热成型钢焊接接头的组织及力学性能

热成型钢焊接接头的组织及力学性能

闫鹏

身份证号：37140219881102263X

摘要:目前，热成型钢在商用车上的应用主要包括白车身A/B柱加强板、发动机舱后纵梁、驾驶室后悬置支架，前下部防护横梁等。热成型钢的抗拉强度在1500MPa以上，大多是由低碳硼合金高强钢经特定的热成型工艺而获得。经热成型工艺处理后，热成型钢内部组织为均匀的马氏体，马氏体的存在使得热成型钢焊接接头容易产生冷裂纹和脆化，另外，热成型钢中合金元素显著提升了热成型钢脆硬性及碳当量。高碳当量、脆硬性及接头冷裂纹的存在使得热成型钢焊接困难，因此，选择适宜的焊接工艺参数对热成型钢在商用车轻量化中的应用尤为重要。

关键词：热成型钢焊接接头；组织；力学性能

引言

热成型高强钢中添加锰、硼等微量元素，会提高其淬透性[8-9]。热成型钢是将高强度锰、硼等合金钢加热到880℃～930℃，使材料完全奥氏体化，再把材料放入保温模具内冲压成型，然后在保压状态下对材料进行淬火，使奥氏体完全转变为马氏体组织，淬火后的零件强度可达到1500MPa。与热成型钢不同，双相钢（DualPhase,DP）的显微组织为铁素体+马氏体，铁素体硬度低，使钢具备较好的成型性能，马氏体硬度高，使钢具备较高的强度。目前国外对于热成型钢以及DP双相钢点焊焊接性做了大量的研究，在点焊工艺、高强度钢点焊质量检测以及点焊性能评价等方面开展了大量的基础性工作，也将热成型钢和双相钢大量应用于汽车制造。国内对于这些钢种的焊接性研究相对较少，缺乏指导生产的相关数据。

1.焊接工艺参数对焊接接头力学性能影响研究

1.1焊接电压和焊接电流

在任何焊接过程中，焊接电压都是重要的工艺参数，决定了焊接接头的形状和宽度，影响焊接接头熔深和焊冠高度，还影响焊接接头边缘以及熔渣的形成。焊接电压越高，焊接接头宽度通常越大。焊接电流显著影响熔透深度，但对焊接接头宽度影响不大，厚件焊接时可以使用大电流。但如果焊接电流过高，则可能发生材料燃烧；而如果焊接电流过低，则会导致渗透不足和未焊透。因此，必须选择适当的焊接电压和焊接电流进行焊接。在对焊接接头力学性能研究过程中发现，相比焊接电流，焊接电压对熔深和焊冠高度的影响更大，而焊接电压和焊接速度对焊接接头高度和宽度均无显著影响，焊剂对最终的焊接接头强度影响显著。采用局部热力学平衡假设，可以研究埋弧焊焊接过程中元素过渡的方向、在熔池中可能发生的反应以及对焊接接头力学性能的影响。例如要预测焊接接头金属中的元素含量，可以使用渣-金属平衡或气-渣-金属平衡热力学模型进行预测，研究熔池中金属过渡的方向及在该过程中有可能产生的气体。即使由于焊剂覆盖，无法准确观测到焊接过程中熔池的状态和反应的变化，仍然可以用冶金学来解释反应过程中的现象。

1.2焊接速度

焊丝相对于工件的速度称为焊接速度。随焊接速度的增大，熔深减小，焊接接头宽度变窄。但如果焊接速度非常低，也会观察到相反的效果。这是因为在非常低的焊接速度下，现有熔池阻止了能量向更深处转移，熔透深度降低。对于所需的最大穿透深度，需要找到最佳的焊接速度。

1.3焊丝直径

在输入电流不变的条件下，焊丝直径决定着电极的电流密度。输入电流与焊丝横截面面积之比称为电流密度，如果焊丝直径非常小或非常大，则极有可能出现不平衡的渗透深度。因此，需选择合适的焊丝直径。

