TRIP780高強(qiáng)鋼的點(diǎn)焊工藝性能

王 威，張永強(qiáng)，劉興全，賈松青，章 軍

(首鋼技術(shù)研究院，北京 100043)

TRIP780高強(qiáng)鋼的點(diǎn)焊工藝性能

王 威，張永強(qiáng)，劉興全，賈松青，章 軍

(首鋼技術(shù)研究院，北京 100043)

對(duì)TRIP780高強(qiáng)鋼進(jìn)行一系列電阻點(diǎn)焊試驗(yàn)，對(duì)點(diǎn)焊部位進(jìn)行金相分析、顯微硬度分析、抗剪切試驗(yàn)和十字拉伸試驗(yàn)等分析手段。研究焊前預(yù)熱、焊后回火、焊接時(shí)間等工藝因素對(duì)TRIP鋼點(diǎn)焊焊點(diǎn)的優(yōu)化效力。焊前預(yù)熱工藝對(duì)焊點(diǎn)的組織和力學(xué)性能的影響較小，在合理范圍內(nèi)延長(zhǎng)焊接時(shí)間能有效地提高焊點(diǎn)的抗剪切性能，焊后回火工藝能有效地改善焊點(diǎn)的組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。確定其最佳點(diǎn)焊工藝參數(shù)為焊接電流6 000 A、焊接時(shí)間17 cyc、電極壓力5.0 kN、回火電流3 500 A、回火時(shí)間20 cyc。

TRIP780；電阻點(diǎn)焊；點(diǎn)焊工藝；焊后回火

0 前言

當(dāng)前，在全球面臨能源匱乏和環(huán)境污染的嚴(yán)重形勢(shì)下，汽車(chē)輕量化已成為汽車(chē)發(fā)展的主要方向，而采用先進(jìn)的高強(qiáng)度鋼板是在保證汽車(chē)安全性前提下實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化的有效途徑。相比于其他高強(qiáng)度成形鋼板，TRIP鋼具有更高的強(qiáng)度、塑性、應(yīng)變硬化指數(shù)等，成為汽車(chē)用鋼板的熱門(mén)材料[1-2]。但是，TRIP鋼具有較高的碳當(dāng)量，存在焊后硬化現(xiàn)象[3]，因此其焊接性一直受到汽車(chē)用戶(hù)密切關(guān)注。本研究對(duì)首鋼生產(chǎn)的冷軋TRIP780進(jìn)行了一系列點(diǎn)焊工藝和力學(xué)性能試驗(yàn)，探討了不同點(diǎn)焊工藝參數(shù)下TRIP780的焊接性能，確定了TRIP780合理的點(diǎn)焊規(guī)范參數(shù)范圍。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用首鋼生產(chǎn)的TRIP780，厚1.8 mm，化學(xué)成分如表1所示，力學(xué)性能如表2所示。

表1 TRIP780的化學(xué)成分%

表2 TRIP780的力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)方法

電阻點(diǎn)焊試驗(yàn)設(shè)備采用固定式交流凸焊機(jī)，型號(hào)為WDN-200，電極直徑7.5 mm。采用40 mm× 200mm的試件，長(zhǎng)度方向的搭接量為40mm。剪切試樣尺寸如圖1所示。

圖1 焊點(diǎn)抗剪試驗(yàn)和十字拉伸試驗(yàn)試樣尺寸

點(diǎn)焊實(shí)驗(yàn)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為某汽車(chē)廠的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，執(zhí)行參數(shù)如表3所示?？珊鸽娏鞣秶绫?所示，范圍為5 200～6 200 A，最優(yōu)點(diǎn)焊電流為6 000 A。

表3 TRIP780的點(diǎn)焊試驗(yàn)執(zhí)行參數(shù)

表4 TRIP780的可焊電流和熔核直徑

由于TRIP鋼的碳當(dāng)量較高，在點(diǎn)焊實(shí)驗(yàn)時(shí)容易在焊點(diǎn)位置出現(xiàn)焊接缺陷，采取新的點(diǎn)焊工藝優(yōu)化焊點(diǎn)質(zhì)量，TRIP780的點(diǎn)焊工藝參數(shù)如表5所示。

