新型雙相高強(qiáng)鋼點(diǎn)焊接頭拉剪力學(xué)性能與組織分析

賀優(yōu)優(yōu) 劉偉杰

新型雙相高強(qiáng)鋼點(diǎn)焊接頭拉剪力學(xué)性能與組織分析

賀優(yōu)優(yōu)1，2劉偉杰1

(1．東北大學(xué)研究總院，沈陽110819;2．沈陽工業(yè)大學(xué)化工裝備學(xué)院，沈陽110870)

以新型雙相高強(qiáng)鋼為研究對象，采用不同的工藝參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)，并對點(diǎn)焊接頭進(jìn)行拉伸測試，分析各因素對電阻點(diǎn)焊質(zhì)量的影響;然后對點(diǎn)焊接頭金相組織進(jìn)行觀察，分析新型雙相高強(qiáng)鋼點(diǎn)焊接頭的失效模式和接頭金相組織特征。結(jié)果表明，點(diǎn)焊接頭抗剪載荷的最優(yōu)工藝參數(shù)為:焊接電流8 kA，焊接時(shí)間15 cyc，電極力2 kN，此時(shí)點(diǎn)焊接頭的最大剪切力達(dá)到最大值。優(yōu)質(zhì)焊點(diǎn)在拉剪試驗(yàn)中最先從熔核邊界附近開裂，隨后延伸至母材部分，直至點(diǎn)焊接頭全部斷開。

高強(qiáng)鋼 電阻點(diǎn)焊 正交試驗(yàn) 力學(xué)性能

0 序 言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和對環(huán)境問題的重視，汽車輕量化已成為現(xiàn)代汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢，即采用優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手段與先進(jìn)的輕量化材料相結(jié)合的方法，達(dá)到減重、減耗同時(shí)兼顧環(huán)保與安全的目的［1－6］。熱沖壓鋼具有良好的成形性能和較高的成形強(qiáng)度，在提高車身的碰撞安全性和減輕車重方面具有顯著的效果，目前已迅速發(fā)展成為輕量化汽車材料之一，主要用于汽車的A柱，B柱，前后保險(xiǎn)杠，車窗加強(qiáng)筋，地板通道和車頂側(cè)梁等［7－11］。傳統(tǒng)熱沖壓鋼22MnB的顯微組織為馬氏體，抗拉強(qiáng)度可以高達(dá)1 500 MPa，但斷后伸長率通常僅為6%，強(qiáng)塑積(靜態(tài)韌度)僅為9GPa%，無法滿足某些汽車零部件對防撞性能的要求，從而限制了熱沖壓鋼在汽車制造領(lǐng)域的發(fā)展［12］。課題組近期開發(fā)的先進(jìn)熱沖壓鋼為由馬氏體基體和在其中彌散分布的膜狀殘余奧氏體相組成的復(fù)相鋼，具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，其強(qiáng)塑積可以達(dá)到20GPa%以上［13］。但是目前對此新鋼種的焊接，特別是點(diǎn)焊的性能和工藝還缺乏充分的研究。

文中以先進(jìn)熱沖壓鋼為研究對象，通過對點(diǎn)焊工藝參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，確定了最優(yōu)焊接工藝參數(shù)，并研究不同因素對焊接性能的影響大小。通過對點(diǎn)焊接頭的失效模式和金相分析，從微觀組織方面研究了先進(jìn)熱沖壓鋼點(diǎn)焊接頭的焊接性能。

1 試驗(yàn)條件和方法

1．1 試驗(yàn)材料和裝置

點(diǎn)焊試驗(yàn)的材料為自制的先進(jìn)熱沖壓鋼，其化學(xué)成分見表1。點(diǎn)焊設(shè)備采用駿騰發(fā)公司的DTN－35微機(jī)氣動(dòng)式交流點(diǎn)焊機(jī)，此點(diǎn)焊機(jī)采用VB－0．12/8型空氣壓縮機(jī)作為壓力源。電極采用錐形電極，材料為鉻鋯銅合金，電極端頭直徑為5 mm。

表1 試件化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1．2 試驗(yàn)方法

1．2．1 點(diǎn)焊試驗(yàn)

