热成型钢点焊性能研究.docx

文 章 编 号 ：1002025x(2012)12-0030-04热 成 型 钢 点 焊 性 能 研 究方友震， 张小荣， 陈云霞（奇瑞汽车股份有限公司 汽车工程研发总院 ， 安徽 芜湖 241009）摘 要 ： 通 过 对 btr165 热 成 型 钢 和 b340-590dp 双 相 钢 点 焊 焊 接 接 头 的 抗 剪 强 度 、 金 相 组 织 以 及 显 微 硬 度 的 研 究 与 分 析 ， 探 索 了 热 成 型钢 的 点 焊 性 能 。 分 析 表 明 ： 热 成 型 钢 具 有 良 好 的 焊 接 性 能 ， 通 过 工 艺 优 化 可 以 满 足 实 际 生 产 的 需 要 。关 键 词 ： 热 成 型 钢 ； 双 相 钢 ； 抗 剪 强 度 ； 金 相 组 织 ； 显 微 硬 度中 图 分 类 号 ： tg142； tg406文 献 标 志 码 ： b0前言随着汽车工业 的 发 展 ，1 过程介绍1.1 试验材料、 方法及试样要求本次研究试验采用 btr165 热 成 型 钢 和 b340 -590dp 双相钢为研究对象 ， 综 合 参 考 iso 142732001 电阻点焊、 缝焊和浮凸焊接的焊接点， 剪切试 验 的试样尺寸和程序 以 及 gb/t 151111994 点 焊接头剪切拉伸疲劳试验方法 中的有关要求， 笔者 确定了此次试验点焊接头抗剪试样形状及 尺 寸 如 图 2 所示。世界各国对汽车的安全 、节能减排的要求越来越苛刻， 采用超高强钢既可减轻汽车质量、 实现节能减排， 又可提高汽车的安全性1。 高强、 超高强钢板的应用越来越广泛， 然而 （超） 高 强钢板的冷冲压问题 （成型性差， 容易开裂； 成型精 度差， 回弹大， 容易产生各种表面缺陷； 所需设备吨 位大； 超高强钢板制造困难； 超高强钢板冲压极其困 难， 甚至根本无法冲压） 日趋暴露出来， 导致其应用 受到阻碍， 而热冲压成型钢的出现解决了这一问题 。通常超高强钢 可采取以下强化机制 ： 固 溶 强 化（间隙原子和置换原子 ）、 沉淀强化 （ti， nb， v， mo等 析 出 碳 化 物 ） 、 细 化 晶 粒 、 位错强化和相变强化 （马氏体）。 钢的成型性常随强度提高而下降， 可通过 将成型和强化分为 2 个步骤来解决强度和成型性的矛 盾。 热成型即是将成型和强化分为 2 个步骤生产超高 强度汽车零部件的一种新工艺。 图 1 介绍的是钢板/钢 管热成型工艺过程， 利用相变强化 （形成马氏体）1。1.2试验设计此次试验的方 案主要是针对电极压力 、 焊 接 电 焊接时间这些主要焊接 参 数 取 3 个 水 平 ， 另 外 ，流 、针对预热电流、 预热时间、 回火电流、 回火时间这些次要焊接工艺参数作为一个整体变化量同样取 3 个水 平 ， 利 用 4 因 素 3 水平正交试验来设计 2 此 次 试 验 ， 详细设计方案见表 1。 这样就能通过代表性很强的少 数 试 验 ， 找到各个影响因素 对试验指标的影响情况 ， 确定因素的主次顺序， 找出较好的生产条件或最优参 数组合。 对焊接后的试样依次进行剪切拉伸试验 、 金 相试验、 显微硬度试验。收 稿 日 期 ： 2012-02-28基 金 项 目 ： 国家科技支撑计划项目 （2011bag03b04） welding technology vol41 no12 dec. 2012 工 艺 与 新 技 术 31 表 1剪切拉伸试验数据分析 l9 (34) 正 交 设 计设计要求进行判定。1.3.1接头剪切拉伸试验观察表 1 可知， 此次试验各接头的熔核直径大小准/mm均符合安全焊点要求（d5 姨 要 求 ）。 观 察 拉 伸 后试样状态发现， 试样接头普遍存在内飞溅现象， 部分试样还存在缩孔缺陷， 这样容易造成接头承载能力下 降。 缩孔缺陷产生于熔核凝固过程后期， 分布在贴合 面 附 近 ， 使点焊接头力学性能变坏 ， 尤 其 会 引 发 裂 纹， 导致接头持久强度极限降低3。将试验信息及剪切拉伸试验结果整理录 入 表 1 中， 通过正交试验设计表进行数据分析各参数影响情 况及最佳参数组合情况。 为了直观起见， 用各因素水 平作为横坐标， 各因素对应的考核指标平均值作为纵坐标，画出指标与因素的关系图如图 3，4 所示。件 条 件观察图 3 可以看出： 针对最大拉伸力这一考核指标， 影响因素的主次关系是 tmif； 参数的优化组合 是 f2i3t2m2。 