1.4焊剂通量

在电弧焊过程中，棒形焊条上的涂层是为了保护焊接接头。但在埋弧焊过程中，焊接接头的保护是通过使用粒状焊剂实现的。焊剂分为熔合型、粘结型、凝聚型和机械混合型4种，使用吸湿剂去除水分。不同类型的焊剂均用于获得高强度的焊接接头。①随焊剂通量的增大，熔深、余高增大，焊接接头熔合区中块状先共析铁素体体积占比逐渐增大。②焊接接头、热影响区的硬度均高于母材，且硬度值随焊剂通量的增大而减小。③最高热输入量为41.0kJ/cm时，焊接接头的屈服强度与抗拉强度均高于母材。

1.5焊接过程

在选择焊接技术使用时，首先要正确选择焊接材料。工作开始前，要检查焊接材料的质量是否满足施工要求，如果发现其无法满足施工需求或存在质量问题，要及时处理。焊接时，工作人员要严格遵循焊接的技术规范，不得擅自操作，以免影响最终的钢结构质量。打底焊接前，执行机构在不起弧的状态下沿焊缝中心行走一圈，确保焊枪处于坡口中心位置。打底焊时，在施焊的对称位置进行观察，及时调整焊接过程中焊接电流的大小，确保根部熔合良好。打底焊接采用插入式扁嘴保护气罩，确保根部保护良好，在焊缝厚度达到20mm后结合保护效果可更换为圆形玻璃保护气罩。在焊接过程中，通过远程监控系统，观察熔池的状态并进行微调，保证焊缝成形及侧壁熔合良好。为防止出现侧壁未熔合现象，需要在焊接每层道时，钨极适当偏向相应侧壁。若出现深度在1mm以内的侧壁未熔合或缩孔缺陷时，通过重熔方式处理；若发现深度＞1mm的缺陷时，用磨光机将缺陷打磨干净后，重新填丝焊接处理。每层每道焊缝接头应错开，每层焊接完成后及时观察焊道情况，使用钢丝刷进行层间清理，去除焊缝表面氧化皮等杂物，防止进入下道焊缝造成缺陷。

1.6根据实际状况选择焊接工艺

焊接场景与相关的焊接工艺是紧密相连的，不同的焊接工艺对应着不同的焊接场景。焊接时，施工人员要先确保焊接的结构符合要求，并严格控制焊接工艺的选择及流程。同时，施工人员要具备丰富的焊接经验，能准确判断哪些因素会影响焊接质量。比如：电流、操作顺序、焊接速度等。因此，施工单位要严把焊接材料质量关，将问题解决在萌芽状态。施工现场的焊接人员也要做好应对其他情况的措施，当出现特殊情况时，要根据问题的特点具体分析。比如，如果出现焊接缝集中的问题，可能会导致焊接成品出现瑕疵。此时，施工人员可以通过跳焊法的方式进行焊接。如果需要对焊接缝较长的地方进行焊接，施工人员可以采用分段退步焊等方式，以此提升焊接质量，让最终的焊接成品更加安全可靠。

结束语

热成型钢B1500HS为马氏体钢，焊接对其影响较大。文中以不同焊接工艺，研究热成型钢焊接性能，得到以下结论:(1)热成型钢B1500HS焊接接头宏观形貌呈碗状，焊缝呈X状，宽度3mm，热影响区单边5mm左右;(2)热成型钢母材组织为细小板条马氏体，焊缝区整个组织符合针状铁素体特征，热影响区组织为粗大板条马氏体，粗大板条马氏体对焊接接头强度影响较大，随着热输入的增大，热影响区晶粒度有所提高;不同焊丝，焊接接头显微组织变化不明显;(3)热成型钢合理的焊接工艺参数为:焊丝EＲ83，φ1.2mm，焊接电流100～120A，电弧电压18.8V。焊接接头抗拉强度943MPa，约为母材抗拉强度的58%，断裂位置处于热影响区软化区，软化区硬度在HV286左右。经试验统计，母材硬度在HV510左右，焊缝区硬度在HV330左右。

参考文献

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