雙相鋼窄搭接電阻焊工藝的優(yōu)化

肖 瑜，郭贊揚(yáng)，胡艷艷

(新余鋼鐵集團(tuán)有限公司，江西 新余 338001)

高性能雙相鋼因高加工硬化率、低屈強(qiáng)比及連續(xù)屈服等優(yōu)良沖壓和成型性能，被廣泛應(yīng)用于汽車制造領(lǐng)域[1]。新余鋼鐵集團(tuán)有限公司2015年開始進(jìn)行雙相鋼汽車板的開發(fā)，在連續(xù)退火生產(chǎn)時(shí)，雙相鋼焊接質(zhì)量是保證連續(xù)退火正常生產(chǎn)的前提條件，連續(xù)退火過程中焊縫必須承受線上大張力運(yùn)行和平整軋制。隨著雙相鋼牌號的增多，產(chǎn)量的增加，雙相鋼的連續(xù)退火焊接焊縫質(zhì)量成為其中工作難點(diǎn)之一。雙相鋼材質(zhì)含有較高的Mn、Cr合金，影響焊接性能的C當(dāng)量較高，由于之前缺乏對雙相鋼工藝性能、物理性能的了解，焊接工藝參數(shù)設(shè)置不合理，導(dǎo)致焊縫斷帶事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響連續(xù)退火線的正常生產(chǎn)。本文以DP780雙相鋼1.6 mm厚鋼卷為研究對象，對其焊接工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

1 窄搭接電阻焊的焊接原理

新余鋼鐵集團(tuán)有限公司連續(xù)退火機(jī)組引進(jìn)西門子-奧鋼聯(lián)的窄搭接電阻焊機(jī)，焊接原理是將前后帶鋼以一定的搭接量搭接，通過上下兩個(gè)電極輪旋轉(zhuǎn)碾壓作用于搭接區(qū)域，并通以適當(dāng)電流和壓力，電流在材料自身的電阻R件、材料間的電阻R觸及材料與電極接觸部分的電阻R極上產(chǎn)生熱量，搭接區(qū)受熱熔化，隨后冷卻結(jié)晶，形成焊縫[2]。電阻的關(guān)系為R總=2R極+R觸+2R件，熱量公式Q=I2Rt。

2 杯突試驗(yàn)判定焊縫質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)

焊縫質(zhì)量判定標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

3 焊接試驗(yàn)

以DP780雙相鋼1.6 mm厚鋼卷為研究對象進(jìn)行焊接試驗(yàn)，焊接工藝參數(shù)如表2所示。

3.1 改進(jìn)前焊縫質(zhì)量

按改進(jìn)前工藝參數(shù)進(jìn)行焊接，發(fā)現(xiàn)焊接過程中的焊接火花明顯過大，有飛濺。焊縫溫度曲線顯示平均溫度為1250 ℃，焊縫溫度偏高；檢查發(fā)現(xiàn)焊輪上粘接有大量焊渣，說明焊縫熱量過多。圖1為改進(jìn)工藝參數(shù)前的焊縫形貌，圖2為改進(jìn)工藝參數(shù)前焊縫杯突后形貌，焊縫不致密，有縮孔和裂紋存在，焊縫明顯塑性不足，與杯突檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對比，焊縫質(zhì)量判定為不合格。

圖1 改進(jìn)前焊縫形貌Fig.1 Morphology of weld before improvement

圖2 改進(jìn)前焊縫杯突形貌Fig.2 Morphology of weld cupping before improvement

3.2 方案1焊縫質(zhì)量

在改進(jìn)前基礎(chǔ)上適當(dāng)降低電流，焊接過程火花正常，無飛濺，焊縫平整、光潔、無穿孔、無裂紋，如圖3所示，焊縫溫度曲線顯示平均溫度為1080 ℃。對焊縫進(jìn)行杯突試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)焊縫沿著兩母材熔合處發(fā)生撕裂，如圖4所示，杯突試驗(yàn)仍不合格。該焊縫從溫度曲線及焊縫形貌可能判定為合格焊縫，但實(shí)際焊縫為一條熔合不牢的不合格焊縫。這種不合格焊縫對安全生產(chǎn)存在極大隱患。