由 图 4 可 以 看 出 ：针 对 熔 核 直 径 大小这一考核指标 ， 影 响 因 素的主次关系是 itmf；参数优化组合是 f2i3t2m2 （ 由于影响因素 的 极 差 大 小 相 差 很 小 ， 图表不能明显地表示出因素 的 主 次 关1.3试验记录及数据分析对焊后的试样进行剪切拉伸试验、 金相试验以及 显微硬度试验。 对于焊点的剪切拉伸力合格与否需根 据拉伸试验结束后观察撕裂后焊点的状态和设计所要 求的值进行判定； 而焊点的熔核直径大小可以根据经系，需结合表 1 判断）。根 据 表 1 分 析 如 下 ： 观 察 表 1 因素的极差可知 ，各 因 素 对 准 这个指标的影 响 都 差 不 多 ， 故 此 次 试 验主要针对最大拉伸力 q 这 个 指 标 对 各影响因素进行 分析。验公式： d （安全焊点）5 姨 和 d （一般焊点） 4 姨 来确定 （ 均为最薄板的厚度 ）， 或根据相关的钢 板 牌 号b340-590dp 和 btr165试 板 尺 寸/mm（1.640175） /（1.540175）试 板 编 号电 极 压 力f/n焊 接 电 流i/ka焊 接 时 间t/周 波其 他 条 件m最 大 拉 伸 力 q/kn熔 核 直 径1f1/3 500i1/8.1t1/10m1/（加 预 热 ： 4.3 ka，6 周 波 ）7.0426.282f1/3 500i2/9.3t2/20m2/（无 ）21.2006.503f1/3 500i3/10.2t3/15m3/（加 回 火 ： 6.5 ka，8 周 波 ）22.7506.554f2/2 858i1/8.2t2/20m3/（加 回 火 ： 5.1 ka，8 周 波 ）21.9376.565f2/2 858i2/9.2t3/15m1/（加 预 热 ： 5.0 ka，6 周 波 ）18.7916.686f2/2 858i3/10.2t1/10m2/（无 ）20.3286.497f3/2 006i1/8.1t3/15m2/（无 ）19.7756.758f3/2 006i2/9.1t1/10m3/（加 回 火 ： 5.8 ka，8 周 波 ）12.0775.919f3/2 006i3/10.1t2/20m1/（加 预 热 ： 6.0 ka，6 周 波 ）19.8126.45最 大 拉 伸 力/knk1:50.99248.75439.44745.645k2:61.05652.06862.94961.303k3:51.66462.89061.31656.764k1:16.99716.25113.14915.215k2:20.35217.35620.98320.434k3:17.22120.96320.43918.921极 差3.3554.7127.8345.219优 方 案2/28583/10.12/202/无 附熔 核 直 径/mmk1:19.33019.59018.68019.410k2:19.73019.09019.51019.740k3:19.11019.98019.49019.020k1:6.4436.5306.2276.470k2:6.5776.3636.5036.580k3:6.3706.6606.4976.340极 差0.2070.2970.2770.240优 方 案2/2 8583/10.12/202/无 附 件 条 件综 合 后 优 方 案2/2 8583/10.12/202/无 附 件 条 件32工 艺 与 新 技 术焊 接 技 术第 41 卷 第 12 期 2012 年 12 月（1） 电 极 压 力 f 对 各 指 标 的 影 响 对 q， 准 这 2个指标， f 的极差都是最小的 ， 表示此次试验 f 的变 化影响最小 ； 同时观察因素 f 的 3 个水平所对应的 k 值 可 知 ， 各 指 标 中 均 为 f 的 第 2 个水平对应的数值 较大， 故电极压力取第 2 个水平较好。此次金相试验的试样是经过拉伸后， 对失效接头的熔核断面取样而来的， 故焊后接头熔核的原始状态无法准确表现。织分布示意图。域的组织情况。图 5 所示为点焊接头各区域分布及组表 2 为金相组织检测得到的接头各区（2） 焊 接 电 流 i 对各指标的影 响对 q 这 个 指标， i 的极差较小， 表示此次试验 i 的变化影响较小 ；同时观察因素 i 的 3 个水平所对应 k 值可知， 各指标 中均为 i 的第 3 个水平对应的数值较大 ， 故焊接电流 取第 3 个水平较好。