避免污染物影响焊接质量，焊接前需用乙醇对管材进行清洁处理。
管材焊接接头的典型外观如图1（a）所示；机械试验选用管材的1、3、4侧（焊缝位于2侧，见图1（b）），并按图1（b）所示顺序焊接，以减少后续变形影响。目视检测结果显示，所有焊缝外观良好，无表面裂纹、未熔合等可见缺陷。
2.2微观组织观察与机械试验
微观组织与显微硬度试验试样需经研磨、抛光后，用3%硝酸酒精溶液蚀刻以显露微观组织，随后通过尼康Eclipse MA200光学显微镜观察微观组织；维氏显微硬度试验在母材、热影响区与焊缝金属上进行，载荷500g，保载时间15s。
拉伸与疲劳试验试样按ASTM E466-96标准制备，尺寸如图2所示，焊缝位于标距中心。拉伸试验采用Instron伺服液压万能试验机，疲劳试验则在相同设备上进行（频率20Hz，应力比0.1）；疲劳断口表面通过JEOL JSM-IT300LV扫描电子显微镜观察。
3 试验结果
3.1焊接接头外观与显微硬度结果
观察不同焊接接头的横截面，结果发现，在相同焊接条件下，DP1000/1.3-DP1000/1.3与DP800/1.3-DP1000/1.3的焊缝中心呈凸起状，DP800/2.1-DP800/2.1与DP800/2.1-DP1000/1.3的焊缝中心为凹形，而DP800/1.3-DP800/1.3的焊缝中心平坦。这种差异源于夹紧过程中的轻微对中偏差（非名义零间隙），微小间隙会导致焊缝呈凹形。
以DP800/1.3-DP800/1.3焊接接头为例（不同接头特征相似），其包含熔合区、硬化区与软化区，如图3（a）所示。显微硬度试验显示（图3（b））：熔合区硬度约370HV，最高硬度出现在熔合区与硬化区边界；硬化区硬度下降，软化区硬度最低（约220HV）；从软化区到母材，硬度逐渐升高。
五种焊接接头的显微硬度分布如图4所示，均呈现“硬化区峰值、软化区谷值”的趋势：DP800/1.3-DP800/1.3与DP1000/1.3-DP1000/1.3的最低显微硬度为220-275HV，分别比对应母材低8%与20%；DP800/1.3-DP800/1.3的软化区宽度约0.49mm，窄于DP1000/1.3-DP1000/1.3（约0.75mm），这与已有研究“钢材强度等级越高，软化程度与软化区尺寸越大”的结论基本一致。此外，DP800/2.1-DP800/2.1的软化区（约0.54mm）宽于DP800/1.3-DP800/1.3，且熔合区硬度更高；异种材料组合的DP800/1.3-DP1000/1.3中，DP800侧软化区宽于DP1000侧。
3.2微观组织
观察焊接接头典型位置的光学显微照片，结果发现，不同焊缝金属区域可明确区分，且所有接头的特定区域微观组织与形态相似。因此，选取DP800/1.3-DP800/1.3与DP1000/1.3-DP1000/1.3作为代表进行分析。
DP800母材的微观特征为铁素体基体中分布马氏体岛；软化区由粗大铁素体晶粒与回火马氏体构成，对应硬度分布中的最低值；从软化区到熔合区，铁素体体积分数逐渐降低，表明部分铁素体发生转变；硬化区可见铁素体与马氏体，且靠近熔合区的晶粒更大；熔合区以板条马氏体为主，晶粒尺寸大于母材。
DP1000/1.3-DP1000/1.3的区域划分与DP800/1.3-DP800/1.3相似，但DP1000母材的马氏体体积分数更高；软化区铁素体体积分数低于母材；硬化区以不同晶粒尺寸的马氏体为主；熔合区为板条马氏体。
3.3拉伸试验结果
