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      厚度大于2.0 mm的雙相鋼DP600窄搭接焊工藝探討

      2022-04-26 01:17:28李登鵬
      冶金動力 2022年2期
      關(guān)鍵詞:斷帶表面質(zhì)量形貌

      李登鵬,董 標

      (馬鞍山鋼鐵股份有限公司冷軋總廠,安徽馬鞍山 243000)

      前言

      為了滿足汽車行業(yè)輕量化的發(fā)展需求,雙相(DP)鋼是20 世紀70 年代發(fā)展最快的一類新鋼種,也是開發(fā)較早的汽車先進高強鋼,因其制造工藝和方法較為容易,產(chǎn)品系列較為齊全,在汽車加強件、防撞件及結(jié)構(gòu)件等方面得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。在鋼鐵行業(yè)中,連退線、精整線、鍍鋅線等在連續(xù)生產(chǎn)條件下,需要完成DP鋼對DP鋼的焊接以及DP鋼對其他不同鋼種的焊接。然而,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(0.3~1.5 mm)的同種或異種鋼焊接[3-5],對于DP 鋼超厚規(guī)格2.0 mm 以上的同種或異種鋼焊接問題和工藝上的研究卻鮮有報道。

      雙相鋼DP 由于其復(fù)雜的合金元素、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[6]。實際生產(chǎn)過程中,DP 鋼與其它鋼種的窄搭接焊難以形成穩(wěn)定的焊縫質(zhì)量,特別是厚度2.0 mm 以上規(guī)格的DP 鋼,容易形成孔洞、焊渣、虛焊等缺陷,造成爐內(nèi)焊縫斷帶,生產(chǎn)線停機,給生產(chǎn)單位造成巨大的經(jīng)濟損失。為此通過汽車用先進高強鋼DP600 厚度2.5 mm 與普通碳鋼DX51D厚度2.5 mm 的焊縫斷帶進行分析,通過宏觀觀察、金相顯微鏡、SEM 對焊縫斷帶的裂紋形貌、組織進行分析,確認焊縫斷帶的原因。進一步分析窄搭接焊接工藝參數(shù)對DP600 焊縫性能的影響,得到兩種鋼種焊接的最佳工藝參數(shù)。

      1 試驗材料及方法

      1.1 試驗材料

      試驗材料選取汽車用雙向鋼DP600 厚度2.5 mm,普通碳鋼DX51D 厚度2.5 mm 鋼卷。其規(guī)格、成分如表1和表2所列。

      表1 材料尺寸及規(guī)格

      表2 材料成分 %

      1.2 試驗方法

      采用日本TEMIC 全自動窄搭接焊機進行焊接,利用杯突試驗機和折彎試驗機對焊縫質(zhì)量進行判定。取焊縫斷裂樣本通過宏觀觀察,金相顯微鏡、SEM 對斷帶焊縫進行失效分析。通過焊接試驗方法,分析窄搭接焊工藝參數(shù)對DP600 焊接接頭性能的影響。

      2 焊縫斷帶的工藝參數(shù)及焊縫質(zhì)量分析

      2.1 焊縫斷帶的工藝參數(shù)

      生產(chǎn)DP600 鋼厚度2.5 mm 時,與前卷普通碳鋼DX51D厚度2.5 mm 進行窄搭接焊,焊縫兩側(cè)月牙杯突試驗合格后放行。在焊縫運行到退火爐緩冷段時發(fā)生焊縫斷帶,斷帶試樣如圖1 所示。其工藝參數(shù)見表3。

      圖1 焊縫斷帶試樣

      表3 DP600鋼與DX51D焊接工藝表

      在此工藝參數(shù)條件下,焊接平均溫度在1140 ℃,操作側(cè)和傳動側(cè)溫度波動無明顯異常,中部溫度波動較大,整體在正??刂品秶畠?nèi)。

      2.2 裂紋及開裂形貌

      圖2為斷帶焊縫整體形貌,可以看出,焊縫兩個邊部(每個邊部約100~200 mm),裂紋開裂沿DX51D 側(cè)母材擴展,且開裂處具有較大塑性變形;中部(約750 mm)大部分焊縫呈剝離狀撕裂,斷口無明顯塑性變形,有間斷撕裂點,如圖3 所示。圖4 為焊縫操作側(cè)邊部局部放大圖,可以看出,距帶鋼邊部約5 mm處為焊接熔合點起始位置,即帶鋼操作側(cè)邊部存在約5 mm 未熔合區(qū)域。鋼帶在爐內(nèi)運行過程中,這5 mm 區(qū)域會造成焊縫應(yīng)力集中,成為焊縫開裂的起始點。由此可見,此次2.5 mm DP600 焊縫斷帶以操作側(cè)為撕裂起始點沿著整個焊縫開裂,邊部有大的塑性變形,而中部未熔合區(qū)域較多,在爐內(nèi)高溫和張力作用下,造成斷帶。

