CN110809632B - 用于马氏体不锈钢钢板点焊的方法 - Google Patents

用于马氏体不锈钢钢板点焊的方法 Download PDF

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Abstract

用于焊接两块钢板的方法，所述钢板厚度为0.10至6.0mm且其组成如下：0.005％≤C≤0.3％；0.2％≤Mn≤2.0％；痕量≤Si≤1.0％；痕量≤S≤0.01％；痕量≤P≤0.04％；10.5％≤Cr≤17.0％；痕量≤Ni≤4.0％；痕量≤Mo≤2.0％；Mo+2×W≤2.0％；痕量≤Cu≤3％；痕量≤Ti≤0.5％；痕量≤Al≤0.2％；痕量≤O≤0.04％；0.05％≤Nb≤1.0％；0.05％≤Nb+Ta≤1.0％；0.25％≤(Nb+Ta)/(C+N)≤8；痕量≤V≤0.3％；痕量≤Co≤0.5％；痕量≤Cu+Ni+Co≤5.0％；痕量≤Sn≤0.05％；痕量≤B≤0.1％；痕量≤Zr≤0.5％；Ti+V+Zr≤0.5％；痕量≤H≤5ppm；痕量≤N≤0.2％；(Mn+Ni)≥(Cr‑10.3–80×[(C+N)2])；痕量≤Ca≤0.002％；痕量≤稀土元素和/或Y≤0.06％；其余为铁和生产过程所产生的杂质；钢板的温度(Ms)≥200℃；钢板的温度(Mf)≥‑50℃；钢板的微观结构包含不超过0.5％的碳化物和不超过20％的残余铁素体，其余为马氏体；其特征在于，它包括以下步骤：第一焊接步骤，持续时间为(t)，单位为ms，并且具有夹紧力(F)，单位为daN：对于0.10至0.50mm的厚度(e)：t＝(40×e+36)±10％；对于0.51至1.50mm的厚度(e)：t＝(124×e–13)±10％；对于1.51至6.0mm的厚度(e)：t＝(12×e+47)±10％；对于0.10至1.50mm的厚度(e)，F＝(250×e+90)±10％；对于1.51mm至6.0mm的厚度(e)：F＝(180×e+150)±10％，其中(e)是所述钢板中每块的厚度或其中最薄钢板的厚度；在该步骤中，在焊接电极之间施加电流，该电流的强度为对应于熔融金属排出的最大允许强度的80％至100％；第二步骤，强度为0至1kA；和第三步骤，强度为3.5kA至4.5kA，持续至少755ms的时间。

Description

用于马氏体不锈钢钢板点焊的方法
技术领域
本发明涉及钢铁工业，并且更具体地涉及用于钢板点焊的方法。
背景技术
已知对组成、初始微观结构和热处理参数进行调整的热加工马氏体不锈钢钢板，这些调整允许获得高机械性能和复杂成形的强大能力。这种钢板在本申请人的文件PCT/IB2017/051636中有所描述，并主要用于汽车工业。
以重量百分比计，它们的组成如下：
0.005％≤C≤0.3％；
0.2％≤Mn≤2.0％；
痕量≤Si≤1.0％；
痕量≤S≤0.01％；
痕量≤P≤0.04％；
10.5％≤Cr≤17.0％；优选地，10.5％≤Cr≤14.0％；
痕量≤Ni≤4.0％；
痕量≤Mo≤2.0％；
Mo+2×W≤2.0％；
痕量≤Cu≤3％；优选地，痕量≤Cu≤0.5％；
痕量≤Ti≤0.5％；
痕量≤Al≤0.2％；
痕量≤O≤0.04％；
0.05％≤Nb≤1.0％
0.05％≤Nb+Ta≤1.0％；
0.25％≤(Nb+Ta)/(C+N)≤8；
痕量≤V≤0.3％；
痕量≤Co≤0.5％；
痕量≤Cu+Ni+Co≤5.0％；
痕量≤Sn≤0.05％；
痕量≤B≤0.1％；
痕量≤Zr≤0.5％；
