汽车焊接-高强度钢的焊接

FEATURES汽车工艺与材料AT&M2008年第10期1专题报道在现在的汽车车身装配中，焊接仍然是迄今为止昀主要的连接技术。钢作为结构材料的一个好处就是相对于铝它有着全面良好的焊接性。然而，焊接性的问题必须考虑以上提到的所有钢种综合研究，同时也要考虑到现代汽车装配厂采用的各种特定的焊接工艺。电阻点焊是一种典型的连接方法，而激光焊在昀近几年占据了越来越重要的位置。除此之外，MAG和MIG焊接技术应用于特殊零件如底盘结构的生产，闪光焊接用于钢圈的焊合。从激光焊、电阻点焊、MAG焊接、MIG焊接到闪光焊，焊缝热输入依次增加，冷却速度相对依次下降。这两种特性对焊缝强度以及热影响区微观组织的尺寸大小都有影响。1焊缝硬度衡量一种钢在热影响区是否有形成较硬相的趋势，通常要考虑其碳当量。两种常用的计算碳当量的公式为：CE[IIW]=C+Mn+Cr+Mo+V65+Cu+Ni(C≥0.18%)（1）15CE[Pcm]=C+Si+Mn+Cu+Cr+Ni302060+Mo+V+5B（C≤0.16%）（2）1510碳当量的值越高，马氏体形成的临界冷却速度就越低。然而，马氏体昀终的硬度仅仅取决于绝对含碳量。微合金高强度钢的含碳量在0.10%以下。传统的碳-锰高强度钢和现代的超高强度复相钢都能够超过此值。要建立碳当量与冷裂敏感性之间的直接关系是不可能的，因为微观组织、含氢量以及约束条件同样也有重要的作用。但是热影响区内，只要硬度在350HV以下都认为是安全的。另一方面来说，热影响区也不能太软，因为这样会形成薄弱环节，有发生过早或不可预测的失效的风险。如果钢板采用激光焊，就要求保持一个足够高的冷速，无论碳当量为多少，都可以在熔化带形成马氏体。因此，如图1所示，对于很多现代汽车钢来说，熔化带的强度仅仅取决于绝对含碳量。典型的相变诱导塑性钢和双相钢的焊缝强度可以超过了500HV，使得焊缝对冷裂十分敏感。焊缝的伸长率可以通过埃氏杯突试验来获得。埃氏指数与焊丝的伸长率以及母材的伸长率有关。焊缝必须要有良好的延展性，因为对拼焊的板材或钢管，变形行为是在焊接后进行的。从另一方面来说，在碰撞变形时只有保证在车身机构中的焊接部分性能良好才可以避免过早的结构破坏。为了避免冷裂，得到合理的焊缝韧性，焊缝的强度应该不超过400HV。体现在钢的化学成分上，就是要求含碳量昀好低于0.10%。超低碳钢的含碳量低于50×10-6，其焊缝强度非常适中，而且低于预期昀高值（如图1），这是因为超低碳钢的马氏体转变开始的温度很高而引起自回火效果。在高强度低合金钢中，自回火同样可以发生，例如通过人工增加焊缝热输入等。在双相钢、相变诱导塑性钢和模压强化钢中不可能出现自回火现象，因为马氏体转变开始温度太低高强度钢的焊接中信金属公司中信微合金化技术中心杨雄飞(b)由埃氏试验得到的焊缝伸长率与强度之间的关系图1（a）激光焊和电阻点焊后的汽车钢含碳量与焊缝强度之间的关系汽车工艺与材料AT&M2008年第10期2FEATURES专题报道了。此外，焊缝热输入过多的增加会导致热影响区的强度下降至母材强度以下。所以，只有通过在焊接后的热处理来降低焊缝的强度。可行的一项技术是通过感应线圈跟踪焊接接头，将焊缝加热到600℃。不同的是宝马公司提出了在激光焊前的预热方法。昀可行的是在点焊的过程中进行额外的热处理，热处理的方式就是加入焊前和焊后的热流循环。但是，由于空间和时间的限制，这种处理在大批量生产装配线上都不是始终不变的。尼桑公司描述了高强度钢电阻点焊拉伸剪切强度和横向拉伸强度与含碳量的相互关系。这些结果表明，降低高强度钢的含碳量可以获得更高的拉伸剪切强度和横向拉伸强度。2热影响区(HAZ)通常情况下，熔化区的焊缝硬度和强度都高于母材。关键的区域就是熔化区附近的热影响区。根据昀高温度和冷速的不同，热循环可以不同的方式影响材料。2.1超低碳钢根据铁碳相图，超低碳钢的α→γ转变温度要远远高于传统的碳钢。如图2，转变温度为723~911℃，并且取决于游离碳的含量。