      圖2 斷帶焊縫整體形貌

      圖3 斷帶焊縫中部放大圖

      圖4 斷帶焊縫邊部放大圖

      2.3 接頭金相橫截面觀察

      為進一步對不同位置焊接接頭橫截面進行觀察,分別對斷帶焊縫中部和邊部取樣,在顯微鏡下觀察截面形貌,如圖5、圖6所示。可以看出,對于帶鋼中部區(qū)域,熔合面積較小,斷裂沿DX51D 與DP600 搭接界面撕開且無明顯塑性變形;對于帶鋼邊部區(qū)域,DX51D 與DP600 熔合較好未分離,斷裂發(fā)生于焊縫附近DX51D 母材處,焊接效果明顯好于中部。結(jié)果顯示整條焊縫大部分區(qū)域沿材料的搭接界面撕裂。從焊縫失效后的橫截面來看,搭接面撕裂位置熔合相對較差。

      圖5 斷帶焊縫中部截面

      圖6 斷帶焊縫邊部截面

      2.4 焊縫表面電鏡掃描

      圖7 為斷帶焊縫邊緣未熔合區(qū)域端面及表面SEM 形貌,可以看出,未熔合區(qū)域端面厚度未明顯減薄仍保留原始剪切端面。觀察其截面組織,只有DP600,上下表面未發(fā)現(xiàn)DX51D。可見,操作側(cè)搭接面在焊輪碾壓電極放電作用下,有未完全融合區(qū)域,只有物理性的絞合連接,沒有金屬鍵原子間的結(jié)合。

      圖7 斷帶焊縫邊緣處斷面形貌

      3 原因分析及討論

      3.1 焊接工藝參數(shù)控制

      根據(jù)焊縫斷帶的焊接溫度曲線波動及焊縫質(zhì)量分析,可以看到,在原焊接工藝參數(shù)條件下,整條焊縫沒有完全實現(xiàn)均勻、連續(xù)的良好熔核,部分沒有完全熔合,導(dǎo)致焊縫虛焊??梢?,厚規(guī)格2.5 mm DP600的窄搭接焊工藝參數(shù)需進一步優(yōu)化。

      窄搭接焊過程是將兩塊材料(帶鋼)搭接在一起,通過適當?shù)碾娏?,焊輪的碾壓,在材料自身的電阻、材料間及材料與電極間接觸部分的集中電阻上產(chǎn)生熱量,最終熔化而焊接起來,是一種快速加熱,快速冷卻的熱循環(huán)過程。雙相鋼DP600 因合金元素Si、Mn 等含量高,其可焊性指標CE(碳當量)為0.500,我們知道碳當量越小,可焊性越好;反之,碳當量越大,可焊性就越差。當碳當量值超過0.4 時,冷裂紋敏感性增加,對焊接工藝參數(shù)比較苛刻。通過下列幾組工藝參數(shù),采用窄搭接焊機,對鋼種DP600 厚度2.5 mm、DX51D 厚度2.5 mm 進行焊接試驗。焊機根據(jù)焊接有效長度自帶焊縫溫度曲線,焊接完成后,焊接溫度曲線要求平穩(wěn)且在溫度要求范圍以內(nèi);焊縫剪切下來的長條作為試驗樣本,利用杯突試驗機均勻取焊縫5個點做杯突試驗,5個杯突試驗點全部合格,說明焊縫質(zhì)量合格,只要有一個杯突試驗點不合格,說明焊縫質(zhì)量不合格。根據(jù)杯突試驗結(jié)果和焊縫的表面形貌得到最佳焊接工藝參數(shù),并研究工藝參數(shù)對焊縫質(zhì)量的影響。焊接工藝參數(shù)如表4所列。

