热成型工艺焊接性能研究

超高强热成型钢板的点焊工艺性能研究徐松，黄治军，孙宜强，胡宽辉，龚涛(武汉钢铁(集团)公司研究院，湖北武汉430080)摘要：对试验用超高强热成型钢的电阻点焊工艺进行了研究，探讨了焊接电流对点焊接头压痕深度、焊核直径、焊透率以及拉断力的影响规律，讨论了电流模式对点焊试样断裂点位置和中心偏析的影响，分析了焊接接头软化区、中心偏析的原因。研究结果表明，该钢种具有良好的点焊性能。关键词：超高强钢；热成型钢；点焊；接头软化随着对环境问题的重视和低油耗、低排放、高安全性的需求，汽车用钢向更轻、更高强度的方向发展。20世纪90年代开始，JFE公司开始。780MPa级别以上的超高强钢研究开发，应用于抗冲击和碰撞的汽车结构件，如加强筋、B柱等。高强钢板、超高强钢板成为汽车制造发展的主要方向[1-2]。由于电阻点焊具有生产效率高、易于实现自动化等优点，在汽车制造中被广泛应用，成为高强钢板的主要焊接方法[3]。超高强钢板的点焊性能研究目前国内较少；对Aroelor公司生产的超高强度硼钢板USIBOR1500进行的点焊研究，证明了USIBOR1500超高强度淬火钢板具有良好的点焊性能[4-5]。何谓热成型工艺？热成型工艺是将钢板加热到奥氏体温度区间(约900℃)进行热冲压，同时在模具内对冲压件快速冷却，淬火后得到细晶马氏体组织，从而可以得到抗拉强度达到1400MPa以上的钢板的工艺[6]。本文研究的超高强钢板为某钢厂试验热成型钢F5D1，探讨了焊接电流对点焊接头性能的影响规律；通过不同电流模式下的焊接，讨论了坡周电流预热钢板对点焊的作用；针对接头软化和焊缝中心偏析，进行了显微硬度和金相组织的分析，并提出了改善措施和后续研究方向。1试验材料及方法1．1试验材料试验材料为某钢厂试验钢F5D1，该钢种通过热压成形、强冷淬火来提高强度，金相组织为淬火细晶马氏体，成分及性能见表1。试验用的钢板厚度为1．5mm。1．2试验设备及方法试验所用的点焊机为三相次级整流直流焊机TZ-3×40，电极直径为6mm，采用DEP-100S编程器设置焊接参数进行点焊工艺试验。采用线切割的方法将点焊焊件沿过焊点中心的直线切割断面，随后将焊点断面试片经镶嵌后进行研磨、抛光，并用10％硝酸酒精溶液进行腐蚀，在金相显微镜下进行检测。在低倍下测量焊点的熔核直径以及焊透率。采用尖头千分尺测量试样的压痕深度。采用维氏硬度计在焊缝截面上进行显微硬度测量。点焊接头拉伸剪切试验参照GWS5一A标准，试样尺寸为20mm×140mm×1．5mm。2试验结果及分析对F5D1采用2组工艺进行了工艺优化试验，电极压力30kgf，每周次0．02s。一组采用基本电流模式进行点焊，焊接时间10周；一组采用Slope电流模式进行点焊。Slope模式下，电流在3周次内从0A线性递增到8400A，然后保持电流12周次。Slope模式下，前3周的电流对钢板有预热软化作用，在相同的电极压力下，钢板能更紧密的贴合，板面充分接触，电流更加稳定。2．1电流对压痕深度、熔核直径、焊透率及抗剪载荷的影响通过优化后的工艺参数试验，探讨了电流对焊接接头的性能影响，如图1所示。从图1(a)中可以看出，焊点的压痕深度随着焊接电流的增大，整体呈现出增加的趋势。但当电流达到某一临界值后，电流继续增大，压痕深度反而略微下降，并保持平稳趋势。从图1(b)、(c)中可以看出，焊点的熔核直径和焊透率随焊接电流的变化规律基本相似。随着电流的逐渐增加，焊点的熔核直径、焊透率都呈现出上升趋势。电流达到某一临界值后，熔核直径和焊透率反而随着电流的增加出现下降。当焊接电流过大，热输入过大，熔核生长膨胀过快，塑性环在电极强冷作用下，生长速度有限，熔核突破塑性环约束，一部分金属喷出飞溅，一部分金属在电极强冷作用下凝固，导致熔核直径、焊透率降低。从图1(d)中可以看出，焊点拉剪载荷随着焊接电流的逐渐增加，呈现出上升趋势。原因在于，随着焊接电流的增加，热输入量逐渐增大，在不产生飞溅的情况下，焊点金属熔化更为充分，熔核温度更高，钢中自带硅铝酸盐以及与板间缝隙空气反应生成的氮化物、氧化物质点热扩散更为充分、分布更为均匀，从而提高了焊点的抗剪载荷。此外，需特别提出的是，在Slpoe电流模式下焊接的试样，抗剪载荷试验中断裂点均在母材一侧，焊点四周破裂为“纽扣”状。基本电流模式下断裂点均在熔核处，熔核界面撕裂。这证明了，Slope模式下，坡周电流对钢板的预热软化作用能有效的控制断裂点位置，对抗剪载荷影响不大。2种模式下的抗剪载荷均在20kN左右，超过RMWA焊接标准中的A类参考抗剪强度(11．8kN)，能够满足实际生产中的强度需求。2．2金相组织分析不同电流强度、不同电流模式下，F5D1试样焊点金相组织基本类似，以淬火马氏体为主。选取其中1组金相分析，如图2所示。从图2(a)、(b)和(c)中可以看出，焊缝组织能看到明显的柱状晶，生长方向为板两侧指向两板中心接触线。点焊试样金相组织以马氏体为主，不完全正火区、回火区中除了主要的马氏体，还有少量的粒状贝氏体和回火索氏体。由于焊缝中心熔核温度最高，马氏体长大最为充分，焊缝组织最为粗大，其次分别为过热区、正火区、不完全正火区、回火区。