CN102489859B

CN102489859B - 一种提高先进高强钢点焊接头力学性能的方法

Info

Publication number: CN102489859B
Application number: CN 201110421505
Authority: CN
Inventors: 赵金武; 韩秀红; 胡新举; 蒋志岩; 陈建和; 焦德岩; 尹善文
Original assignee: CHANGCHUN SANYOU AUTOMOBILE PARTS MANUFACTURE Co Ltd
Current assignee: CHANGCHUN SANYOU AUTOMOBILE PARTS MANUFACTURE Co Ltd
Priority date: 2011-12-16
Filing date: 2011-12-16
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2031-12-16
Also published as: CN102489859A

Abstract

本发明涉及一种提高先进高强钢点焊接头力学性能的方法，属于金属材料领域。其目的是使熔核金属晶粒细化，改善接头的组织，以达到提高先进高强钢点焊接头的力学性能。本方法的工艺步骤是：第一步，孕育剂的制备采用颗粒大小为20-60μm，纯度为99.99％的Nb、Ni和Ti金属按质量百分比计Wt/％：Nb：10-30％，Ni：30-70％，Ti：20-40％；第二步，按孕育剂粉状合金质量百分比为90％和粘结剂10％均匀混合，粘结剂是以聚苯乙烯为溶质，三氯乙烯为溶剂制成的透明塑胶体，所述粘结剂在150-370℃间受热完全挥发不留任何残渣；第三步，将孕育剂合金膏均匀涂敷于先进高强钢点焊施焊处进行点焊。

Description

一种提高先进高强钢点焊接头力学性能的方法

技术领域

本发明涉及一种提高先进高强钢点焊接头力学性能的方法，属于金属材料领域。

背景技术

汽车轻量化降低油耗与排放和提高碰撞安全性的一个重要手段就是采用先进高强度钢。先进高强钢(AHSS)具有成型性能好，强度、能量吸收率和初始加工硬化速率高以及防撞凹性能好等综合优势，迅速发展为汽车制造中应用前景最为看好的轻量化材料之一。其中，安全法规是推动先进高强度钢应用的重要动力。汽车制造中的许多安全零部件，如A、B、C三柱、保险杠防撞梁、门防撞杠和保险杠防冲柱等，逐渐采用了强度在700-1500Mpa的先进高强度钢进行生产。任何新材料的发展和应用都离不开二次加工，只有通过二次加工，才能使材料转换为产品，而这个过程必需高效、低成本及时满足市场需求。焊接技术是开发新材料走向实用化重要的加工方法之一。随着先进高强度钢板在车身中的广泛应用，焊接技术问题变的日益突出。尤其是在白车身装配过程中大量采用高效率和低成本的电阻点焊技术，先进高强度钢板的点焊质量问题一直受到研究人员的密切关注。先进高强度钢板点焊接头质量的不稳定是亟待解决的技术难题。这是因为先进高强钢是在低碳钢中添加少量的镍、铌和/或钛等合金元素，经过固溶体强化、析出强化、晶粒细化强化和应变组织强化，使其与碳、氮等元素形成碳化物、氮化物并在铁素体基体上析出从而提高钢的强度。

先进高强度钢对点焊热作用非常敏感，点焊过程中母材重熔，电极压力作用和快速冷却都将影响点焊接头熔核的结晶状态和微观组织，结果反映到接头的物理、化学和力学性能变化。实际生产过程中，先进高强钢电阻点焊极易产生缩孔、裂纹和飞溅等，焊接接头处易出现结合面断裂。目前，研究人员对先进高强钢电阻点焊的研究主要集中在各种高强钢的焊接性、焊接规范参数对焊点组织性能的影响、电极寿命、焊接程序和工艺的优化等，并取得了可喜的成果，如采用恒流控制法、动态电阻法、热膨胀位移法、超声波法与基于人工神经网络和模糊控制的智能控制系统等来提高接头的质量稳定性，其实质均是围绕如何保证熔核尺寸稳定和控制接头熔核组织形成过程。但是，由于点焊过程中各种干扰因素非常复杂和点焊方法本身的特点(焊接电流大、焊接时间短、冷却速度快、压力作用和无损检测困难等)，上述控制方法均有其局限性。