表5 TRIP780焊接工藝參數(shù)

點(diǎn)焊焊點(diǎn)試樣制備后，選取各個(gè)不同工藝參數(shù)制備標(biāo)準(zhǔn)金相試樣，腐蝕試液為4%硝酸酒精溶液，使用DM-4000M金相顯微觀察和照相設(shè)備采集顯微組織照片，并使用Leica HXHXD-1000TM型顯微硬度計(jì)采集顯微硬度數(shù)據(jù)。選取各個(gè)不同工藝參數(shù)制備圖1所示的剪切試樣和十字拉伸試樣，并在Zwick-Z100萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行剪切試驗(yàn)和十字拉伸試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 金相組織分析

對(duì)0號(hào)、1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)試樣的點(diǎn)焊焊點(diǎn)進(jìn)行金相觀察，其焊縫金相照片如圖2所示。

在點(diǎn)焊試樣熔核的升溫過(guò)程中，鐵素體組織首先奧氏體化，形成細(xì)小的奧氏體，馬氏體中的碳發(fā)生偏聚且分解，從過(guò)飽和的α固溶體中析出彌散的ε-碳化物。在降溫形成熔核時(shí)，由于快速過(guò)冷，奧氏體轉(zhuǎn)化成鐵素體，鐵素體中的碳化物分解，使得碳溶于鐵素體晶格之間，形成過(guò)飽和的α-Fe，即形成馬氏體。由圖2可知，點(diǎn)焊焊點(diǎn)的金相顯微組織均為馬氏體組織，1號(hào)、3號(hào)和4號(hào)試樣馬氏體組織較為均勻，有利于力學(xué)性能的提高；0號(hào)、2號(hào)和5號(hào)試樣中馬氏體較為粗大且不均勻，力學(xué)性能有所降低。經(jīng)過(guò)焊后回火能顯著優(yōu)化焊點(diǎn)的組織結(jié)構(gòu)。

2.2 顯微硬度分析

測(cè)試從一側(cè)板材的母材沿直線經(jīng)過(guò)熱影響區(qū)、焊縫、熱影響區(qū)到另一側(cè)母材，兩測(cè)試點(diǎn)之間距離為0.2mm，TRIP780點(diǎn)焊焊點(diǎn)的顯微硬分布如圖3所示。

由圖3可知，焊縫區(qū)域的顯微硬度最高，隨著與焊縫中心距離的增加，顯微硬度逐漸降低，各個(gè)試樣的顯微硬度曲線變化規(guī)律相同，且各個(gè)試樣的焊縫區(qū)域均未出現(xiàn)軟化點(diǎn)。由圖3a可知，增加焊后熱處理工藝后點(diǎn)焊焊縫和熱影響區(qū)的顯微硬度顯著降低，且硬度分布均勻，有效改善了點(diǎn)焊焊點(diǎn)的硬度分布狀況。由圖3b可知，增加焊前預(yù)熱工藝，有助于降低點(diǎn)焊焊點(diǎn)區(qū)域的顯微硬度，改善點(diǎn)焊焊點(diǎn)的硬度分布狀況。由圖3c可知，在焊接時(shí)間為17cyc時(shí)，點(diǎn)焊焊縫區(qū)域的硬度值較高，但是相較于焊接時(shí)間為10 cyc和20 cyc時(shí)，點(diǎn)焊焊點(diǎn)區(qū)域的顯微硬度分布比較均勻，處于較好的狀態(tài)，即在其他條件一定的情況下，焊接時(shí)間17 cyc是1.8 mm TRIP780的最優(yōu)焊接時(shí)間。

