高强度钢板可焊接性研究

高强度钢板可焊接性研究 （长安汽车股份有限公司） 1．目的 现代汽车发展的方向是节能、安全，近些年来尤其是人们对能源的巨大需求和能源相对不足导致国际油价飙升。国内外众多汽车厂商为了适应市场的这一变化在车身中应用了大量的高强度钢板。双相高强钢应用到汽车上将明显减轻汽车的自重，提高汽车的抗冲撞性，这将大大提高汽车的安全系数。它是汽车工业的发展及采用高强度、高成形性板材的直接结果。 目前，长安公司的CV6车型中有40%的零件采用了屈服强度大于B280/440（普通钢板的2.5倍）的高强度钢板，这种类型的钢板不管是在化学成分上还是在显微结构上都与普通钢板差别很大，给焊接工艺提出了新的挑战。通过对车身高强度钢板点焊工艺的研究有助于提高使用新材料新工艺的水平，促进新车产品质量和安全性能的提升，增强在国内外汽车市场上的竞争力。 2．概述 2.1高强度钢板点焊焊接性分析 双相高强钢属低碳钢。它具有电阻率适中，需要的焊机功率不大；碳与微量元素含量低，无高熔点氧化物，一般不产生淬火组织或夹杂物；结晶温度区间窄，热膨胀系数小，开裂倾向小等对焊接极为有利的特性。但是，双相钢的高强度性能又使塑性温度区间变窄，为获得同样的塑性变形需要较大的电极压力，导致合适的焊接工艺范围变窄。 如果焊接工艺不恰当，将会造成严重的安全隐患。因此，对其焊接工艺进行评定，并做出相应的调整是十分必要的。 2.2. 试板试验 不同厚度的两层板焊接参数的差别主要受两块板的厚度比η=D1/D2和两块板的总厚度D0=D1+D2的影响较大，以这两个指标进行了筛选。而三层板焊接的情况极为复杂，进行简化处理，仅参考材质和总板厚两个参数进行筛选。根据以上原则，按照CV6车身中高强度钢板出现的规格及接头形式，选择了几种具有代性的接头。试验接头：B1.5-B1.5；B2.0-B1.0；B2.0-D0.8；B1.5-D1.5；B1.5-B2.0- B2.0；B1.5-B2.0-D1.5；B2.0-D0.8- D0.8（B、D代表宝钢的材料牌号，其中B代表B280/440DP、D代表DC04；后面的数字代表料厚）。 参考长安铃木等相关的资料，对焊接电流I0、通电时间T0和焊接压力F三个工艺试验参数初选, 进行第一轮正交试验。每种接头焊接三块，分别用于拉伸、撕裂和金相试验，同时进行外观及熔透率分析，根据理化分析结果找到三个参数的最佳搭配。最后根据工厂实际，进行了第二轮验证试验。 3．接头质量的评价 3.1 外观及熔透率分析 对于点焊接头，表面状态、焊点大小及熔透率大小对接头性能有着非常重要的影响。表面状态好坏关系着接头抗腐蚀性能、抗疲劳性能和强度性能；焊点大小和熔透率直接决定接头强度。 3.1.1表面状态 表面状态的评价指标主要包括焊点与母材过渡是否平滑、焊点周围金属是否发黑。如果焊点和母材过渡陡峭或者压痕太深，当接头受到剪切载荷时应力就在焊点和母材结合处过度集中，大大降低了接头强度。同时材料表面尖角处是疲劳裂纹的发源地，对于车身点焊接头来说，除了极端情况，受到的载荷类型多为疲劳载荷，因此控制接头平滑过渡至关重要，通常通过控制电极状态保证焊点表面质量，通过调整焊接参数控制压痕深度。焊点区域发黑也是点焊接头重要缺陷之一，直接关系到接头的抗腐蚀性能，通常是由焊接时间过长、电流过高或电极太小引起。图1所示为本试验焊接的几个接头，除图1-3压痕比较深外，可以看出接头表面平整、过渡圆滑，因此电极压力不宜大过360Kg。焊点区域发黑现象只是发生在压痕内，表面质量尚可。 