試驗(yàn)鋼經(jīng)多道次熱軋和冷軋被軋成厚度為1 mm的薄鋼板。點(diǎn)焊試樣按照GB2651—2008《焊接接頭拉伸實(shí)驗(yàn)方法》所規(guī)定的點(diǎn)焊接頭抗剪試樣形狀和尺寸的要求制作，具體尺寸如圖1所示。

生產(chǎn)實(shí)際中，成品鋼板需要采用熱沖壓成形的方法制成汽車零部件，然后才進(jìn)行點(diǎn)焊連接，因此點(diǎn)焊試驗(yàn)之前，試樣要經(jīng)過淬火處理，先加熱到950℃，保溫5 min，水冷至室溫。點(diǎn)焊選擇L9(34)正交表安排試驗(yàn)，考慮三個(gè)工藝參數(shù)變化:焊接電流，焊接時(shí)間和電極力，采用3因素3水平的正交試驗(yàn)表，共需要進(jìn)行9個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)的試驗(yàn)，不同水平對應(yīng)的數(shù)值見表2。點(diǎn)焊之前試件統(tǒng)一用砂紙打磨，并用丙酮清洗工件表面以去除氧化物和油污，從而獲得小而均勻的接觸電阻。將試樣搭接后進(jìn)行電阻點(diǎn)焊試驗(yàn)，合格點(diǎn)焊接頭照片示如圖2所示。

圖1 點(diǎn)焊工件形狀及尺寸

圖2 合格點(diǎn)焊接頭

表2 因子水平編碼

1．2．2 拉伸試驗(yàn)

點(diǎn)焊接頭的最大剪切力試驗(yàn)在萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸速度為1 mm/min，試驗(yàn)溫度為室溫。在進(jìn)行力學(xué)拉伸試驗(yàn)時(shí)，為了避免因兩板疊加而產(chǎn)生的附加力矩，在試樣的夾持部分補(bǔ)加了與試樣厚度相同的墊片，如圖3所示。

1．2．3 金相試驗(yàn)

將點(diǎn)焊好的試樣用線切割沿焊點(diǎn)中心切開，再經(jīng)鑲嵌、打磨、拋光等處理，形成鑲嵌試樣;之后用4%的硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕，通過金相顯微鏡觀察金相試樣的微觀組織。

圖3 拉伸試驗(yàn)裝夾示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2．1 抗剪強(qiáng)度分析

9組點(diǎn)焊接頭的最大剪切力結(jié)果以及其極差分析結(jié)果見表3。根據(jù)表3可知，因素I(焊接電流)對應(yīng)的3水平最優(yōu)，因素t(焊接時(shí)間)對應(yīng)的2水平最優(yōu)，因素Fw(電極力)對應(yīng)的1水平最優(yōu)，即焊接電流8 kA，焊接時(shí)間15 cyc，電極力2 kN時(shí)，點(diǎn)焊接頭的最大剪切力達(dá)到最大值，即正交試驗(yàn)中的第8組參數(shù)為最優(yōu)參數(shù)，其對應(yīng)的點(diǎn)焊接頭的最大剪切力為17．011 kN，在9組正交試驗(yàn)中最大。說明通過正交試驗(yàn)的極差分析法可以很好的實(shí)現(xiàn)點(diǎn)焊工藝參數(shù)的優(yōu)化。極差R的大小可以判定出各因素對最大剪切力影響程度的大小，判定標(biāo)準(zhǔn)為:計(jì)算出的極差R越大，此極差值所對應(yīng)的試驗(yàn)因素對試驗(yàn)結(jié)果的影響越大。依據(jù)表3可知，因素I對應(yīng)的極差最大，說明焊接電流對試驗(yàn)鋼點(diǎn)焊接頭的最大剪切力影響最大，電極力次之，焊接時(shí)間的影響最小。

表3 點(diǎn)焊接頭最大剪切力極差分析計(jì)算

2．2 點(diǎn)焊接頭失效模式分析

試驗(yàn)鋼點(diǎn)焊接頭經(jīng)過拉伸后，共產(chǎn)生如圖4所示的4種斷裂形式，其中第1，2，3，5組試件的斷裂模式如圖4a所示，即沿著熔核中心撕裂，屬于界面斷裂;第4，6組試件斷裂模式如圖4b所示，一片上有圓孔，另一片上有凸臺(tái)，凸臺(tái)邊緣有明顯的傾斜，可看出斷裂先沿熔核中心撕裂，之后拔出熔核，屬于部分熔核拔出;第7，9組試件的斷裂模式如圖4c所示，在兩片母材上均出現(xiàn)圓孔，熔核部分幾乎脫落，屬于完全熔核拔出;第8組試件的斷裂模式如圖4d所示，最先從熔核邊界附近開裂，隨后延伸至母材部分，直至點(diǎn)焊接頭全部斷開，屬于延伸至母材斷裂。