圖3 方案1焊縫形貌Fig.3 Morphology of weld by scheme 1

圖4 方案1焊縫杯突形貌Fig.4 Morphology of weld cupping by scheme 1

3.3 方案2焊縫質(zhì)量

3.3.1DP780焊材的性能分析

DP780雙相鋼化學(xué)成分如表3所示。針對焊接參數(shù)、焊接過程和焊縫質(zhì)量分析，計(jì)算780DP的C當(dāng)量0.47%～0.59%。C當(dāng)量≤0.4%時(shí)焊接性能良好，C當(dāng)量為0.4%～0.6%時(shí)，焊接有一定的制約條件。由于C當(dāng)量偏高，鋼的導(dǎo)熱性下降，電阻增大，鋼的熔點(diǎn)下降。

表3 DP780成分分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 3 Composition analysis of DP780 steel(mass fraction，%)

汽車板雙相鋼是以Mn為主要添加元素，Mn、Cr的加入提高了鋼的淬透性，使鋼具有較高的強(qiáng)度和硬度，但降低了鋼的焊接性能[3]。C當(dāng)量偏高，導(dǎo)致接觸電阻升高且電阻分布不均勻，最終導(dǎo)致焊縫溫度高且溫度波動大。

由于電阻大、焊接電流高導(dǎo)致焊縫焊核附近區(qū)域過熱嚴(yán)重、焊核大，在壓力作用下，部分核外的塑性金屬環(huán)包不住熔化的金屬，造成飛濺，使得高溫熔化金屬與空氣接觸產(chǎn)生氧化，導(dǎo)致焊縫力學(xué)性能顯著下降[4]。

方案1針對厚度規(guī)格具有良好淬透性的DP780雙相鋼，保持高的焊接速度，單純降低焊接電流，致使熔核體積小，母材吸熱快，熔核冷速高，凝固過程必然產(chǎn)生三向拉應(yīng)力，使得焊縫熔核區(qū)萌生縮孔、裂紋等缺陷[5]。同時(shí)由于雙相鋼表面發(fā)黑、板面殘留物多，焊接過程中材料與電極接觸部分的電阻R極大，測量出的焊縫表面溫度虛高導(dǎo)致產(chǎn)生焊縫溫度曲線合格的假象。

如通過降低焊接速度實(shí)現(xiàn)焊縫緩慢冷卻，可以提高低合金鋼焊縫的致密性，防止縮孔、裂紋產(chǎn)生，同時(shí)對強(qiáng)度級別高、淬透性好的材料還可改善其金相組織[6]。

3.3.2焊接試驗(yàn)參數(shù)的確定

優(yōu)化后 DP780雙相鋼焊接工藝參數(shù)見表2(方案2)。

1)降低焊接速度，提高焊縫致密性，同時(shí)改善焊縫金相組織；

2)調(diào)整焊接電流，實(shí)現(xiàn)焊縫熱量適中。根據(jù)熱量公式Q=I2Rt，在時(shí)間t發(fā)生變化的情況下，電流I值也應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，由于電流I為平方正比關(guān)系，對產(chǎn)熱的影響要比時(shí)間t要大，所以對電流I的調(diào)整幅度不能太大；

3)根據(jù)雙相鋼軋制后板面發(fā)黑、板面殘留物多，導(dǎo)致焊接過程接觸電阻大的情況，以不產(chǎn)生飛濺為原則，對焊接溫度曲線的參考值進(jìn)行上調(diào)，控制溫度曲線在1050～1200 ℃，鋼板厚度越厚控制溫度越高。

3.3.3方案2焊接效果

優(yōu)化后焊縫杯突形貌特征見圖5。參數(shù)優(yōu)化后焊縫溫度符合預(yù)期，焊縫平整、光潔、無穿孔，杯突試驗(yàn)未發(fā)生沿焊縫熔合處的開裂，焊縫質(zhì)量滿足要求。工藝固化后，連續(xù)退火線成功生產(chǎn)DP780雙相鋼5萬余噸，未發(fā)生焊縫斷帶事故。

圖5 優(yōu)化后焊縫杯突形貌Fig.5 Morphology of weld cupping after optimized

4 結(jié)語

汽車板DP780雙相鋼窄搭接焊接技術(shù)要點(diǎn)：厚度為1.6 mm鋼帶的焊接速度為12 m/min；焊接電流為21.5 kA；焊縫溫度曲線應(yīng)以保證不產(chǎn)生飛濺為原則，控制溫度曲線在1100～1200 ℃，鋼帶的規(guī)格越厚，控制溫度越高，且宜高不宜低。

參照DP780 雙相鋼1.6 mm厚鋼卷優(yōu)化后的焊接參數(shù)，對這一品種其它規(guī)格的焊接參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，保證了連續(xù)退火生產(chǎn)DP780雙相鋼的焊接質(zhì)量，為連續(xù)退火生產(chǎn)順利運(yùn)行創(chuàng)造了條件。