雙相鋼DP780窄搭接焊焊縫退火工藝及性能

李登鵬

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司 安徽馬鞍山 243000)

在鋼鐵行業(yè)中，連續(xù)退火線、熱鍍鋅線、電鍍鋅線、合金化熱鍍鋅等連續(xù)生產(chǎn)線，DP450、D600、DP780和DP980等級別的雙相鋼大量的研發(fā)和生產(chǎn)，而雙相鋼DP由于其復(fù)雜的合金元素、帶鋼較大的剛度使其較難形成熔合良好的窄搭接電阻焊接頭，進而影響其接頭性能，國內(nèi)外對于DP鋼種的焊接研究主要集中在薄規(guī)格及常規(guī)厚度(0.3 mm-1.5 mm)的同種或異種鋼焊接[1]、[2]，對于抗拉強度超過780 MPa厚度≥2.0 mm以上的雙相鋼的焊接，國內(nèi)大部分鋼廠采用與普碳鋼的過渡焊或采用更先進的激光焊機進行焊接，而厚度2.0 mm以上規(guī)格的DP780雙相鋼的窄搭接焊焊縫質(zhì)量穩(wěn)定性差，容易形成孔洞、焊渣、虛焊等缺陷，難以形成均勻、連續(xù)、致密的焊縫接頭。為此，作者通過汽車用先進雙相鋼DP780厚度2.0mm相同鋼種規(guī)格的自焊分析其窄搭接焊的工藝參數(shù)，同時采用焊縫感應(yīng)加熱裝置對焊縫進行退火處理，通過焊縫表面質(zhì)量的宏觀觀察、杯突試驗、焊縫拉伸試驗，研究其退火工藝對焊縫質(zhì)量的影響。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

實驗材料選取汽車用雙向鋼DP780厚度2.0 mm，寬度1 200 mm鋼卷。其成分如下表1所示。

表1 材料成分 %

1.2 實驗方法

采用日本TEMIC全自動窄搭接焊機進行焊接，采用焊縫感應(yīng)加熱裝置對焊縫進行退火處理。利用杯突實驗機和折彎實驗機對焊縫質(zhì)量進行判定。取焊縫樣本通過宏觀觀察，杯突試驗、拉伸試驗焊縫性能進行分析。通過實驗方法，對比分析窄搭接焊焊縫退火工藝對DP780焊接接頭性能的影響。

2 焊接工藝參數(shù)及焊縫退火工藝優(yōu)化

2.1 焊接工藝參數(shù)

采用DP780雙相鋼厚度2.0 mm，同鋼種同規(guī)格進行窄搭接焊焊接，觀察焊接溫度曲線及火花在正常范圍內(nèi)，焊接完后用焊機剪刃剪切下焊縫，作為焊后感應(yīng)加熱熱處理備用樣板，同鋼種規(guī)格同一種焊接參數(shù)重焊5次，選取其中1個焊縫樣板直接做焊縫杯突試驗，剩余4個焊縫樣板給焊后感應(yīng)加熱退火處理調(diào)試工藝參數(shù)備用。其焊接工藝參數(shù)如下表2所示。

表2 DP780雙相鋼2.0 mm焊接工藝參數(shù)表

對上述每組焊縫樣板進行杯突試驗，每組焊縫上等距沖壓5個杯突，觀察焊縫形貌及杯突是否合格。序號1傳動側(cè)杯突沿焊縫開裂，焊縫質(zhì)量不合格，序號4焊接過程中出現(xiàn)明顯的“炸火”現(xiàn)象，焊縫表面出現(xiàn)大量的焊渣，其余三組試驗焊縫杯突基本正常，但是杯突形貌呈“十”字形或熱影響區(qū)出現(xiàn)開裂，表現(xiàn)出焊縫脆性高，塑性低，主要原因為雙相鋼DP780錳元素含量高，導(dǎo)致焊接過程中鋼的淬透性高，易形成馬氏體或貝氏體組織。

厚規(guī)格雙相鋼DP780的窄搭接焊同樣對焊輪壓力有較嚴格的控制要求，對比序號4和5，當(dāng)適當(dāng)增加焊輪壓力時，焊接時火光明亮，未出現(xiàn)明顯的“炸火”現(xiàn)象。可見，采用較大電流的同時，需適當(dāng)增加焊輪壓力，以減少焊縫過高的熱量導(dǎo)致焊縫“炸火”。

2.2 焊縫感應(yīng)加熱退火工藝

根據(jù)上述焊接工藝參數(shù)對比試驗，選擇序號3作為進一步的焊縫感應(yīng)加熱退火工藝試驗。根據(jù)感應(yīng)加熱裝置設(shè)計參數(shù)，設(shè)定的焊縫感應(yīng)加熱退火工藝對比試驗如下表3所示：