Ti+V+Zr≤0.5％；
痕量≤H≤5ppm，优选地，痕量≤H≤1ppm；
痕量≤N≤0.2％；
(Mn+Ni)≥(Cr-10.3–80×[(C+N)2])；
痕量≤Ca≤0.002％；
痕量≤稀土元素和/或Y≤0.06％；
其余为铁和加工杂质；
该钢板的马氏体转变的起始温度(Ms)≥200℃；
并且该钢板的马氏体转变的终止温度(Mf)≥-50℃。
使用适当的手段(可能包括热加工和/或冷加工)后获得的初始钢板的微观结构由铁素体和/或回火马氏体和0.5％至5％体积的碳化物组成，并且铁素体晶粒尺寸为1μm至80μm，优选为5μm至40μm。该初始钢板的厚度为0.1mm至10mm，更典型地为0.1mm至6mm。
通常应用于其的处理过程始于钢板的奥氏体化，即温度升高到高于钢的Ac1温度以形成奥氏体，代替构成初始微观结构的铁素体和碳化物，并在尽可能限制钢板脱碳和表面氧化的条件下进行。通常，存在不超过20％的残余铁素体和不超过0.5％的碳化物。
然后在一定时间和温度条件下对钢板进行几个(至少两个)连续的热成形步骤，从而在整个成形过程中保持奥氏体化后获得的低铁素体和碳化物含量的结构。这些热成形操作在高于马氏体转变起始温度Ms的温度下进行。如果需要，可以在每次热成形操作之间或期间通过加热工具再加热或保持温度，使得在成形期间和成形操作之间(在将钢板从一个工具转移到另一个工具期间，或者如果钢板保持在同一工具上，在工具的配置改变期间)钢板的温度不会下降到Ms以下。
应当理解，术语“热成形步骤”意指包括形变或材料去除操作，例如深冲、热拉伸、冲压、切割、冲孔，这些步骤可以按照制造商选择的任何顺序进行。
热成形后，冷却所得部件，冷却条件没有特别限制。
在冷却时，可以在Ms和Mf(马氏体转变的终止温度)之间进行切割步骤或最终热成形步骤，条件是微观结构由至少10％的奥氏体和不超过20％的铁素体，其余为马氏体组成。
由此获得的钢板尤其由于高马氏体含量而在环境温度下具有强的机械性能。通常，抗拉强度Rm至少为1000MPa，屈服强度Re至少为800MPa，断裂后伸长率A根据标准ISO6892测量为至少8％，厚度为1.5mm，并且根据标准VDA 238-100测量的弯曲角至少为60°。这意味着最终获得的钢板具有优异的可成形性，并尤其可用于汽车工业或在航空、建筑或铁路工业中形成具有结构功能的部件。
最后，在最后一次成形操作后冷却至环境温度后，钢板的微观结构包含不超过0.5％体积分数的碳化物和不超过20％体积分数的残余铁素体，其余为马氏体。
这种钢板具有的典型厚度为0.10mm至6.0mm，其缺点在于，当在车辆制造商最常用的条件下使用点焊方法进行焊接时，其焊接性有时会被认为是不够的。已经发现，在焊接区域中，不容易获得对于给定厚度的钢板来讲足够的十字头抗拉强度(即，对于厚度为1.2mm的钢板，通常至少为450daN)：材料在焊缝处太脆弱。
通过改变焊接参数，即通过将后加热脉冲加入到标准焊接循环(通常用于马氏体钢)来改善结果是可能的，但是到目前为止，所进行的优化还没有使持续时间小于5s的焊接循环获得令人满意的焊接质量。对于那些必须能够焊接这些钢板的车辆制造商来说，该时长过长，他们必须注意到在用于车辆批量生产时所面临的生产率限制。他们的目标是不超过约1s的焊接循环的总时间。总时间为1.5s，甚至2s的焊接循环有时是可以接受的。
发明内容
因此，本发明的目的是提出一种点焊循环，该点焊循环尤其适合于将前述马氏体不锈钢板用于热拉伸，并且该点焊循环允许这种焊接在工业上适用于汽车行业的条件下进行。
为此，本发明的主题是一种用于焊接两块不锈钢钢板的方法，所述不锈钢钢板的厚度为0.10mm至6.0mm，并且以重量百分比计具有以下组成：