      表4 DP600厚度2.5 mm與DX51D厚度2.5 mm焊接工藝表

      由表4可以看到,1號試樣為焊縫斷帶原工藝參數(shù),其操作側(cè)和中部杯突試驗不合格,如圖8 所示。操作側(cè)杯突沿著焊縫裂開,沒有出現(xiàn)縱向撕裂,仔細觀察撕裂區(qū),發(fā)現(xiàn)母材搭接量處完全各自分開,沒有實現(xiàn)有效熔合,并且焊縫出現(xiàn)大量焊渣。對比1、2、3 號試樣,當焊輪壓力設(shè)定為19.5 kN 時,調(diào)節(jié)不同焊接電流,焊接溫度曲線良好,但是杯凸試驗不合格,杯凸裂紋沿著焊縫擴展,搭接區(qū)母材相互撕開,表明焊縫沒有完全焊透;當增加焊輪壓力設(shè)定為22 kN 時,電流由17.8 kA 逐步增加到19.0 kA時,杯凸試驗都合格,其焊接平均溫度由978℃提高到1100℃,焊縫表面質(zhì)量良好,有少量的氧化鐵皮。當電流增加到19.5 kA 時,焊縫火花出現(xiàn)“炸火”現(xiàn)象,焊縫表面質(zhì)量出現(xiàn)焊渣,壓坑,同時焊輪表面也出現(xiàn)焊渣及腐蝕坑。如圖9 所示。對比3、6 號試樣,可以看到,當增加焊輪壓力,焊縫表面質(zhì)量明顯好轉(zhuǎn),同時對抑制熔核飛濺有明顯改善。這是因為壓力增加,焊輪與母材面積增加,焊接回路電阻減小,焊縫單位面積內(nèi)熱輸入量降低,可減少熔核區(qū)域溶液飛濺。通過試驗,可以看到,當焊接電流為19.0 kA,焊輪移動速度為5.8 m/min,電極壓力為22 kN,操作側(cè)搭接量為1.7 mm,傳動側(cè)搭接量為2.6 mm 時,焊接工藝參數(shù)最佳。

      圖8 1號試樣操作側(cè)與傳動側(cè)杯凸

      圖9 焊輪表面腐蝕孔洞及焊渣

      3.2 焊輪的影響

      窄搭接焊焊輪在焊接時,充當焊接電極、電阻、提供焊接壓力,對焊縫質(zhì)量有著至關(guān)重要的作用。對于厚規(guī)格DP600 的焊接,由于復(fù)雜的合金元素和高的強度,不利于焊縫組織均勻性,同時焊接工藝參數(shù)有效調(diào)整范圍較普通碳鋼要小,這意味著焊接工藝參數(shù)的少量調(diào)整,就對焊縫質(zhì)量有著明顯的影響,這樣的特點也對焊輪的表面質(zhì)量也有著較高的要求。

      焊輪是窄搭接焊最易消耗的部件,焊輪表面的圓度、焊渣、孔洞等對焊縫表面質(zhì)量有著明顯的影響。對于DP600 厚度2.0 mm 以上的窄搭接焊,對焊輪的要求如下。

      (1)焊輪在線修磨要修成略帶圓弧的頂面,以使鋼帶在焊點處相互緊密接觸,使電流集中在此處,以此為中心形成熔核,從而使焊縫連續(xù)、均勻。

      (2)必須保證焊輪圓周光滑圓順,沒有凸點和凹點,這樣才能保證焊接時,隨著焊輪的轉(zhuǎn)動,所有點均能均勻接觸鋼帶,不會造成只有局部接觸,使電流集中于某一點,燒傷鋼帶或焊輪。

      4 結(jié)論

      (1)DP600 厚度2.5 mm 與DX51D 厚度2.5 mm的焊縫斷帶進行金相、SEM 分析,操作側(cè)為裂紋源,邊部有大的塑性變形,而中部未熔合區(qū)域較多,整條焊縫熔核不均勻、連續(xù),在爐內(nèi)高溫和張力作用下,造成斷帶。

      (2)通過對DP600 厚度2.5 mm 的窄搭接焊接試驗,工藝參數(shù)進行摸索,當焊接電流為19.0 kA,焊輪移動速度為5.8 m/min,電極壓力為22 kN,操作側(cè)搭接量為1.7 mm,傳動側(cè)搭接量為2.6 mm 時,焊接工藝參數(shù)最佳,焊縫質(zhì)量良好。

      (3)對于DP600 厚度2.5 mm 的窄搭接焊接,適當增加焊輪壓力,焊縫表面質(zhì)量明顯好轉(zhuǎn),同時對抑制熔核飛濺有明顯改善。

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