熱成形硼鋼激光焊接與電阻點(diǎn)焊接頭性能對(duì)比研究*

李海賓,陳 鎧,肖榮詩(shī),陳樹君

(1.北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院,北京 100124;2.北京工業(yè)大學(xué)汽車結(jié)構(gòu)部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部工程中心,北京 100124)

為了滿足汽車節(jié)能、環(huán)保、安全性等方面日益嚴(yán)格的要求,汽車制造企業(yè)不僅要提高高強(qiáng)鋼的使用比例,還要不斷提高所用高強(qiáng)鋼的強(qiáng)度。但隨著強(qiáng)度的增加,塑性和成形性能顯著下降,開裂、起皺、回彈、模具磨損和焊接等問題明顯增加,限制了更高強(qiáng)度的超高強(qiáng)鋼的使用[1-4]。硼鋼配合熱沖壓技術(shù)解決了強(qiáng)度和成形性能的矛盾。熱成形硼鋼零件具有超高強(qiáng)度(馬氏體組織)、成形精確(硼鋼在奧氏體溫度下成形性良好)的特點(diǎn),可避免高強(qiáng)度鋼冷成形的回彈問題,且制造成本相對(duì)較低。目前主要用于防止汽車碰撞過程中變形的加強(qiáng)件,其使用范圍及在車身用鋼中的比例正逐年擴(kuò)大[5]。

汽車車身制造中的三大工藝為成形、焊接和涂裝。熱成形硼鋼的成形問題已解決,下一個(gè)門檻就是焊接。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于熱成形硼鋼焊接的研究尚處于起步階段,主要是采用電阻點(diǎn)焊的方式。馬氏體鋼的電阻點(diǎn)焊工藝性能較難控制,會(huì)出現(xiàn)焊接窗口狹窄、電極磨損劇烈、飛濺嚴(yán)重等問題,采用中頻伺服點(diǎn)焊,效果有所改善[6-10]。而實(shí)際生產(chǎn)中,激光焊接正逐步取代電阻點(diǎn)焊,因?yàn)榧す夂附泳哂懈叩男?、更?yōu)異的性能、更少的材料消耗,還具有良好的可達(dá)性,為設(shè)計(jì)師的想象力和創(chuàng)造性提供了更大的空間[11]。但針對(duì)熱成形硼鋼這一特殊鋼種的激光焊接,目前國(guó)內(nèi)外的研究報(bào)道極為有限,僅有的也只停留在工藝參數(shù)的大略摸索上[12-13],尚未有人對(duì)熱成形硼鋼激光焊接性能與電阻點(diǎn)焊進(jìn)行系統(tǒng)的比較研究,進(jìn)而驗(yàn)證激光焊接用于熱成形硼鋼也能有“一貫的優(yōu)勢(shì)”。

1 對(duì)比試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為22MnB5,是最常用的熱成形硼鋼,其成分見表1。初始狀態(tài)為冷軋態(tài),經(jīng)熱成形后為淬火態(tài),組織為馬氏體(圖1)。

表1 22MnB5的化學(xué)成分

圖1 22MnB5熱成形后組織

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

電阻點(diǎn)焊設(shè)備為NIMAK機(jī)器人X型點(diǎn)焊鉗,配備SCM 012伺服壓力控制器和HWI 2008中頻控制柜。額定電極壓力7 kN,額定功率130 kVA。

激光焊接系統(tǒng)采用德國(guó)某公司生產(chǎn)的DC035 Slab CO2激光器,其工作波長(zhǎng) λ=10.6μm,光束直徑為17mm,額定輸出功率P=3500 W,光束模式為準(zhǔn)TEM00模,光束質(zhì)量特征參數(shù)K≥0.95,激光光束聚焦特征參數(shù)Kf=3.7mm?mrad。激光束經(jīng)鏡組傳輸,拋物面銅鏡聚焦,聚焦鏡焦距f=300mm,聚焦光斑半徑 ωf=0.13mm。運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用四軸CNC數(shù)控系統(tǒng)及平面工作臺(tái)。

