熱成型工藝焊接性能研究

1、徐松，黃治軍，孫宜強(qiáng)，胡寬輝，龔濤(武漢鋼鐵(集團(tuán))公司研究院，湖北 武漢430080)摘 要：對試驗(yàn)用超高強(qiáng)熱成型鋼的電阻點(diǎn)焊工藝進(jìn)行了研究，探討了焊接電流對點(diǎn)焊接頭壓痕深度、焊核直徑、焊透率以及拉斷力的影響規(guī)律，討論了電流模式對點(diǎn)焊試樣斷裂點(diǎn)位置和中心偏析的影響，分析了焊接接頭軟化區(qū)、中心偏析的原因。研究結(jié)果表明，該鋼種具有良好的點(diǎn)焊性能。關(guān)鍵詞：超高強(qiáng)鋼；熱成型鋼；點(diǎn)焊；接頭軟化隨著對環(huán)境問題的重視和低油耗、低排放、高安全性的需求，汽車用鋼向更輕、更高強(qiáng)度的方向發(fā)展。20世紀(jì)90年代開始，JFE公司開始。780MPa級別以上的超高強(qiáng)鋼研究開發(fā)，應(yīng)用于抗沖擊和碰撞的汽車

2、結(jié)構(gòu)件，如加強(qiáng)筋、B柱等。高強(qiáng)鋼板、超高強(qiáng)鋼板成為汽車制造發(fā)展的主要方向1-2。由于電阻點(diǎn)焊具有生產(chǎn)效率高、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，在汽車制造中被廣泛應(yīng)用，成為高強(qiáng)鋼板的主要焊接方法3。超高強(qiáng)鋼板的點(diǎn)焊性能研究目前國內(nèi)較少；對Aroelor公司生產(chǎn)的超高強(qiáng)度硼鋼板USIBOR1500進(jìn)行的點(diǎn)焊研究，證明了USIBOR1500超高強(qiáng)度淬火鋼板具有良好的點(diǎn)焊性能4-5。何謂熱成型工藝？熱成型工藝是將鋼板加熱到奧氏體溫度區(qū)間(約900)進(jìn)行熱沖壓，同時(shí)在模具內(nèi)對沖壓件快速冷卻，淬火后得到細(xì)晶馬氏體組織，從而可以得到抗拉強(qiáng)度達(dá)到1400MPa以上的鋼板的工藝6。本文研究的超高強(qiáng)鋼板為某鋼廠試驗(yàn)熱成型鋼F

3、5D1，探討了焊接電流對點(diǎn)焊接頭性能的影響規(guī)律；通過不同電流模式下的焊接，討論了坡周電流預(yù)熱鋼板對點(diǎn)焊的作用；針對接頭軟化和焊縫中心偏析，進(jìn)行了顯微硬度和金相組織的分析，并提出了改善措施和后續(xù)研究方向。1試驗(yàn)材料及方法11  試驗(yàn)材料試驗(yàn)材料為某鋼廠試驗(yàn)鋼F5D1，該鋼種通過熱壓成形、強(qiáng)冷淬火來提高強(qiáng)度，金相組織為淬火細(xì)晶馬氏體，成分及性能見表1。試驗(yàn)用的鋼板厚度為15mm。12試驗(yàn)設(shè)備及方法試驗(yàn)所用的點(diǎn)焊機(jī)為三相次級整流直流焊機(jī)TZ-3×40，電極直徑為6mm，采用DEP-100S編程器設(shè)置焊接參數(shù)進(jìn)行點(diǎn)焊工藝試驗(yàn)。   采用線切割

4、的方法將點(diǎn)焊焊件沿過焊點(diǎn)中心的直線切割斷面，隨后將焊點(diǎn)斷面試片經(jīng)鑲嵌后進(jìn)行研磨、拋光，并用10硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕，在金相顯微鏡下進(jìn)行檢測。在低倍下測量焊點(diǎn)的熔核直徑以及焊透率。采用尖頭千分尺測量試樣的壓痕深度。采用維氏硬度計(jì)在焊縫截面上進(jìn)行顯微硬度測量。點(diǎn)焊接頭拉伸剪切試驗(yàn)參照GWS5一A標(biāo)準(zhǔn)，試樣尺寸為20mm×140mm×15mm。2試驗(yàn)結(jié)果及分析對F5D1采用2組工藝進(jìn)行了工藝優(yōu)化試驗(yàn)，電極壓力30kgf，每周次002s。一組采用基本電流模式進(jìn)行點(diǎn)焊，焊接時(shí)間10周；一組采用Slope電流模式進(jìn)行點(diǎn)焊。Slope模式下，電流在3周次內(nèi)從0 A線性遞增到8400A，然