表3 焊縫感應(yīng)加熱退火工藝表

根據(jù)產(chǎn)線的生產(chǎn)速率和入口活套套量的控制，整個焊縫加熱控制時間設(shè)定為30秒。當(dāng)采用100%的加熱功率，設(shè)定一次性感應(yīng)加熱時間為30秒時，退火溫度到達到了780 ℃，整個焊縫樣板變形扭曲較大，不適合產(chǎn)線生產(chǎn)運行。設(shè)計采用二次退火方式，先加熱，再冷卻降溫后再加熱，整個焊縫樣板變形量明顯減小，整個焊縫加熱區(qū)域均勻。相比一次退火方式，二次退火焊縫區(qū)能消除更多的殘余應(yīng)力。根據(jù)焊縫退火表面效果，采用序號2作為焊縫感應(yīng)加熱退火工藝參數(shù)設(shè)定。

3 焊縫感應(yīng)加熱退火前后形貌分析

利用杯突試驗機對焊縫感應(yīng)加熱退火前后焊縫樣板均勻間斷的五個點做杯突實驗，其對比如下圖1所示。根據(jù)焊縫退火前后對比圖及在焊接試驗過程中總結(jié)發(fā)現(xiàn)：

圖1 DP780厚度2.0 mm退火處理前后焊縫杯突對比

(1)退火處理的焊縫杯突試驗時，杯突邊緣出現(xiàn)一層很薄的氧化鐵皮，如圖2所示。加熱時，帶鋼明顯變紅為達到預(yù)期加熱效果。

圖2 DP780厚度2.0 mm退火處理后杯突出現(xiàn)氧化皮

(2)可以通過杯突試驗過程判斷焊縫質(zhì)量是否改善，沒有經(jīng)過退火處理的焊縫進行杯突試驗時，發(fā)現(xiàn)很明顯的脆斷聲，而經(jīng)過二次退火處理的焊縫杯突過程中，杯突慢慢裂開，能看到明顯的韌窩狀形貌，表現(xiàn)為韌性斷裂。

(3)對厚規(guī)格高強鋼焊縫質(zhì)量改善明顯，熱處理過后的杯突明顯比沒有經(jīng)過熱處理的杯突要好，特別是強度越高，改善越明顯。

4 焊縫拉伸試驗

截取焊接接頭橫向拉伸試樣，進行焊縫拉伸試驗?？梢钥闯觯?.0 mm厚度DP780自搭接焊不采用焊后退火處理時，拉伸后接頭斷裂均發(fā)生在焊縫臺階面，此區(qū)域為應(yīng)力集中區(qū)，易產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致斷裂，無沿搭接面撕開現(xiàn)象，焊縫性能強度較低。此焊縫經(jīng)過加熱爐區(qū)高溫退火及爐輥反復(fù)折彎，焊縫開裂的風(fēng)險很大，如圖3所示。2.0 mm厚度DP780自搭接焊，采用焊后二次退火處理后，拉伸后接頭斷裂均發(fā)生在熱影響區(qū)，出現(xiàn)斷口緊縮現(xiàn)象，表現(xiàn)為明顯的塑性變形，斷裂后焊縫完整，無沿搭接面撕開現(xiàn)象，接頭韌性較無退火處理時明顯改善，表明焊縫區(qū)殘余應(yīng)力大幅消除，同時焊縫區(qū)晶粒組織得到細化，焊縫性能強度高于母材，大大降低了焊縫在爐內(nèi)斷帶的風(fēng)險，如圖4所示。

圖3 DP780厚度2.0 mm焊縫無退火拉伸試驗

圖4 DP780厚度2.0 mm焊縫退火處理后拉伸試驗

5 總結(jié)

DP780厚度2.0 mm同鋼種規(guī)格的窄搭接自焊焊接沒有經(jīng)過退火處理的焊縫杯突試驗時，發(fā)生很明顯的脆斷聲，而經(jīng)過二次退火處理的焊縫杯突過程中，杯突慢慢裂開，能看到明顯的韌窩狀形貌，表現(xiàn)為韌性斷裂。

采用焊后二次退火處理的焊縫，拉伸后接頭斷裂均發(fā)生在熱影響區(qū)，出現(xiàn)斷口緊縮現(xiàn)象，表現(xiàn)為明顯的塑性變形，斷裂后焊縫完整，無沿搭接面撕開現(xiàn)象，表明焊縫區(qū)殘余應(yīng)力大幅消除，同時焊縫區(qū)晶粒組織得到細化，焊縫性能強度高于母材，大大降低了焊縫在爐內(nèi)斷帶的風(fēng)險。