0.005％≤C≤0.3％；
0.2％≤Mn≤2.0％；
痕量≤Si≤1.0％；
痕量≤S≤0.01％；
痕量≤P≤0.04％；
10.5％≤Cr≤17.0％；优选地，10.5％≤Cr≤14.0％；
痕量≤Ni≤4.0％；
痕量≤Mo≤2.0％；
Mo+2×W≤2.0％；
痕量≤Cu≤3％；优选地，痕量≤Cu≤0.5％；
痕量≤Ti≤0.5％；
痕量≤Al≤0.2％；
痕量≤O≤0.04％；
0.05％≤Nb≤1.0％；
0.05％≤Nb+Ta≤1.0％；
0.25％≤(Nb+Ta)/(C+N)≤8；
痕量≤V≤0.3％；
痕量≤Co≤0.5％；
痕量≤Cu+Ni+Co≤5.0％；
痕量≤Sn≤0.05％；
痕量≤B≤0.1％；
痕量≤Zr≤0.5％；
Ti+V+Zr≤0.5％；
痕量≤H≤5ppm，优选地，痕量≤H≤1ppm；
痕量≤N≤0.2％；
(Mn+Ni)≥(Cr-10.3–80×[(C+N)2])；
痕量≤Ca≤0.002％；
痕量≤稀土元素和/或Y≤0.06％；
其余为铁和加工杂质；
所述钢板的马氏体转变的起始温度(Ms)≥200℃；
所述钢板的马氏体转变的终止温度(Mf)≥-50℃；
所述钢板的微观结构包含不超过0.5％体积分数的碳化物和不超过20％体积分数的残余铁素体，其余为马氏体；
其特征在于，该方法包括以下步骤：
第一焊接步骤，持续时间(t)，单位为ms，并且具有夹紧力(F)，单位为daN，
对于0.10mm至0.50mm的厚度(e)：t＝(40×e+36)±10％，
对于0.51mm至1.50mm的厚度(e)：t＝(124×e–13)±10％，
对于1.51mm至6.0mm的厚度(e)：t＝(12×e+47)±10％，
对于0.10mm至1.50mm的厚度(e)：F＝(250×e+90)±10％，
对于1.51mm至6.0mm的厚度(e)：F＝(180×e+150)±10％，
其中，(e)是所述钢板中每块的厚度或它们中最薄钢板的厚度，
在该步骤中，将强度为对应于熔融金属排出的最大允许强度的80％至100％的电流施加在焊接电极之间；
第二步骤，在该第二步骤中电流强度被设置为0至1kA；和
第三步骤，在该第三步骤中，以3.5kA至4.5kA的强度恢复电流的流通，持续至少755ms的时间，以对焊接区域进行热处理。
优选地，在第二步骤中，中断焊接区域中电流的流通。
有利的是，所述第一步骤、第二步骤和第三步骤的时间总和不超过2s，优选不超过1.5s，最好不超过1s。
所述钢板可以是热轧钢板。
可以理解的是，在本发明中，优先考虑的和具有上述组成的钢板经受点焊循环，该点焊循环尤其在于参数的选择和各操作的顺序。
需要指出的是，通过以下内容对进行点焊的条件进行了充分的定义：
焊接电极施加在待焊接部件上的压力，该压力与部件的化学组成和表面粗糙度一起影响接触电阻；
流过待焊接区域的电流强度，根据其他不可严格控制的参数，该电流强度由稳压电源供应；
焊接时间或其不同步骤的时间。
因此，两块钢板之间的电位差根据接触电阻而变化，并因此根据注入焊接区域的能量而变化。该电势差和该功率本身不直接表示该方法的参数，但是由于夹紧力和电流强度所表示的可控和受控的操作条件，所以它们成为被应用的参数。