1.3 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

接頭形式見圖2。

圖2 試板尺寸與接頭形式

試驗(yàn)摸索后確定采用恒壓焊接,焊接壓力 6 kN,預(yù)壓時(shí)間600ms,焊接時(shí)間400 ms,鍛壓時(shí)間200 ms。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)電流小于6 kA時(shí),焊核過小;電流大于9.5 kA時(shí),發(fā)生明顯飛濺。最后確定焊接電流為 6、6.5、7、8、8.8、9.5 kA 。激光焊接參數(shù)為:激光從上方垂直入射,離焦量為0mm,雙層保護(hù)氣體(內(nèi)層氦氣8 L/min,外層氬氣10 L/min),噴嘴與試樣成45°角側(cè)吹,噴嘴前端距試件H=10mm。光斑移動(dòng)軌跡為圓形,直徑9.6mm(即焊縫總長(zhǎng)為30mm)。激光功率恒定為3500 W,變化參數(shù)為光束移動(dòng)速度 :1、1.5、2、3 m/min 。

2 結(jié)果與討論

2.1 剪切拉伸

所有試樣焊縫(焊點(diǎn))成形良好,無(wú)明顯缺陷。在室溫下進(jìn)行單向靜載拉伸,激光焊接試樣全部從搭接界面處切開,電阻點(diǎn)焊6、6.5、7、8 kA 的試樣也從搭接處切開,8.8、9.5 kA的試樣呈“焊核拔出型”,見圖3。

圖3 剪切拉伸接頭斷裂形式

接頭最大抗剪力見圖4?？煽闯?隨著電流的增大,電阻點(diǎn)焊接頭抗剪力幾乎呈線性上升趨勢(shì);而激光焊接的接頭,其抗剪力隨焊接速度的提高而降低。分析原因:一是不同參數(shù)下,焊縫面積的變化;二是組織的差異。通過測(cè)量焊縫(焊核)的面積發(fā)現(xiàn):兩種焊接方法接頭抗剪力的變化與焊縫面積變化的趨勢(shì)是非常一致的(圖5)。計(jì)算得到激光焊接頭抗剪力與焊縫面積的相關(guān)度為0.96,電阻焊為0.97,即接頭抗剪力大小主要由焊縫(焊核)面積決定。

圖4 接頭最大抗剪力

為深入對(duì)比兩種焊接方式的效果,計(jì)算了接頭的抗剪切強(qiáng)度(即單位面積焊縫的抗剪力大小),結(jié)果見圖6。激光焊縫的抗剪切強(qiáng)度均高于電阻點(diǎn)焊,這是因?yàn)榧す夂附拥臒彷斎肓啃?焊縫組織細(xì)小,通過觀察金相組織可予以證實(shí)(圖7)。

2.2 顯微硬度及金相分析

對(duì)焊接電流7 kA的電阻點(diǎn)焊和光束移動(dòng)速度1 m/min的激光焊試樣分別進(jìn)行金相掃描電鏡觀察和顯微硬度測(cè)試,焊縫組織SEM圖像及硬度分布見圖7和圖8。

由圖7可看出,焊縫(焊核)依然為板條馬氏體。電阻焊核的馬氏體形態(tài)與母材相比,無(wú)太大變化;但激光焊縫的馬氏體板條明顯細(xì)化,這是激光焊縫抗剪切強(qiáng)度高于電阻焊核的主要原因。熱影響區(qū)(HAZ)均出現(xiàn)回火現(xiàn)象:馬氏體分解和碳化物析出,導(dǎo)致顯微硬度下降。

圖7 接頭金相SEM圖像

由圖8可看出,電阻焊核整個(gè)熔化區(qū)內(nèi)的硬度分布較平穩(wěn),約為500 HV,略高于母材;而激光焊縫內(nèi)的硬度分布呈“金字塔”形,最高硬度為517 HV。激光光斑很小,較電阻焊電極端面小一個(gè)數(shù)量級(jí),且激光是移動(dòng)熱源,電阻焊是瞬時(shí)生熱,因此,激光焊熔池的溫度梯度更大,各點(diǎn)經(jīng)歷的熱過程差異更明顯,導(dǎo)致激光焊縫各局部微觀組織間的差異比電阻焊核更大,顯微硬度變化大。由于一直受熱,回火時(shí)間長(zhǎng),激光環(huán)焊縫的中心成為四周軟化區(qū)的疊加區(qū)域,出現(xiàn)了最低硬度。

圖8 焊點(diǎn)顯微硬度分布

3 結(jié)論

(1)熱成形硼鋼的中頻伺服電阻點(diǎn)焊和CO2激光焊接均能獲得成形良好的接頭。電阻點(diǎn)焊的工藝窗口較窄,激光焊接參數(shù)可調(diào)節(jié)范圍較大。

(2)接頭最大抗剪力受焊縫面積影響很大,呈正相關(guān)。因激光焊縫的組織更細(xì)小,其抗剪切強(qiáng)度高于電阻焊核,熱影響區(qū)均出現(xiàn)回火軟化。

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