金属材料的点焊过程是在热和机械力的作用下形成塑性环、熔核，并随着通电加热的进行逐渐长大，直至达到所需的熔核尺寸。接头熔核组织的形成经历焊点金属的熔化和凝固、冷却时的固态相变。熔核的凝固过程对焊缝金属的组织和性能具有重要的影响。点焊过程中，由于熔核中的冶金条件(材料的成分和原始组织)和冷却条件(工艺因素)的不同，可能得到性能差异甚大的组织。点焊熔核凝固过程是从自由能最低的熔核边界半熔化的晶粒表面开始联生结晶，然后沿着最大过冷度方向择优生长，一直长至熔核的中心，形成粗大的柱状晶体。金属材料电阻点焊熔核的凝固组织多为柱状晶组织。柱状晶组织的生长特点会形成熔核的薄弱面，且该薄弱面与点焊搭接接头处于高应力区的板缝相重合，将显著降低点焊接头的力学性能。因此，提高点焊接头的力学性能必须改善点焊熔核的凝固组织，由柱状晶组织转变为等轴晶。孕育处理是指在凝固过程中，向液态金属中添加少量其它物质，促进液体内部形核、抑制晶粒生长，达到细化晶粒的一种方法。优质铸件的生产，控制铸铁凝固时形成的石墨形态和基体金属组织是至关重要的，而孕育处理是生产工艺中最重要的环节之一。在液态铸铁中加入孕育剂，可促进石墨化，减少白口倾向，改善石墨形态和分布状况，增加共晶团数量，细化基体组织。熔化焊接时向熔池中添加某些合金元素作为熔池中非自发晶核的质点，可以改变结晶形态，使焊缝金属的晶粒细化，既可提高焊缝的强度和韧性，又可改善抗裂性能。

发明内容

本发明的目的是向点焊接头施焊处添加某些高熔点的合金元素作为熔核中非自发晶核的质点，对熔化的点焊熔核金属进行孕育处理，起到固溶强化和变质处理的作用，从而使熔核金属晶粒细化，改善接头的组织，以达到提高先进高强钢点焊接头的力学性能。

本发明的上述目的是这样实现的：一种提高先进高强钢点焊接头力学性能的方法，在先进高强钢板点焊的焊点施焊处添加某些熔点较高的合金元素作为孕育剂，在焊点金属凝固过程中起到孕育处理作用，改变熔核的结晶形态，使熔核金属的晶粒细化，从而达到提高点焊接头的力学性能。根据目的和要求的不同，可加入不同的合金元素，以改变熔核金属凝固组织的形态。结合先进高强钢成分、组织、原始加工组织特点和点焊工艺条件，先进高强钢点焊接头孕育处理添加的合金元素为Nb，Ni和Ti，孕育剂成分按质量百分比计(Wt/％)：Nb(铌)10-30％，Ni(镍)30-70％，Ti(钛)20-40％。

先进高强钢是在低碳钢中添加少量的镍、铌和/或钛等合金元素，点焊时将产生飞溅，导致熔核中的合金元素损失。点焊的焊点施焊处添加Nb，Ni和Ti合金元素作孕育剂首先是补偿点焊过程中由于蒸发、氧化和飞溅等原因造成的合金元素的损失。其次是Nb，Ni和Ti合金元素的熔点较高，可以作为熔核中非自发晶核的质点，使熔核金属晶粒细化。第三，适量的Nb和Ni可以提高点焊熔核的冲击韧性。因为Nb和Ni在低合金钢中可以固溶，推迟冷却过程中奥氏体向铁素体的转变，激发形成细小的针状铁素体组织。Ti与氧的亲和力较大，点焊熔核金属中的Ti是以微小颗粒氧化物的形式弥散分布于焊缝中，阻碍奥氏体晶粒的长大，促进点焊熔核金属晶粒细化。本发明根据各种添加合金元素的作用机理，在综合考虑到孕育剂成本以及对点焊接头熔核组织、物理、化学和力学性能影响的基础上，采用优化设计方法，对孕育剂中添加的合金元素进行优化，使点焊熔核组织由柱状晶组织转变为等轴晶，提高点焊接头的力学性能。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：一种提高先进高强钢点焊接头力学性能的方法，包括以下工艺步骤：

第一步，孕育剂的制备是采用颗粒大小为20-60μm，纯度为99.99％的Nb、Ni和Ti金属按一定成分配比组合均匀混合制备成的粉状合金。孕育剂成分按质量百分比计(Wt/％)：Nb(铌)10-30％，Ni(镍)30-70％，Ti(钛)20-40％。

第二步，将按设计成分制备好的孕育剂粉状合金再与粘结剂按一定配比混合均匀制成孕育剂合金膏。粘结剂是以聚苯乙烯为溶质，三氯乙烯为溶剂制成的具有一定粘性的透明塑胶体。粘结剂受热在150-370℃间完全挥发不留任何残渣。孕育剂合金膏中的孕育剂粉状合金质量百分比为90％，粘结剂质量百分比为10％。孕育剂合金膏中的粘结剂质量百分比可根据点焊工艺条件如钢板的厚度，点焊电流、时间和压力，点焊时的环境温度和湿度等进行适当调整，基本点是孕育剂合金膏能牢固粘附在施焊的焊点处，同时，保证点焊后粘结剂完全挥发不留任何残渣，避免焊点处形成气孔或夹杂。

第三步，将孕育剂合金膏均匀涂敷于点焊施焊处进行点焊。先进高强钢材料选用DP780双相钢进行试验，厚度1.2mm。电阻点焊设备为TDZ-3X100型三相次级整流点焊机，采用双脉冲点焊，点焊工艺参数为：预压时间(cyc)，10；焊接电流(kA)，9.0；焊接时间(cyc)，15；电极压力(kN)，4.0；冷却时间(cyc)，20；回火电流(kA)，4.7；回火时间(cyc)，22。