焊接从第一步骤开始，在第一步骤中，经调节强度的电流流过待焊接的钢板，预先在力的作用下使这些钢板相互接触。待施加的力和电流通过时间通常由用户希望采用的标准(例如，SEP1220或ISO18278-2)来规定。一旦选择并采用了这两个参数，用户就改变焊接电流，直到熔融金属排出，该熔融金属的排出代表可焊性范围内的最大强度值。本发明的焊接电流强度介于该最大强度的80％至100％的范围之间。通常，在本发明中，当待焊接的钢板具有1.2mm的厚度时，该焊接电流强度为5.5kA。一般来讲，对应于熔融金属排出的最大容许焊接强度通过标准化方法实验获得，例如参见标准SEP 1220和ISO 18278-2。因此，在实施本发明的每种具体情况下，本领域技术人员必须在最终确定本发明的特定焊接过程时对其进行确定。然而，这种确定不是本发明的典型特征，类似地，当实施任何点焊方法时，可能会遇到优化焊接电流强度的问题，并且通常如所述进行。
对于0.1mm至1.50mm的厚度，力F(单位为daN)由以下方程表示：
F＝250×e+90，
对于1.51mm至6mm的厚度，方程为：F＝180×e+150，
e是两块焊接钢板的厚度，或者如果它们具有不同的厚度，则是其中最薄钢板的厚度。
力F的变化在这些表示值的±10％内是允许的。
对于0.10mm至0.50mm的厚度，焊接时间t(单位为ms)也可通过以下方程表示：t＝40×e+36，
对于0.51mm至1.50mm的厚度：t＝124×e–13，并且
对于1.51mm至6.0mm的厚度：t＝12×e+47，
在这些表示值的±10％内的变化是允许的。
在第二步骤中，保持电极的压力，停止或极大地减小电流的流通，并且在用以下方程表示的最短时间tf(以ms计)内施加不超过1kA的强度，理想情况下为0kA：tf≥34×e+2。
这使得焊接区域的钢板突然冷却到Ac1至Ac5之间的温度下，该温度范围导致该区域再奥氏体化。
在第三步骤中，电流恢复到3.5kA至4.5kA的强度值，以保持Ac1至Ac5之间的温度并对焊接区域进行热处理，这将改变其结构特征，从而赋予其所需的机械性能。第三步骤必须持续至少755ms以确保效果，并且不规定最长时间。时间越长，热处理越有效，以确保较高的十字头抗拉强度。然而，避免过度地延长该第三步骤是有利的，从而不会将焊接循环延长与工业生产的要求不相容的时长。有利地，如上所述，优选地，三个焊接循环步骤的总时间不超过2s，优选不超过1.5s，并且最优地不超过1s。
如果在所述条件下进行这种处理，则可以获得对于所考虑的钢板厚度来讲值足够大的十字头抗拉强度，甚至超过这些值，并且焊接循环时间大约为1s，甚至更短，因此与汽车行业批量生产车辆的当前工业要求相容。因此，在良好的经济条件下，点焊钢板可以受益于PCT/IB2017/051636中描述的方法的优点，该方法涉及容易获得具有高机械性能和明确组成的热成形马氏体不锈钢的复杂形状的部件。
附图说明
通过阅读参考以下附图给出的以下描述，将更好地理解本发明：
图1给出了当使用不符合本发明的方法将两块钢板焊接在一起时焊接区域的显微照片；
图2示出了图1中焊接区域的一个细节；
图3给出了在本发明方法的第二步骤之后，因此处于第三焊接步骤之前的中间状态的焊接区域的显微照片，并且示出了在该阶段残余铁素体消失；
图4给出了完全实施符合本发明的方法后焊接区域的显微照片。
图5示出了图4中焊接区域的细节。
具体实施方式
本发明人对具有以下重量百分比组成的两块钢板进行焊接的实验：Cr＝11.02％；Nb＝0.11％；Mn＝0.50％；C＝0.059％；N＝0.0107％；其余为铁和加工杂质，处于奥氏体状态并经压淬，因此符合PCT/IB2016/052302中所述的发明，并且厚度为1.2mm，得到以下结果。