图1-1 8500A-25CC-310Kg    图1-2 9500A-25CC-310Kg    图1-3 11000A-25CC-360K 图1本试验焊接接头的表面状态 3.1.2焊点大小和熔透率 熔核尺寸是评定点焊的主要指标之一，通常通过焊点大小和熔透率两个指标来衡量。 ● 焊点熔核直径：对于薄钢板（δ ≤4mm） 重要机构：d=5           一般结构：d=4 式中：d——焊点熔核直径（mm），δ——最薄板材厚度（mm） 对于本试验，焊点大小指标：4.5mm-7mm,或者3.6mm-5.7mm ● 熔透率：一般要求熔透率在20%～80%，对于不同厚度点焊接头应分开计算： A=  ×100% 式中：h——单侧熔核高度（mm），δ——板材厚度（mm） 表1：试验中各接头的熔核尺寸和熔透率 焊接规范 8500A-15CC 8500A-20CC 8500A-25CC 9500A-15CC 9500A-20CC 熔透率 最小 37.5% 37.5% 38% 37% 38% 最大 70% 74% 80% 75% 80% 熔核（平均值） 6.8 6.9 7.6 7.0 7.6               焊接规范 9500A-25CC 11000A-15CC 11000A-20CC 11000A-25CC 熔透率 最小 37.5% 37.5% 38% 37% 最大 70% 74% 80% 75% 熔核（平均值） 7.5 7.5 7.6 7.8             从表1可以看出，本试验范围的各种参数得到的接头都符合相关的评价指标，焊接规范（电流和时间）的变化对熔透率和熔核的大小影响不大，本组试验看不出有明显的差别。 3.2 力学性能分析 本试验主要测试了接头的剪切强度和正拉强度，其结果见附表1和附表2，受试验条件和费用因素限制并没有作疲劳强度测试。 3.2.1抗剪强度指标 强度指标是跟产品设计密切相关的，跟焊点所在部位、焊点数目以及受力情况密切相关。经过查资料，点焊强度评价指标：点焊接头抗剪强度与母材抗拉强度的比值应达到30％~50％，其计算公式为： 2层焊：τ= ≤[τ0 ]              3层焊：τ= ≤[τ0 ] 式中：τ0—焊点的许用切应力； n—焊点排数；i—单排焊点个数；d—焊点熔核直径（mm），本试验按d=5 取值。母材抗拉强度必须以试样中性能较低的钢板为准。 试验表明，除7＃接头外，点焊接头抗剪强度都合格。 3.2.2抗拉强度指标 焊点的十字拉伸强度是代表焊点抗正向拉伸载荷能力的指标之一。根据相关资料，常用单点正拉力与单点抗剪力的比值一般要求25%~30％。单点正拉力的测量，通常采用十字拉伸法，如图2所示。然而受试验条件限制本试验采用图3方式，焊后把两侧的试片用钳子向外掰90°，然后在拉伸机上试验，这样做出的结果受应力集中的影响而小于实际值。 试验表明，除14#、35#接头外，点焊接头抗拉强度都合格。 图2 十字拉伸法                      图3 本试验拉伸方法 3.2.3力学性能评价 3.2.3.1．第一组： 一块高强钢与一块高强钢接头的点焊，从结果来看，采用的几个规范都能形成合格的熔核。但是当两块钢板厚度差较大时焊接难度增大，通常抗拉强度不理想。对于总厚度D0相同的试样，厚度比η为2的试样的抗拉强度不到厚度比为1试样的50%（B1.5-B1.5；B2.0-B1.0）。 3.2.3.2．第二组： 一块是高强钢板与另一块普通钢板的点焊。接头的焊接质量良好，总体上由于普通钢焊接性能很好，与高强度钢板的焊接性也较好。存在的主要问是熔核向高强钢板一侧偏移，大致的规律是：焊接电流越小偏移越严重，高强钢板越厚偏移越严重。