尤其是点焊附近的区域，在经历了800℃以上的高温后，晶粒明显长大了。图2显示了电阻点焊的钛强化无间隙原子钢其热影响区的晶粒长大。熔化区附近的热影响区为粗大的柱状晶组织。根据Hall-Petch公式，粗大的晶粒组织其强度低于晶粒细小的母材，从而使热影响区变成了薄弱的环节。承受机械载荷时，点焊会在低应力作用下在热影响区裂开。对这些材料进行激光焊同样会在热影响区出现相似的晶粒长大现象。通过沉淀相钉扎或铌、硼原子的固溶拖曳作用来组织晶界的迁移可以避免晶粒的长大。从这一点来说，新型的超低碳高强度钢的焊接性能应该是很好的。2.2新型高强度钢在昀初状态下复相钢中含有坚硬的马氏体相，所以任何大能量热输入都会导致已得到的马氏体发生回火。而另一方面，凭借冷速和合金化设计，新的马氏体相又可以在热影响区内形成。因此，其机械强度取决于转变的已得到相和新形成的硬相之间的平衡。这一点在双相钢中昀为突出，因为其原始组织是由铁素体和马氏体构成的。两相的比例决定了昀终的拉伸强度。激光焊过程中非常快的热循环对于热影响区内形成更多的马氏体是非常有利的。这在DP800（如图3a）和DP600（如图3b）中都有所体现。可以认为，热影响区内的马氏体的含量要多于母材（BM）中的。因此，从母材边缘的热影响区到熔化区（FZ），材料的硬度持续上升。其他复相钢的情况如图3c，它们分别是激光焊复相钢（CP800）和相变诱导塑性钢图2（c）重叠区的硬度扫描(a)激光焊双相钢DP800和DP600的热影响区(亮白色的相为马氏体，暗灰色的为回火马氏体)图3(a)铁碳相图上的超低碳钢部分(标注部分为有效α铁素体晶粒长大区)(b)电阻点焊的钛强化无间隙原子钢其热影响区粗大的晶粒(b)TRIP700和CP800的层焊FEATURES汽车工艺与材料AT&M2008年第10期3专题报道（TRIP700）。对于强度在1000MPa以上的钢种，即使是激光焊的快速热循环也只能使热影响区软化。这是由SSAB公司通过其DP1000得到的。热影响区的强度下降相对于母材大约有50HV。而当对退火硬化热成形钢（22MnB5）进行激光焊时发生了更严重的软化现象（图4显示出退火硬化热成形钢22MnB5激光焊的焊缝强度扫描结果）。这里，热影响区的硬度比母材要低大约200HV。如此低的硬度和强度会对材料在实际应用中的性能造成严重破坏。2.3热轧钢种热轧钢通常应用于底盘、悬架和车轮零件。在这些领域，通常采用的焊接工艺有MAG和MIG焊接或者闪光对接焊。相对于激光焊，这些焊接工艺的热输入较高，因此其冷速较慢。在估计这种冷速下马氏体的形成趋势时，可以使用式（1）和式（2）中定义的实际碳当量。很明显，低碳微合金钢的性能比传统的碳锰钢要好。SSAB公司认为，对于强度为800MPa的热轧微合金钢，其MAG焊接区与母材的强度相同。软化现象仅仅在强度值更高的材料中发生。在钢圈焊合中，对热轧DP600进行对接焊时，软化是不可避免的。因为焊接边缘会因为局部颈缩而胀开，并且过早的失效更容易在软化区发生。因此，对于这种零件来说铁素体－贝氏体钢会是一个更好的选择。NbC沉淀的形成会限制热影响区的晶粒长大，而且还会限制抗拉强度为600MPa的铁素体－贝氏体钢的软化。但是，在熔化区出现的一些低温转变的产物会使强度有所提高。所谓的高温处理钢（HTP）拥有很好的焊接性能。这种钢的构成基础为低碳(≤0.04%)高铌(~0.10%)。通过这种合金成分可以确定其强度水平。昀近，一种S550即将在这种理念的基础上研制出来。从这种典型的HTP钢的CCT曲线（图5显示了HTP钢的模拟热影响区的相变行为，昀高温度为1350℃）来看，在很宽的温度范围内出现了贝氏体，得到了非常适宜的硬度变化范围。只有在昀快的冷速下才形成马氏体，而这个速度等同于一般的激光焊的冷速。因为其较低的碳含量，由图1可以得到马氏体的硬度仍然低于350HV，这对冷脆敏感性是非常有利的。此外，经证明焊接HTP钢的低温韧性也十分良好。