（3） 焊 接 时 间 t 对各指标的影 响对 准 这 个 指标 ， t 的极差都是最大的 ， 表 示 此 次 试 验 t 的 变 化 影响 最 大 ； 同 时 观 察 因 素 t 的 3 个 水 平 所 对 应 k 值 可 知 ， 各 指 标 中 均 为 t 的 第 2 个水平对应的数值较大 ， 故取它的第 2 个水平较好。（4） 其 他 条 件 m 对各指标的影 响 对 准 这 个 指标 ，m 的极差大小仅次于焊接时间 ，故 此 次 试 验 其表 2金 相 组 织他条件 m 的影响仅次于焊接时间。综上所述， 各影响因素的主次关系为：针对最大拉伸力 q 这 个 指 标 ： 焊 接 时 间 t其 他条件 m焊接电流 i电极压力 f ；针 对 熔 合 直 径 准 这 个 指 标 ： 焊 接 电 流 i焊 接 时间 t其他条件 m电极压力 f。此 次 试 验的最佳参数组合为 ： 电 极 压 力 f 取 2水 平（2 858 n） 、 焊 接 电 流 i 取 3 水 平 （ 10.1 ka） 、焊 接 时 间 t 取 2 水 平 （20 cyc） 、平 （无附加条件）。其 他 条 件 m 取 2 水1.3.3接头显微硬度试验观察拉伸后的试样发现： 此批试样的失效模式有 熔核界面撕裂和熔核剥离失效。 针对失效后的试样接 头取样开展显微硬度试验， 图 6 为界面撕裂失效模式 的试样显微硬度曲线对比。1.3.2接头金相组织试验双相钢是由基体铁素体相和起强化作用的马氏体相组成。 这类钢因高延性的铁素体中引入强韧的马氏 体而得到强化， 铁素体赋予这类钢高的延展性， 马氏 体则增强了它的强度， 因而其延展性和抗拉强度都较 高 。 双相钢的显微组织为铁素体+马 氏 体 ， 马 氏 体 组 织以岛状弥散分布在铁素体基体上4。热成型钢是一 种 低 碳 合 金 钢 ， 含有一定量的锰 、 硼为主的合金元素， 具有良好的热处理性能， 可以通 过直接热冲压成型或先预成型再热冲压成型 ， 同时模 具内淬火， 从而获得高强度。 热成型钢的主要金相组 织为马氏体。试 板 编 号b340-590dp/btr165液 态 熔 化 区（熔 核 区 ）固 液 相 变 区（过 热 区 ）细 晶 生 长 区（细 晶 区 ）部 分 相 变 区（两 相 区 ）母 材1板 条 粗 m/板 条 粗 m较 粗 m/较 粗 m较 细 m+f/较 细 m+ff+m/ m+少 量 ff+m/m 或 m+极 少f23456789welding technologyvol41no12dec. 2012工 艺 与 新 技 术33大是由于该区域马氏体并非像熔核区那样粗大 ， 而是发生了细化， 故增强了显微硬度。（3） 接头处不同材料的显微硬度值均出现了一段 急剧降低的软带。2结论（1） 双 相 钢 b340-590dp-1.6 mm 与 热 冲 压 成 型钢 btr165 -1.5 mm 进 行 焊 接 ， 所采用的最佳焊接 工艺参数组合为 ： 电 极 压 力 f 取 2 水 平 （2 858 n）、 焊 接 电 流 i 取 3 水 平 （10.1 ka）、 焊 接 时 间 t 取 2 水 平 （20 cyc）、 其他条件 m 取 2 水平 （无附加条件）。（2） 此次试验采用的焊接电流值并未达到引起接 头强度降低的极限电流值， 可以通过在此次试验获得 的最佳焊接参数的基础上增大焊接电流来进一步优化 焊接工艺参数。（3） 接头各区域显微硬度主要取决于各区域中马 氏体的含量， 双相钢接头由于铁素体的不断生成导致 马氏体含量不断减小， 最终引起接头显微硬度不断递 减； 而热成型钢先发生马氏体晶粒细化导致显微硬度 短暂增大， 而后由于铁素体的产生降低了马氏体含量 的减少， 引起显微硬度陡降， 最终到母材由于铁素体 的消失又改善了基体的显微硬度。（4） 由于母材的淬硬倾向， 接头极易产生缩孔缺 陷， 除此之外焊接时间过长、 电极压力不足、 锻压力 施加的不及时等也会导致缩孔缺陷的产生 。 缩孔缺陷 产生于熔核凝固过程后期， 分布在贴合面附近， 使点 焊接头力学性能变坏， 尤其会引发裂纹导致接头持久 强度极限降低。 为了有效避免缩孔缺陷的产生， 可以 合理调整电极压力， 正确确定脉冲次数、 通电和间歇 时间以准确控制热输入量， 还可以通过双脉冲点焊工 艺或多脉冲点焊工艺进行焊接。由以上硬度曲线可见：（1） 双相钢侧随着与焊缝中心的距离增加，显微