从焊件的工程应力-工程应变曲线可知，DP800/1.3-DP1000/1.3的曲线介于DP800/1.3-DP800/1.3与DP1000/1.3-DP1000/1.3之间。拉伸试验的平均结果如表4所示：DP800/1.3-DP800/1.3焊件的屈服强度、极限抗拉强度与断裂延伸率分别为701MPa、868MPa和7.9%，这一数值与DP800母材（屈服强度686MPa、极限抗拉强度815MPa、断裂延伸率7.9%）接近。DP800/2.1-DP800/2.1焊件的屈服强度为742MPa、极限抗拉强度为861MPa，与DP800母材及DP800/1.3-DP800/1.3焊件基本持平，但断裂延伸率更低。
对于DP1000/1.3-DP1000/1.3焊件，其屈服强度为883MPa，比母材高16%；极限抗拉强度为1034MPa，与DP1000母材相近，但断裂延伸率大幅降低。DP800/1.3-DP1000/1.3焊件的屈服强度略高于DP800母材，极限抗拉强度接近DP800/1.3-DP800/1.3焊件，但低于DP1000/1.3-DP1000/1.3焊件；其断裂延伸率介于DP800/1.3-DP800/1.3与DP1000/1.3-DP1000/1.3焊件之间。而DP800/2.1-DP1000/1.3焊件在所有焊件中屈服强度（955MPa）和极限抗拉强度（1075MPa）最高，但断裂延伸率最低（1.2%），这表明该焊件脆性较大，几乎无塑性变形便发生断裂。
值得注意的是，DP800/1.3-DP800/1.3、DP800/2.1-DP800/2.1与DP800/1.3-DP1000/1.3焊件的拉伸断裂均发生在母材，而DP1000/1.3-DP1000/1.3与DP800/2.1-DP1000/1.3焊件的断裂则出现在焊接接头。
3.4疲劳试验结果
在应力比R=0.1、频率20Hz、室温（RT）条件下获得的焊件疲劳试验结果如图5所示，设定106次循环为扭转极限，对应的应力水平目标为200MPa。结果显示，尽管数据点存在离散性（可能由焊接过程中引入的缺陷导致），但仍可观察到：在高应力和低应力水平下，DP800/2.1-DP800/2.1焊件的疲劳寿命均低于DP800/1.3-DP800/1.3焊件。对比这两种焊件发现，厚度较大（2.1mm）的组合数据离散性小于厚度较小（1.3mm）的组合。DP800/2.1-DP1000/1.3焊件的疲劳寿命在所有焊件中最低，其扭转应力低于200MPa。
疲劳极限如表4所示：DP800/1.3-DP800/1.3焊件的疲劳极限为348MPa，显著高于DP1000/1.3-DP1000/1.3（约210MPa）与DP800/1.3-DP1000/1.3（约210MPa）焊件。即便采用相同材料，DP800/2.1-DP800/2.1焊件的疲劳极限（221MPa）也低于DP800/1.3-DP800/1.3焊件。
所有类型焊件的疲劳断裂均发生在焊接接头，典型疲劳断裂位置如图6所示。
3.5断口分析
观察DP800/1.3-DP800/1.3焊件在最大应力626MPa下的疲劳断口扫描电子显微镜（SEM）图像，结果显示，断口存在多个裂纹萌生点，且均位于焊缝表面。此外，发现裂纹扩展区存在疲劳条纹，而裂纹扩展区的韧窝则表明该区域为塑性断裂。
观察DP1000/1.3-DP1000/1.3焊件在最大应力282MPa下的疲劳断口SEM图像，结果发现，裂纹从焊缝表面萌生，且表面存在杂质颗粒。裂纹扩展区可见疲劳条纹，断口表面明显的韧窝表明存在塑性断裂，同时也能观察到脆性断裂特征。
4 讨论
4.1微观组织演变