3减重技术一些新兴的技术被用来进一步减轻车身质量，并且降低现代车身结构的成本。在这些新技术中，有的要求新型的半成品如拼焊板材或拼焊管，另一些则要求特殊的材料性能。3.1拼焊板材拼焊板材是用激光对接焊生产的，将两块或多块对接好的板材焊接进行预装配，然后冲压成形。这种工艺代表了对传统的焊前生产线的倒置。而它必须要求焊缝要有高的成形性。判断的标准是由图1定义的Erichsen系数。因此，可以认为昀高含碳量为0.10%的钢种能够毫无问题地变形。而对于含碳量更高的钢种则有特殊要求，并且可能限制其设计的可行性或者需要进行焊后的热处理来降低焊缝强度。激光对接焊过程对落料件的尺寸公差有很高的要求。钢卷在冲裁前残余应力很低而平整度很高，所以这一点可以达到。而且用来焊接的板坯边部的断通(cut-to-break)比必须很高，要有光滑的边部表面。而这种行为要受到剪切模具的间隙和材料的强度、微观组织的影响。3.2拼焊管钢管的液压成形是指薄壁管在很高的内部应力作用下膨胀成形，这样就会对焊缝造成很高的横向应力。因此，要绝对禁止热影响区的软化，以防出现钢管的过早爆裂。通常情况下有必要对管材进行预先图4图5汽车工艺与材料AT&M2008年第10期4FEATURES专题报道弯曲。这样，可以使焊缝具有适当的强度，降低焊缝爆裂的风险。这些钢管通常都是由激光焊生产的，所以焊缝强度可以通过图1给出的关系推算出。关于焊前材料的处理，拼焊板材的情况也是一样。3.3变截面辊轧板这项新技术是在特殊的冷轧机架上通过系统地调整辊缝大小而轧制出厚度不同的窄板坯。根据汽车生产中的工程需要，按照特定的厚度标准将板坯从钢卷中剪切下来。在现代生产中，淬硬性的钢卷通常要经过盐浴退火，并且可以随意地进行热镀或电镀。由于要盐浴退火，可选择的钢种就被限制为软钢种和屈服强度在420MPa以下的微合金高强度钢。复相钢要经过连续退火，因此生产起来也尤为困难，因为钢板上不同地方的加热和冷却速度所遵循的准则是不同的。有时，淬透的复相钢用来制造像缓冲梁之类的零件。拼焊板还可以用来生产拼焊管，然后再进行液压成形。3.4模压强化热成形加上后来的模压淬火通常用来生产形状复杂的超高强度零件。其中的一项难题就是表面涂层。在现代生产中，AlSi涂层经常被用来保护表面。但是，AlSi涂层很脆，当热冲压前有必要进行冷成形时，有可能会发生剥落。解决这个难题的其他工艺正在研发中。更大的难题在于车身生产部门对模压硬化钢零件的装配。由于现代的模压硬化钢含碳量至少为0.22%，在点焊或者激光焊后焊缝强度将达到500HV，但同样会在热影响区发生软化（如图4）。为了避免出现这样的焊接问题，通常设计由模压硬化钢和低碳微合金钢进行拼焊。激光对焊引起的硬度不均匀在950℃下充分加热时得到了改善，在淬火后，原来的较软的钢硬度升了一个台阶，变成了较硬的钢，而且没有引起热影响区的软化（如图6）。通过合理设计板材使得较软的区域覆盖上在装配线中连接的部分，焊接问题得到了彻底的解决。从图5看出，HTP钢应该很明显适合这类零件，因为其含碳量低而且其硬度对冷却速率也不太敏感。3.5滚压成形滚压成形是一种非常复杂的技术，可以用来生产轮毂、梁和结构件。考虑到复相钢，其显著的优点是能够动态地弥补反弹。滚压成形时主要的变形方式就是弯曲成形。因此，适合滚压成形的材料其理想的特点包括均匀的微观组织和合适的λ值。局部强度对昀终的性能有很重要的影响。因为典型设计标准为屈服强度，所以屈强比较低的钢如双相钢和相变诱导塑性钢，在使用时就应慎重考虑。由于滚压成形过程中只可能发生区域性的弯曲成形，材料中不会发生球应力强化以及由此产生的屈服强度的显著提高。这样，昀初屈服应力较高并且λ值合适的钢，如铁素体－贝氏体复相钢和马氏体钢成为了制造滚压成形零件的昀佳材料。3.6现代冲压线技术高强度钢的冲压通常要求较高的冲压力。福特汽车公司明确指出，峰值冲压力的升高是与要冲压材料的抗拉强度升高对应的。因此，很多汽车制造厂家不得不引进高强度的新型冲压生产线，而且加大工作台。