5、后保持電流12周次。Slope模式下，前3周的電流對鋼板有預(yù)熱軟化作用，在相同的電極壓力下，鋼板能更緊密的貼合，板面充分接觸，電流更加穩(wěn)定。21  電流對壓痕深度、熔核直徑、焊透率及抗剪載荷的影響通過優(yōu)化后的工藝參數(shù)試驗(yàn)，探討了電流對焊接接頭的性能影響，如圖1所示。從圖1(a)中可以看出，焊點(diǎn)的壓痕深度隨著焊接電流的增大，整體呈現(xiàn)出增加的趨勢。但當(dāng)電流達(dá)到某一臨界值后，電流繼續(xù)增大，壓痕深度反而略微下降，并保持平穩(wěn)趨勢。從圖1(b)、(c)中可以看出，焊點(diǎn)的熔核直徑和焊透率隨焊接電流的變化規(guī)律基本相似。隨著電流的逐漸增加，焊點(diǎn)的熔核直徑、焊透率都呈現(xiàn)出上升趨勢。電流達(dá)到某一

6、臨界值后，熔核直徑和焊透率反而隨著電流的增加出現(xiàn)下降。當(dāng)焊接電流過大，熱輸入過大，熔核生長膨脹過快，塑性環(huán)在電極強(qiáng)冷作用下，生長速度有限，熔核突破塑性環(huán)約束，一部分金屬噴出飛濺，一部分金屬在電極強(qiáng)冷作用下凝固，導(dǎo)致熔核直徑、焊透率降低。從圖1(d)中可以看出，焊點(diǎn)拉剪載荷隨著焊接電流的逐漸增加，呈現(xiàn)出上升趨勢。原因在于，隨著焊接電流的增加，熱輸入量逐漸增大，在不產(chǎn)生飛濺的情況下，焊點(diǎn)金屬熔化更為充分，熔核溫度更高，鋼中自帶硅鋁酸鹽以及與板間縫隙空氣反應(yīng)生成的氮化物、氧化物質(zhì)點(diǎn)熱擴(kuò)散更為充分、分布更為均勻，從而提高了焊點(diǎn)的抗剪載荷。此外，需特別提出的是，在Slpoe電流模式下焊接的試樣，抗剪載荷

7、試驗(yàn)中斷裂點(diǎn)均在母材一側(cè)，焊點(diǎn)四周破裂為“紐扣”狀?；倦娏髂Ｊ较聰嗔腰c(diǎn)均在熔核處，熔核界面撕裂。這證明了，Slope模式下，坡周電流對鋼板的預(yù)熱軟化作用能有效的控制斷裂點(diǎn)位置，對抗剪載荷影響不大。2種模式下的抗剪載荷均在20kN左右，超過RMWA焊接標(biāo)準(zhǔn)中的A類參考抗剪強(qiáng)度(118kN)，能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)中的強(qiáng)度需求。22金相組織分析不同電流強(qiáng)度、不同電流模式下，F(xiàn)5D1試樣焊點(diǎn)金相組織基本類似，以淬火馬氏體為主。選取其中1組金相分析，如圖2所示。從圖2(a)、(b)和(c)中可以看出，焊縫組織能看到明顯的柱狀晶，生長方向?yàn)榘鍍蓚?cè)指向兩板中心接觸線。點(diǎn)焊試樣金相組織以馬氏體為主，不完全正火區(qū)

8、、回火區(qū)中除了主要的馬氏體，還有少量的粒狀貝氏體和回火索氏體。由于焊縫中心熔核溫度最高，馬氏體長大最為充分，焊縫組織最為粗大，其次分別為過熱區(qū)、正火區(qū)、不完全正火區(qū)、回火區(qū)。從圖2(d)中可知：由于F5D1為熱壓成型鋼，原始組織為細(xì)晶馬氏體，晶粒度小，在正火、回火過程中，馬氏體長大不充分，組織細(xì)小。正火過程中，馬氏體奧氏體化，在冷卻過程中，部分奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，和剩余的高碳奧氏體組織形成“M-A”組織即粒狀貝氏體?；鼗疬^程中，原始組織為淬火馬氏體，晶體內(nèi)位錯(cuò)等缺陷密度高，在回火過程中會發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶。在高溫回火過程中，F(xiàn)e原子活動(dòng)能力強(qiáng)，F(xiàn)e原子可進(jìn)行明顯的擴(kuò)散，馬氏體分解生成鐵索體，但由于

