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PH1500热成形钢电阻点焊焊接性能研究
伊日贵,汪小培,张永强,鞠建斌,杨建炜
(首钢技术研究院,北京100043)
摘要:研究PH1500热成形钢的电阻点焊焊接特性,探讨该工艺下钢板的焊接电流窗口、焊点的微观组织、显微硬度和力学性能等方面的特点,分析其焊接特性。结果表明,1.2mm厚的该钢种焊接窗口为1.6kA,最小和最大焊接电流分别为7.2 kA和8.8 kA。在最小和最大焊接电流下,焊点的热影响区都存在软化点。最小焊接电流下焊点焊缝的硬度值波动较小,焊缝硬度略高于最大焊接电流下焊点焊缝的硬度值。相对来说,焊接电流对抗剪力的影响较小,对抗拉力的影响较大。
关键词:热成形钢;点焊;电流窗口;显微硬度;力学性能
0 前言

汽车业的蓬勃发展给人们带来便利和拉动经济的同时也带来了严峻的环境问题。汽车轻量化是解决汽车油耗和排放最有效的手段,因此各类塑性和成形性良好的高强度汽车用钢板的研究越来越受关注[1]。热成形钢是利用相变强化(形成马氏体)生产出的具有超高强度和优良成形性的一种新型工艺钢材。

热成形工艺是指将板材加热到高于Ac3的温度(通常900℃~950℃)保温一段时间,使材料全部奥氏体化后移至热成形的压机中成形淬火,零件冷却后从模具中取出剪边并进行表面处理,最后用点焊方式装配到汽车车身上[2]。热成形钢都是含硼钢,硼能有效抑制成形过程中铁素体的形核[3],并利用锰、铬元素来提高材料的淬透性。在热成形过程中材料表面易氧化,通常使用喷丸方法消除表面氧化层。热成形钢因其良好的成形性及超高的强度,广泛应用于汽车防碰撞的加强件[4]。

在此针对1.2 mm规格的热成形钢PH1500进行电阻点焊试验,研究其可焊电流窗口以及焊点的微观组织和力学性能,评估其点焊焊接特性。

1 试验材料和设备

1.1 试验材料

试验材料为热成形钢PH1500,钢板厚度1.2 mm。钢板的主要化学成分和力学性能见表1和表2,屈服强度980MPa,抗拉强度1245MPa,伸长率1.5%。

表1 钢板的化学成分 %
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表2 钢板的力学性能
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1.2 试验设备

试验设备为OBARA DB-220型固定式逆变点焊机,标称功率220kVA,电极极头直径6 mm。点焊接头试样焊接成形后,取点焊接头焊点的最大横截面制备标准金相试样,试样腐蚀液为4%的硝酸酒精溶液,采用Leica DMI5000M型金相显微镜观察微观组织形貌,采用Leica HXD-1000TM型显微硬度测试仪测量显微硬度,并用Zwick-Z100型拉伸设备测试焊点剪切性能和十字拉伸性能[5]。

2 试验方法

剥离试验样片的规格尺寸为45 mm×45 mm,在40 mm处两片重叠进行点焊,焊点在中央,无分流,焊后进行剥离试验,剥试验后测量拔出焊核直径,如图1所示。当第一次实现焊合直径 d1ecf232ea4874dc33ed44394c7e4a9f.jpg 时的焊接电流为Ivmin。从Ivmin开始,焊接电流以100 A递增,当连续5次实现焊合直径满足dwmin时的电流值为最小焊接电流;最大焊接电流是指试样产生飞溅时电流以100 A步进递减后,实现3个平行点焊试验稳定不产生飞溅时的电流值。对于1.2 mm规格PH1500钢板,dwmin=4.38 mm。焊接参数和试验结果如表3所示。

[size=0.8em]图1 焊点剥离试验试样示意
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剪切拉伸试样和十字拉伸试样如图2、图3所示,分别在最大和最小焊接电流参数下进行点焊,焊后试样进行拉伸试验,得到相应参数下焊点的抗剪性能和抗拉性能。

[size=0.8em]表3 焊接参数和试验结果
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[size=0.8em]图2 焊点剪切拉伸试样示意
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[size=0.8em]图3 焊点十字拉伸试样示意
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3 分析和讨论

3.1 焊接电流窗口

PH1500钢种的焊接试验过程见图4,黑点表示在决定最大电流过程中焊核拔出时焊核直径的变化,直至产生飞溅(星号),再递减决定其最大焊接电流;灰色圆点表示在决定最小焊接电流过程中焊核拔出时焊核直径的变化,并决定其最小焊接电流。

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[size=0.8em]图4 焊接试验过程

从3.0 kA开始进行试验,电流每次步进200 A,每个电流参数下平行焊接两个点,直至飞溅电流为9 kA后以100 A的步进递减,直至实现3个平行稳定不产生飞溅,此时电流为最大值Imax=8.8kA。该钢种第一次实现dwmin的电流为7.0 kA,从该电流值后以100 A的步进递增,当连续5次实现焊合直径满足dwmin时的最小焊接电流Imin=7.2 kA。

焊接电流窗口如图5所示,该钢板在280 ms的焊接时间下,最小焊接电流为7.2 kA,最大焊接电流为8.8 kA,可焊电流范围为1.6 kA。

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[size=0.8em]图5 焊接电流窗口

3.2 组织形貌

焊点的组织形貌由母材基体(BM)、热影响区(HAZ)和焊缝区(FZ)三部分组成。母材基体组织形貌如图6所示,主要为回火马氏体和未完全熔合的铁素体晶粒。

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[size=0.8em]图6 母材基体组织

对比分析各个焊核的微观组织,最小焊接电流和最大焊接电流焊点的热影响区(HAZ)和焊缝区(FZ)的微观组织对比如图7所示。热影响区为马氏体加部分铁素体,焊缝区为板条状马氏体。对比图7a和图7c,最大焊接电流下的焊缝组织比最小焊接电流下的粗大。