2.3 剪切試驗(yàn)分析

各種工藝參數(shù)條件下點(diǎn)焊焊點(diǎn)的剪切力試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4所示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，1號(hào)試樣點(diǎn)焊焊點(diǎn)的剪切力最大，0號(hào)試樣剪切力最小，由大到小的順序依次為：1號(hào)、3號(hào)、2號(hào)、5號(hào)、0號(hào)、4號(hào)。剪切力大小的決定因素為點(diǎn)焊焊點(diǎn)熔核的直徑大小。

圖2 TRIP780點(diǎn)焊焊點(diǎn)焊縫區(qū)的顯微組織(500×)

圖3 TRIP780點(diǎn)焊焊點(diǎn)的顯微硬度分布

對(duì)比0號(hào)、4號(hào)、5號(hào)試樣可以看出，在其他條件一定的情況下，隨著焊接時(shí)間的增加，焊點(diǎn)剪切力不斷提高。這是因?yàn)殡S著焊接時(shí)間的增加，焊接熱輸出量增加，熔核尺寸隨著內(nèi)部熱源發(fā)熱量的增加而穩(wěn)定增大，焊點(diǎn)剪切力不斷提高，達(dá)到最高后，由于焊接飛濺的出現(xiàn)，限制了熔核的進(jìn)一步長(zhǎng)大，從而影響了熔核的質(zhì)量，所以在焊接時(shí)間范圍內(nèi)，隨著焊接時(shí)間的增加，焊點(diǎn)剪切力不斷提高。

圖4 不同直徑的TRIP780點(diǎn)焊焊點(diǎn)剪切力對(duì)比

圖5 TRIP780點(diǎn)焊焊點(diǎn)十字拉伸強(qiáng)度對(duì)比

對(duì)比0號(hào)與1號(hào)、2號(hào)與3號(hào)試樣，在其他條件一定的情況下，對(duì)試樣增加焊后熱處理工序，能提高焊點(diǎn)的剪切力。這是因?yàn)樵黾雍负鬅崽幚砉ば?，能?xì)化焊縫組織，提高焊點(diǎn)的剪切力。

對(duì)比0號(hào)與2號(hào)、1號(hào)與3號(hào)試樣，在其他條件一定的情況下，對(duì)試樣增加焊前預(yù)熱工藝，對(duì)提高焊點(diǎn)的剪切力沒(méi)有明顯的影響。這是因?yàn)閷?duì)試樣進(jìn)行焊前預(yù)熱工藝，增加焊接時(shí)的溫度，而隨著溫度的升高試樣的電阻率增高，同時(shí)金屬的壓潰強(qiáng)度降低，使試樣的板材與板材、板材與電極間的接觸面增大，從而引起接觸電阻的減小，在這兩種矛盾因素的影響下，要正確分析焊前預(yù)熱工藝對(duì)焊點(diǎn)質(zhì)量的影響[4]。在不對(duì)試樣進(jìn)行焊后熱處理時(shí)，適當(dāng)?shù)脑黾雍盖邦A(yù)熱工藝，在熱輸出相同的條件下，能增加焊點(diǎn)內(nèi)部熱源的發(fā)熱量，提高焊點(diǎn)的熔核尺寸，提高焊點(diǎn)的剪切力。但是如果在增加焊后熱處理工藝的情況下，增加焊前預(yù)熱工藝，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)點(diǎn)焊過(guò)程中焊點(diǎn)因熱輸出過(guò)大而造成的過(guò)燒或者擊穿現(xiàn)象，所以這兩種工藝不宜在同一焊接過(guò)程中出現(xiàn)。

2.4 十字拉伸試驗(yàn)分析

點(diǎn)焊焊點(diǎn)的十字拉伸強(qiáng)度是代表焊點(diǎn)抗正向拉伸載荷能力的指標(biāo)之一，圖5為各種工藝參數(shù)條件下點(diǎn)焊焊點(diǎn)的正向拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)。1號(hào)和3號(hào)試樣焊點(diǎn)的十字拉伸強(qiáng)度較大，2號(hào)和5號(hào)試樣焊點(diǎn)的十字拉伸強(qiáng)度較小。