本发明的技术效果：所述的一种提高先进高强钢点焊接头力学性能的方法，达到的技术指标：(1)组织为等轴晶；(2)点焊接头力学性能提高21％-30％。

附图说明

图1点焊接头低倍组织(晶粒粗大)。

图2(a)点焊接头断裂断口形貌未施加孕育剂。

图2(b)点焊接头断裂断口形貌施加孕育剂。

未施加孕育剂点焊接头拉剪断裂的断口区域除了有许多不十分显著的小韧窝外，还存在着解理台阶等脆性断裂的形貌；施加孕育剂点焊接头拉剪断裂的断口有较为明显的塑性变形痕迹，点焊接头的塑性、韧性、强度均提高。

具体实施方式

通过以下给出的实施例对本发明方法作进一步具体阐述。

本发明所述的一种提高先进高强钢点焊接头力学性能的方法，在先进高强钢板点焊的焊点施焊处添加某些熔点较高的合金元素作为孕育剂，在焊点金属凝固过程中起到孕育处理作用，改变熔核的结晶形态，使熔核金属的晶粒细化，从而达到提高点焊接头的力学性能。组成孕育剂的合金元素为Nb，Ni和Ti，颗粒大小为20-60μm，纯度为99.99％，成分按质量百分比计(Wt/％)：Nb(铌)10-30％，Ni(镍)30-70％，Ti(钛)20-40％。孕育剂按一定成分配比组合均匀混合制备成粉状合金再与粘结剂按一定配比混合均匀，涂敷于点焊焊点施焊处，采用点焊焊机进行焊接。

下述所有实施例均采用纯度为99.99％的Nb，Ni和Ti元素，颗粒大小为20-60μm，根据各种添加合金元素的作用机理，在综合考虑到孕育剂成本以及对点焊接头熔核组织、物理、化学和力学性能影响的基础上，采用优化设计方法，对孕育剂中添加的合金元素进行优化，使点焊熔核组织由柱状晶组织转变为等轴晶，提高点焊接头的力学性能。先进高强钢材料选用DP780双相钢，厚度1.2mm。电阻点焊设备为TDZ-3X100型三相次级整流点焊机，采用双脉冲点焊，点焊工艺参数为：预压时间(cyc)，10；焊接电流(kA)，9.0；焊接时间(cyc)，15；电极压力(kN)，4.0；冷却时间(cyc)，20；回火电流(kA)，4.7；回火时间(cyc)，22。

实施例见下表：

表孕育剂成分及其点焊接头性能

Claims

1.一种提高先进高强钢点焊接头力学性能的方法，其特征在于，包括以下工艺步骤：

第一步，孕育剂的制备采用颗粒大小为20－60μm，纯度为99.99%的Nb、Ni和Ti金属按以下成分配比组合均匀混合制备成的粉状合金：孕育剂成分按质量百分比计Wt/%：Nb：10-30％，Ni：30-70％，Ti：20-40％；

第二步，将按第一步制备的孕育剂粉状合金与粘结剂按以下配比混合均匀制成孕育剂合金膏：孕育剂粉状合金质量百分比为90％，粘结剂质量百分比为10％，粘结剂是以聚苯乙烯为溶质，三氯乙烯为溶剂制成的透明塑胶体，所述粘结剂在150-370℃间受热完全挥发不留任何残渣；

第三步，将孕育剂合金膏均匀涂敷于先进高强钢点焊施焊处进行点焊；

所述孕育剂合金膏中的粘结剂质量百分比根据点焊工艺条件进行调整，所述点焊工艺条件包括钢板的厚度、点焊电流、时间和压力、点焊时的环境温度和湿度，所述孕育剂合金膏应能牢固粘附在施焊的焊点处，并保证点焊后粘结剂完全挥发不留任何残渣，避免焊点处形成气孔或夹杂。

2.根据权利要求1所述的一种提高先进高强钢点焊接头力学性能的方法，其特征在于，所述第三步的先进高强钢材料选用厚度为1.2mm的DP780双相钢进行，电阻点焊设备为TDZ-3X100型三相次级整流点焊机，采用双脉冲点焊，点焊工艺参数为：预压时间cyc，10；焊接电流kA，9.0；焊接时间cyc，15；电极压力kN，4.0；冷却时间cyc，20；回火电流kA，4.7；回火时间cyc，22。

3.根据权利要求1所述的一种提高先进高强钢点焊接头力学性能的方法，其特征在于，所述孕育剂成分按质量百分比计Wt/%：Nb：10％，Ni：50-70％，Ti：20-40％。

4.根据权利要求1所述的一种提高先进高强钢点焊接头力学性能的方法，其特征在于，所述孕育剂成分按质量百分比计Wt/%：Nb：20％，Ni：40-60％，Ti：20-40％。

5.根据权利要求1所述的一种提高先进高强钢点焊接头力学性能的方法，其特征在于，所述孕育剂成分按质量百分比计Wt/%：Nb：30％，Ni：30-50％，Ti：20-40％。