从图2(d)中可知：由于F5D1为热压成型钢，原始组织为细晶马氏体，晶粒度小，在正火、回火过程中，马氏体长大不充分，组织细小。正火过程中，马氏体奥氏体化，在冷却过程中，部分奥氏体转变为马氏体，和剩余的高碳奥氏体组织形成“M-A”组织即粒状贝氏体。回火过程中，原始组织为淬火马氏体，晶体内位错等缺陷密度高，在回火过程中会发生回复再结晶。在高温回火过程中，Fe原子活动能力强，Fe原子可进行明显的扩散，马氏体分解生成铁索体，但由于回火时析出的碳化物颗粒作为第二相颗粒对晶界具有钉扎作用，阻碍铁素体的长大，粒渗碳体分布于铁素体基体上，从而得到细小粒状的回火索氏体。2．3焊缝中心偏析分析在所有点焊试样中，均出现细微的中心偏析，如图2中的截面宏观图。分别选取基本电流模式和Slope模式下2个点焊试样进行电子探针分析，分析结果如图3所示，其中图3(a)为基本电流模式点焊试样检测结果；图3(b)为Slope模式下点焊试样检测结果。从图3(a)中可以看出，焊缝中心偏析物为不规则多边形，大小约为3～4μm，沿中心线不连续分布，成分为氮化钛。原因主要是：无坡周电流预热的情况下，钢板强度高，电极压力不能保证两板完全压紧，板间间隙存在较多空气。焊接时，空气中的氮气与钢中所含钛发生反应，生成氮化钛，在熔核冷却过程中析出于焊缝中心。从图3(b)中可以看出，Slope模式下，未发现氧化物、氮化物偏析及裂纹延伸。焊缝中心夹杂物尺寸约为50μm，边界光滑，成分为硅铝酸盐。在坡周电流预热下，焊接前钢板软化，电极压力下钢板结合良好，焊接时残余空气很少，不与钢中合金元素发生反应，硅铝酸盐为钢中自带。2．4接头软化区分析选取基本电流模式和Slope模式下点焊试样各1个进行显微硬度测量，压头质量0．1kg，测量间距0．2mm。2．4．1显微硬度分析显微硬度点分布贯穿于母材、热影响区、熔核，分布位置及测量结果见图4。从图4中可以看出，2种模式下，硬度分布趋势基本一致，母材一侧硬度较大，硬度值稳定在HV500左右；距离焊缝中心3mm左右位置均存在明显软化区，硬度值大幅下降为HV300左右，软化区宽度约为0．2～0．4mm；靠近焊缝一侧，硬度值比母材硬度略低，硬度变化很小，保持在HV450左右。Slope模式的电流预热作用对于改善接头软化特性无明显作用。软化区的存在跟母材原始组织及冷却条件有关，跟焊前预热无关。2．4．2软化区金相组织针对软化区进行金相组织分析，讨论软化区形成原因及解决措施，软化区金相组织见图5。从图5中可以看出，软化区大致分为3个区，如图5(a)中b、c、d位置所示，从焊缝方向开始，分别为完全淬火区、不完全淬火区、不完全正火区+回火区。软化主要是因为焊接冷却速度较慢，不能保证马氏体的全部生成，出现了粒状贝氏体和回火索氏体。后续试验中可以考虑改善冷却条件，将接头热影响区全部控制在淬火状态下或降低回火区宽度和回火温度，保证生成淬火马氏体和回火马氏体，提高接头硬度。3结论超高强马氏体热压成形钢点焊性能良好，在适当电流和模式下，能得到较好性能的点焊接头，抗剪强度、断裂点位置均能满足实际生产需要；Slope模式下，试样焊接前坡周电流预热，钢板塑性变形增大，电极压力下两板结合紧密，能有效改善焊缝中心偏析，从而控制断裂点位置；淬火马氏体超高强钢进行电阻点焊时，2种电流模式下接头均存在软化区，软化区宽度约为0．2～0．4mm。淬火钢的回火过程伴随着回火马氏体或回火索氏体的生成，必然导致硬度下降。为减少或消除软化区，后续研究可以考虑从冷却条件着手。[参考文献][1]YouichiMUKAI．Thedevelopmentofnewhigh-strengthsteelsheetsforautomobiles[J]．KOBELCOTECHNOLOGYREVIEW．2005，26：26～31．[2]MATSUOKASaiji，ASEGWAKohei，TANAKAYasushi．Newly-developedultra-hightensilestrengthsteelswithexcellentformabilityandweldability[J]．JFETECHNICALREPORT，2007(12)：13～18．[3]HildithTB，SpeerJG，MatlockDk．Effectofsusceptibilitytointerracialfractureonfatiguepropertiesofspot-weldedhighstrengthsheet[J]．MaterialsandDesign，2007，25：2566～2576．[4]林建平，胡琦，王立影，等．USIBOR1500超高强度淬火钢板点焊性能研究[J]．中国工程机械学报，2007，5(3)[5]YONGJOONCHO，INSUNGCHANG，HEUIBOMLEE．Single-sidedresistancespotweldingforautobodyassembly[J]．WeldingJournal，2008(8)：26～29．[6]金泉君，李中兵，徐有忠，等．热压成型钢板焊接性能研究[J]．电焊机，2008，38(11)：15—17．优酷会员账号共享，迅雷会员账号分享，爱奇艺VIP会员共享账号