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[size=0.8em]图7 焊点的微观组织形貌

3.3 焊点显微硬度

分析焊点在最小焊接电流和最大焊接电流下的压痕,如图8所示。焊点在最小焊接电流下压痕平均深度为242 μm,在最大焊接电流下的平均深度为297 μm,最大焊接电流下的压痕深度比在最小焊接电流下的大55 μm。

对焊点进行显微硬度分析,如图9所示。在横断面上,从母材一侧经过焊缝到母材另一侧,每隔400 μm打一个硬度点,加载力为1 kg[5]。

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[size=0.8em]图8 焊点的压痕
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[size=0.8em]图9 显微硬度打点示意

最小焊接电流下焊点的显微硬度分布如图10所示。焊缝区的显微硬度约为500 HV,母材的显微硬度约为450HV,热影响区存在软化点,软化点显微硬度约为320~340 HV。最大焊接电流下焊点的显微硬度分布见图11,焊缝区的显微硬度约为480 HV,母材的显微硬度约为425 HV,热影响区软化点的显微硬度约为310 HV。相比之下,最大焊接电流下焊缝的软化更为明显,且存在局部软化现象。

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[size=0.8em]图10 最小焊接电流下焊点的显微硬度分布

3.4 焊点的力学性能

最大焊接电流和最小焊接电流下焊点的抗剪拉伸曲线和十字拉伸曲线如图12、图13所示,所有焊核的断裂模式均为焊核拔出。最大焊接电流下焊点的抗剪力和正拉力均略大于最小焊接电流下的,最大焊接电流下焊点的抗剪力和正拉力约为21.0kN和6.7 kN,最小焊接电流下焊点的抗剪力和正拉力约为20.1kN和5.6 kN。

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[size=0.8em]图11 最大焊接电流下焊点的显微硬度分布
焊点的抗剪拉伸最大力在最小焊接电流和最大焊接电流下分别为20 080 N和21 017 N,说明焊接电流的增大会增强焊点的抗剪力;焊点的十字拉伸最大力在最小和最大焊接电流下分别为5 575 N和6 674 N,与剪切一样,焊接电流的增大使得焊点的抗拉力增强。

抗剪试验和十字拉伸试验中焊核拔出的照片如图14所示。试验后,其中一片试样的焊核部位被撕裂拔出一个孔洞[5],另一片试样上保留着完整的焊核,说明焊核强度高于钢板母材强度,焊点的力学性能良好。

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[size=0.8em]图12 最大和最小电流下焊点的抗剪拉伸曲线

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[size=0.8em]图13 最大和最小电流下焊点的十字拉伸曲线
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[size=0.8em]图14 抗剪试验和十字拉伸试验中的焊核拔出

对于一般软钢而言,随着焊接电流的增加,焊核直径变大且抗剪力增强;但是对于PH1500高强钢而言,软化点的存在能够吸收一部分能量,因此焊核增大对抗剪力的影响并不明显。对正拉力而言,电流的增大会使其变大,但不明显。

4 结论

(1)在电极压力4 kN、保持时间280 ms、焊接时间280 ms的条件下,1.2 mm规格PH1500热成形钢的最小焊接电流为7.2 kA,最大焊接电流为8.8 kA,焊接电流窗口为1.6 kA。

(2)焊点在较大焊接电流下压痕较深,在最大焊接电流下压痕深度比在最小焊接电流下的大55μm。

(3)在最小和最大焊接电流下,焊点的热影响区均存在软化点,且最大焊接电流下焊缝的软化更为明显,并有局部软化现象。

(4)对于PH1500高强钢而言,由于软化点吸收了一部分能量,所以焊核的增大对抗剪力的影响不明显。其正拉力随着电流的增大而增大,但不明显。

参考文献:

[1]李光瀛,马鸣图.我国汽车板生产现状及展望[J].轧钢,2014,31(4):22-32.

[2]徐松,黄治军,孙宜强,等.超高强热成型钢板的点焊工艺性能研究[J].钢铁研究,2012,40(2):36-40.

[3]Kapadia B M.Hardenabilityconceptswithapplicationtosteel [M].A.I.M.E.,Warrendale,USA,1978:448.

[4]易红亮,董杰吉.热成型钢及热成型技术[J].山东冶金,2009,31(5):17-19.

[5]汪小培,张永强,鞠建斌,等.超低碳烘烤硬化钢电阻点焊特性研究[J].焊接技术,2016(6):11-14.

[size=1.8em]Research on resistance spot welding performance of hot stamping steel PH1500
YI Rigui,WANG Xiaopei,ZHANG Yongqiang,JU Jianbin,YANG Jianwei
(Shougang Research Institute of Technology,Beijing 100043,China)
Abstract:The resistance spot welding characteristics of hot stamping steel PH1500 is investigated in this paper.The welding lobe,the microstructure,microhardness and mechanical properties of the spot welds on this steel are analyzed.The results show that the welding lobe of this steel with 1.2 mm thickness is 1.6 kA,and the minimum and maximum welding current is 7.2 kA and 8.8 kA respectively. There are softening regions in weld HAZ both under minimum and maximum welding currents.The hardness fluctuation of the weld under minimum welding current is smaller than the one under maximum welding current,but the hardness value is higher.Relatively,the welding current change has less effect on shearing resistance,while has bigger influence on tensile resistance.
Key words:hot shaping steel;spot welding;welding lobe;microhardness;mechanical property

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