其主要原因是：普通钢板由于较软，与电极和另一个工件的接触是良好的，接触电阻很小；而高强度钢板由于表面硬度较大，所以接触电阻较大，在焊接时高强钢板一侧的接触电阻产热就较多，从而熔核向其偏移。另外因为母材的普通钢本身强度低于高强钢板，接头抗剪和抗拉性能都比高强钢与高强钢点焊的接头低（B1.5-B1.5；B1.5-D1.5）。可见双相高强钢应用到汽车上有明显的优势。 3.2.3.3．第三组： 高强钢与高强钢接头的3层点焊。试验表明焊接接头力学性能很好，高强钢板对焊接有极为有利的特性。3层点焊试样总厚度D0较大，焊接热输入的提高，对接头力学性能有十分有利的影响（B2_B2_B1.5）。 3.2.3.4．第四组： 高强钢与普通钢板接头的3层点焊。可见当厚度比η合适时，在采用的几种规范下点焊接头抗剪强度、抗拉强度都能达到要求。但是厚度比η较大时（B2_D0.8_D0.8），在适当的焊接规范下还是能够获得合格的接头，但是7＃接头抗剪强度不合格，14#、35#接头抗拉强度不合格。可能的原因是焊接热输入较小，以及在试验时发生的飞溅情况导致十字拉伸强度波动较大。一般情况要求，2层焊时厚度比η≤4，3层焊时外侧两板间的厚度比η≤2.5。7＃、14#、35#接头的厚度比η为2.5，属于极限状况。 通过8#、22#、66#、77#接头力学性能的对比，可以发现8500A-240Kg、9500A-310Kg是比较合适的参数搭配。对于双层焊或者较薄的三层焊接头，8500A-240Kg-20CC的规范可以得到较为理想的接头；对于接头厚度较厚的三层焊接头8500A-240Kg-25CC、9500A-310Kg-25CC可以得到较为理想的接头。 3.3金相分析 在点焊接头中，常见的缺陷包括：部分熔合、热影响区组织不均匀、热影响区裂纹和熔核内部缩孔尺寸偏大或端部裂纹等。根据接头的表面状态和力学分析结果，重点对8500A-240Kg-20CC和9500A-310Kg-25CC两组参数得到的接头在高倍显微镜下进行组织分析。 3.3.1高强度钢板接头 对于相同厚度的高强度钢板接头，从力学测试结果来看，接头状况良好适焊范围较广。图4所示为两块同为1.5mm的高强度钢板焊缝结合状况，可以看出熔核完整，周围组织均匀，达到优良接头的要求。 图4 B1.5-B1.5接头熔核（50X）          图5 B2.0-B1.0接头熔核（500X） 不等厚度高强度钢板的接头情况比较复杂，以2mm厚和1mm厚的高强钢组成的接头为例，在所有选择参数得到的接头中抗拉强度较低。可能的原因如图5所示，在结合线处1mm一侧有偏聚马氏体（黑色针状），同时在结合线前段有微裂纹。可能的原因是薄板一侧受到母材保护较弱，同时靠近电极，两种因素使得热量散失极快，形成了马氏体，急剧降温的金属必然急剧收缩，在结合线末端薄弱处产生微裂纹。通过增加后热电流，可以减少马氏体和微裂纹的产生。 3.3.2高强钢和普通钢接头 以厚度均为1.5mm 的B280/440和DC04组成的接头为例，如图4所示，在普通钢侧分为三个区域，区域1焊核附近，该区域由于靠近熔核受热较大且热量不容易散失，晶粒较大，粗晶区；区域2距离熔核较远，由于电阻焊受热非常集中，该区域也有部分熔化，但热量很快通过母材散失，冷却较快，晶粒细小，细晶区；区域3为母材。区域1晶粒粗大，塑性低，不宜变形，对接头韧性和强度都有坏的影响，但是从图上可以看出，该区域非常小，只是在焊核周边薄薄的一层；区域2晶粒细小，塑韧性好，对接头韧性和强度都有好的影响，同时，该区域范围较广，改善这接头性能；通过对接头结合线100倍显微镜观察，如图6所示，结合线在熔核前端就已经形成扩散，保证了熔核的完整性，不存在部分熔合现象。因此，这种接头是我们期望得到的接头。