圖4 點(diǎn)焊接頭斷裂形式

結(jié)合表3中的點(diǎn)焊參數(shù)及接頭最大拉剪力值，發(fā)現(xiàn)隨著焊接電流的增加，接頭的最大拉剪力增大，接頭最大剪切力較小時(shí)，接頭的斷裂模式為界面斷裂，隨著接頭最大剪切力的不斷增大，接頭的斷裂模式依次變?yōu)椴糠秩酆税纬?、熔核完全拔出、延伸至母材斷裂。其中界面斷裂模式的點(diǎn)焊接頭視為不合格。

2．3 顯微組織分布

圖5為試驗(yàn)鋼電阻點(diǎn)焊試樣接頭的宏觀形貌，由焊核區(qū)(NZ)，熱影響區(qū)(HAZ)和母材(BM)三部分組成。其中，沿著峰值溫度漸低的方向，熱影響區(qū)可細(xì)分為過熱區(qū)(粗晶區(qū))、細(xì)晶區(qū)、部分相變區(qū)(兩相區(qū))、回火區(qū)等。

圖6為試驗(yàn)鋼母材(BM)的顯微組織照片，圖7為點(diǎn)焊接頭焊核區(qū)(NZ)顯微組織照片，圖8為熱影響區(qū)(HAZ)顯微組織照片。

由圖8可知靠近熔核處的熱影響區(qū)受熱循環(huán)影響較大，相變溫度以上停留時(shí)間較長，造成組織的粗化，為粗大的馬氏體組織;離熱源較遠(yuǎn)的熱影響區(qū)組織，由于形成的奧氏體組織長大時(shí)間有限，故冷卻時(shí)形成的馬氏體組織尺寸較小，分布均勻?？拷覆牡臒嵊绊憛^(qū)在淬火組織的基礎(chǔ)上經(jīng)歷了一次低溫回火，組織以回火馬氏體為主。

圖5 點(diǎn)焊接頭宏觀形貌

圖6 母材顯微組織

圖7 熔核中心顯微組織

圖8 點(diǎn)焊接頭熱影響區(qū)微觀組織

綜上所述，對不同區(qū)域的微觀組織特點(diǎn)進(jìn)行微觀金相試驗(yàn)分析可知，焊核區(qū)和過熱區(qū)幾乎全為體積粗大的馬氏體晶粒;細(xì)晶區(qū)的鐵素體和馬氏體較細(xì)，這是由于奧氏體未完全相變成馬氏體，而且其生長速度受到馬氏體相變及溫度變化的限制;兩相區(qū)則有馬氏體和大小不均勻的殘余奧氏體。

3 結(jié) 論

(1)通過正交試驗(yàn)極差分析可得，先進(jìn)熱沖壓鋼點(diǎn)焊接頭獲得最大剪切力的最佳工藝參數(shù)為:焊接電流8 kA、焊接時(shí)間15 cyc、電極力2 kN;焊接電流對試驗(yàn)鋼點(diǎn)焊接頭的抗剪強(qiáng)度影響最大，電極力次之，焊接時(shí)間的影響最小。

(2)點(diǎn)焊接頭的斷裂形式有4種，分別為界面斷裂、部分熔核拔出、完全熔核拔出和延伸至母材斷裂。其中界面斷裂形式對應(yīng)的點(diǎn)焊接頭最大剪切力最低，視為不合格接頭。

(3)點(diǎn)焊接頭熱影響區(qū)組織不均勻，隨著峰值溫度的降低，接頭微觀組織分別為粗大馬氏體區(qū)、細(xì)小馬氏體區(qū)、馬氏體和大小不均的殘余奧氏體組成的兩相區(qū)和回火馬氏體區(qū)。

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TG407

2017－01－07

賀優(yōu)優(yōu)，1982年出生，博士研究生。主要從事先進(jìn)汽車用鋼的焊接工藝研究。