焊接接头中观察到的不同微观组织特征，可能是由于不同强度钢材的吸收特性不同，且材料几何形状导致热传导存在差异，进而使焊接过程中经历的热循环不同所致。熔合区中大量板条马氏体的形成，与焊接时输入的大量热量及后续快速冷却有关。从熔合区到母材，峰值温度逐渐降低，将热影响区划分为硬化区和软化区：硬化区经历的峰值温度高于Ac3（奥氏体化温度上限），母材中的马氏体在焊接过程中完全转变为奥氏体，冷却后又形成马氏体，且随着峰值温度向母材方向降低，硬化区的晶粒尺寸逐渐减小；随着与焊缝中心距离增加，峰值温度降至Ac3以下，进而形成软化区。在靠近硬化区的软化区，部分铁素体和马氏体转变为奥氏体，缓慢冷却后奥氏体又转化为马氏体和铁素体；而在远离熔合区的位置，温度未达到Ac1（奥氏体化温度下限），铁素体-马氏体组织中形成回火马氏体。
4.2力学性能
DP800/1.3-DP800/1.3与DP800/2.1-DP800/2.1焊件的断裂位置及母材拉伸性能表明，焊接接头对其影响不显著，这归因于软化区较窄且软化程度较低，窄软化区更易被周围组织约束，且较快的焊接速度、较低的激光功率等优化焊接参数，可缩小软化区范围并减弱其对强度的影响。
与上述两种焊件不同，DP1000/1.3-DP1000/1.3焊件的屈服首先发生在软化区（因其软化区显微硬度远低于母材），塑性变形随后集中于此，最终导致断裂发生在焊接接头，进而造成延伸率降低。DP800/2.1-DP1000/1.3焊件的断裂位置和拉伸性能，可能是由于DP800侧软化区较窄、软化程度较小，而DP1000侧软化区较宽所致；这也解释了为何DP800/1.3-DP1000/1.3焊件延伸率更高且断裂发生在母材，因其DP1000侧较宽的软化区在断裂前能承受更大应变，而DP800/2.1-DP1000/1.3焊件的软化区更窄。
拉伸与疲劳试验的断裂位置差异表明，窄软化区对拉伸性能无明显影响，但疲劳抗力对软化区的存在较为敏感。尽管有研究指出双相钢的疲劳强度随马氏体含量增加而提高，但本研究中DP1000/1.3-DP1000/1.3焊件的疲劳强度低于DP800/1.3-DP800/1.3焊件，这可能与焊缝表面存在氧化颗粒等缺陷有关。此外，焊缝凹陷也可能诱发疲劳裂纹，DP800/2.1-DP800/2.1焊件疲劳强度低于DP800/1.3-DP800/1.3焊件，便可能与焊缝凹陷有关。这些结果均表明，不仅软化区的存在，焊接过程中引入的缺陷对疲劳断裂也起着重要作用。
5 结论
本研究探究了相同/不同材料、不同厚度组合下，焊接接头的微观组织及焊接对拉伸、疲劳性能的影响，基于所得结果可得出以下结论：
1）五种焊接接头的显微硬度演变趋势一致，均表现为熔合区硬度最高、软化区硬度最低；但DP1000钢的软化程度比DP800钢更显著，且软化区尺寸更宽。
2）DP800钢焊接件的厚度差异（1.3mm与2.1mm）对拉伸性能无显著影响，断裂均发生在母材。
3）与母材的拉伸试验结果相比，DP1000/1.3-DP1000/1.3焊件的断裂延伸率大幅降低，且断裂发生在焊接接头。
4）DP800/1.3-DP1000/1.3焊件的断裂发生在母材，其屈服强度和极限抗拉强度与DP800/1.3-DP800/1.3焊件相近，但延伸率更低；DP800/2.1-DP1000/1.3焊件的断裂发生在焊接接头，在所有焊件中屈服强度和极限抗拉强度最高，但延伸率最低。
5）所有类型焊件的疲劳断裂均发生在焊接接头：DP800/1.3-DP800/1.3焊件在106次循环下的疲劳极限最高，而DP800/2.1-DP1000/1.3焊件最低；疲劳裂纹从焊缝表面萌生，凹陷和杂质的存在对疲劳强度有不利影响；厚度较小（1.3mm）的DP800焊件，其疲劳强度数据离散性大于厚度较大（2.1mm）的焊件。