9、回火時(shí)析出的碳化物顆粒作為第二相顆粒對晶界具有釘扎作用，阻礙鐵素體的長大，粒滲碳體分布于鐵素體基體上，從而得到細(xì)小粒狀的回火索氏體。23  焊縫中心偏析分析在所有點(diǎn)焊試樣中，均出現(xiàn)細(xì)微的中心偏析，如圖2中的截面宏觀圖。分別選取基本電流模式和Slope模式下2個(gè)點(diǎn)焊試樣進(jìn)行電子探針分析，分析結(jié)果如圖3所示，其中圖3(a)為基本電流模式點(diǎn)焊試樣檢測結(jié)果；圖3(b)為Slope模式下點(diǎn)焊試樣檢測結(jié)果。從圖3(a)中可以看出，焊縫中心偏析物為不規(guī)則多邊形，大小約為34 m，沿中心線不連續(xù)分布，成分為氮化鈦。原因主要是：無坡周電流預(yù)熱的情況下，鋼板強(qiáng)度高，電極壓力不能保證兩板完全壓緊

10、，板間間隙存在較多空氣。焊接時(shí)，空氣中的氮?dú)馀c鋼中所含鈦發(fā)生反應(yīng)，生成氮化鈦，在熔核冷卻過程中析出于焊縫中心。從圖3(b)中可以看出，Slope模式下，未發(fā)現(xiàn)氧化物、氮化物偏析及裂紋延伸。焊縫中心夾雜物尺寸約為50m，邊界光滑，成分為硅鋁酸鹽。在坡周電流預(yù)熱下，焊接前鋼板軟化，電極壓力下鋼板結(jié)合良好，焊接時(shí)殘余空氣很少，不與鋼中合金元素發(fā)生反應(yīng)，硅鋁酸鹽為鋼中自帶。24接頭軟化區(qū)分析選取基本電流模式和Slope模式下點(diǎn)焊試樣各1個(gè)進(jìn)行顯微硬度測量，壓頭質(zhì)量01kg，測量間距02mm。241顯微硬度分析顯微硬度點(diǎn)分布貫穿于母材、熱影響區(qū)、熔核，分布位置及測量結(jié)果見圖4。從圖4中可以看出，2種模式

11、下，硬度分布趨勢基本一致，母材一側(cè)硬度較大，硬度值穩(wěn)定在HV500左右；距離焊縫中心3mm左右位置均存在明顯軟化區(qū)，硬度值大幅下降為HV300左右，軟化區(qū)寬度約為0204mm；靠近焊縫一側(cè)，硬度值比母材硬度略低，硬度變化很小，保持在HV450左右。Slope模式的電流預(yù)熱作用對于改善接頭軟化特性無明顯作用。軟化區(qū)的存在跟母材原始組織及冷卻條件有關(guān)，跟焊前預(yù)熱無關(guān)。242軟化區(qū)金相組織針對軟化區(qū)進(jìn)行金相組織分析，討論軟化區(qū)形成原因及解決措施，軟化區(qū)金相組織見圖5。從圖5中可以看出，軟化區(qū)大致分為3個(gè)區(qū)，如圖5(a)中b、c、d位置所示，從焊縫方向開始，分別為完全淬火區(qū)、不完全淬火區(qū)、不完全正火區(qū)

12、+回火區(qū)。軟化主要是因?yàn)楹附永鋮s速度較慢，不能保證馬氏體的全部生成，出現(xiàn)了粒狀貝氏體和回火索氏體。后續(xù)試驗(yàn)中可以考慮改善冷卻條件，將接頭熱影響區(qū)全部控制在淬火狀態(tài)下或降低回火區(qū)寬度和回火溫度，保證生成淬火馬氏體和回火馬氏體，提高接頭硬度。3結(jié)論超高強(qiáng)馬氏體熱壓成形鋼點(diǎn)焊性能良好，在適當(dāng)電流和模式下，能得到較好性能的點(diǎn)焊接頭，抗剪強(qiáng)度、斷裂點(diǎn)位置均能滿足實(shí)際生產(chǎn)需要；Slope模式下，試樣焊接前坡周電流預(yù)熱，鋼板塑性變形增大，電極壓力下兩板結(jié)合緊密，能有效改善焊縫中心偏析，從而控制斷裂點(diǎn)位置；淬火馬氏體超高強(qiáng)鋼進(jìn)行電阻點(diǎn)焊時(shí)，2種電流模式下接頭均存在軟化區(qū)，軟化區(qū)寬度約為0204mm。淬火鋼的回

13、火過程伴隨著回火馬氏體或回火索氏體的生成，必然導(dǎo)致硬度下降。為減少或消除軟化區(qū)，后續(xù)研究可以考慮從冷卻條件著手。參考文獻(xiàn)1  Youichi MUKAIThe development of new high-strength steel sheets for automobilesJKOBELCO TECHNOLOGY REVIEW2005，26：26312  MATSUOKA Saiji，ASEGWA Kohei，TANAKA YasushiNewly-developed ultra-high tensile strength steels

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