對(duì)比1號(hào)和3號(hào)試樣與0號(hào)試樣的十字拉伸強(qiáng)度可以看出，焊后的回火工藝能顯著提高焊點(diǎn)的正向拉伸性能，這是因?yàn)楹负蠡鼗鸸に嚰?xì)化了焊縫和熱影響區(qū)的馬氏體組織，使馬氏體組織處于細(xì)小均勻的狀態(tài)，從微觀結(jié)構(gòu)上改善焊點(diǎn)的正向拉伸性能。

對(duì)比2號(hào)和5號(hào)試樣與0號(hào)試樣的十字拉伸強(qiáng)度可以看出，焊前的預(yù)熱工藝和焊接時(shí)間的增加都顯著地降低了焊點(diǎn)的正向拉伸性能，這是因?yàn)楹盖暗念A(yù)熱和焊接時(shí)間的增加，均加大了焊接的熱輸出量，有利于焊縫及熱影響區(qū)的馬氏體再生長(zhǎng)，使馬氏體組織較為粗大，降低了焊點(diǎn)的正向拉伸性能。

對(duì)比0號(hào)、4號(hào)、5號(hào)試樣的十字拉伸強(qiáng)度可以看出，在其他條件一定的情況下，在未達(dá)到焊接時(shí)間上限的合理范圍內(nèi)，焊點(diǎn)的正向拉伸性能處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)焊接時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，焊接的熱輸出量過(guò)大，使焊縫及熱影響區(qū)的馬氏體組織較為粗大，降低了焊點(diǎn)的正向拉伸性能。

3 結(jié)論

(1)首鋼生產(chǎn)的1.8 mm TRIP780的最佳點(diǎn)焊工藝參數(shù)為焊接電流6 000 A、焊接時(shí)間17 cyc、焊接壓力5 kN、回火電流3 500 A、回火時(shí)間20 cyc。

(2)各種點(diǎn)焊工藝參數(shù)對(duì)TRIP780高強(qiáng)鋼板的焊點(diǎn)性能的影響各不相同：焊前預(yù)熱工藝對(duì)焊點(diǎn)的組織和力學(xué)性能的影響較小，在合理范圍內(nèi)延長(zhǎng)焊接時(shí)間能有效地提高焊點(diǎn)的抗剪切性能，焊后回火工藝能有效改善焊點(diǎn)的組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。

[1]葉 平，沈劍平，王光耀，等.汽車(chē)輕量化用高強(qiáng)度鋼現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)[J].機(jī)械工程材料2006，30(3)：427.

[2] Marra M，Gayden X Q.Development ofrequirements forresislall Oespot welding Dual-Phase(DP600)steels：Part1.The caues of interfacial fracture[J].Welding Journal，2005，84(11)：172-182.

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[4]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接方法與設(shè)備焊接手冊(cè)(第1卷，第2版)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002：328.

Study on resistance spot welding technology and properties of TRIP780 high strength steel

WANG Wei，ZHANG Yong-qiang，LIU Xing-quan，JIA Song-qing，ZHANG Jun
(Shougang Research Institute of Technology，Beijing 100043，China)

A series of resistance spot welding teachnology for TRIP780 high strength steel were researched.To find which parameters，such as welding preheating，postweld tempering and welding time，play an important role to resistance spot welding，metallographic analysis，microhardness，shear tests and cross tensile test were used in the study of the spot welding.The research and analysis conclusion as follows：welding preheating had little influence on the organization and the mechanics properties,welding time which in the reasonable scope could effectively improve the shear performance,postweld tempering could effectively improve the organizational structure and mechanics performance.It had determine the optimal parameters of the welding process，such as welding current was 6 000 A，welding time was 17 cyc，electrode′s pressure was 5.0 kN，tempering current was 3 500 A and tempering time was 20 cyc.

TRIP780；resistance spot welding；resistance spot welding technology；postweld tempering

TG453+.9

B

1001-2303(2011)10-0073-04

2011-04-27

王 威(1985—)，男，河南人，工程師，學(xué)士，主要從事汽車(chē)板焊接工藝設(shè)計(jì)工作。