在第一系列实验中，采用了总持续时间为560ms的常规焊接循环，其中，在4000N的压力下，在电极之间流通强度为5.5kA的电流280ms，随后是280ms的零强度阶段，在此期间保持压力不变(由标准ISO 18278-2规定并通常由车辆制造商使用的参数)。结果示出在图1和图2中，图1和图2示出了焊接区域的显微照片。在图1的中心，可以看到对应于实际焊接的熔化区域1及其周围的热影响区域HAZ。熔化区域1的边界是在大晶粒尺寸的HAZ 3内生长的裂纹2，在HAZ 3内可以看到白色的铁素体4(在图1中也清晰可见)。正是这种易碎的铁素体4导致产生裂纹2，并因此导致十字头抗拉强度差。根据面积，HAZ 3中铁素体的比例为20％至80％，这明显高于根据平衡图的读数可预期的比例。测得的十字头抗拉强度为290daN，因此很大程度上不足以满足例如汽车制造商的需求。
缩短当前的实施时间(从280ms缩短至140ms)是有益的，因为这种缩短允许大晶粒尺寸的HAZ 3的范围减小且残余铁素体的百分比减少，而不会显著改变熔融区域1。然而，HAZ 3仍含有大量易碎的铁素体，并且十字头抗拉强度没有得到充分提高。
在根据本发明的第二系列实验中，在与前述实验相同的第一步骤之后，电流的流通被中断46ms，同时保持电极的压力。并且在前述实验中增加了第三步骤，在该第三步骤中，以4kA的强度恢复电流流通并持续814ms，以对焊接区域进行热处理。
总的来说，本发明实施例中的循环持续了140+46+814＝1000ms。
目的是获得两个部件的不表现出弱组装点的焊缝，换句话说，焊缝区域的十字头抗拉强度必须足以满足这一目的，并在能够确保工业条件下令人满意的工厂生产率的总循环时间内获得这种焊缝。通常，如在所描述的实施例中，大约1s的焊接循环时间对于汽车工业中的焊接钢板的大规模生产是所述令人满意的结果。
图3示出了在仅持续46ms的本发明方法的第二步骤之后利用本发明能够获得的焊接区域的外观。图4和图5示出了在实施本发明的整个方法之后的焊接区域。图4中不仅HAZ3中的大晶粒消失了，而且HAZ 3和熔融区域1的韧性使得裂纹2偏转到基质金属5中，在图5中可以看到裂纹2的痕迹。
以这种方式，在焊缝处获得高于450daN的十字头抗拉强度，这是在所述实施例中根据待焊接钢板的厚度已经设定的目标。
发明人将本发明的方法与更传统的点焊方法相比的优点归因于以下因素的总和，这些因素似乎具有意想不到的显著协同效应。
实施第一快速焊接循环可以减少在Ac5点以上的停留时间，并使导致在HAZ 3中形成大晶粒铁素体的γ元素和α元素的分离最小化。因此发现，图1中的白色铁素体4已经从图3的HAZ 3中完全消失。
在第二步骤中断电流循环(或至少电流强度急剧降低)使焊接区域冷却到900℃左右的再奥氏体化温度。
以相对较高的强度恢复电流的第三步骤(尽管低于第一步骤)最终消除了覆盖区域周围HAZ中存在的残余大晶粒铁素体，并提供了令人满意的机械性能(图4和图5)。还可以看出，图4中的裂纹2不再如图1中一样沿着HAZ，而是偏转到图4中的基质金属5中，在两块钢板中的一块上留下大直径的点。
用于实施本发明的钢板可以是热轧或冷轧的。重要的是，首先它们的组成和微观结构必须符合前述内容，其次，其厚度在允许点焊的范围内，因此通常为0.10mm至6.0mm。

Claims (9)

1.一种用于焊接两块钢板的方法，所述钢板的厚度为0.10mm至6.0mm并且以重量百分比计所述钢板具有以下组成：
0.005％≤C≤0.3％；
0.2％≤Mn≤2.0％；
痕量≤Si≤1.0％；
痕量≤S≤0.01％；
痕量≤P≤0.04％；
10.5％≤Cr≤17.0％；
痕量≤Ni≤4.0％；
痕量≤Mo≤2.0％；
Mo+2×W≤2.0％；
痕量≤Cu≤3％；
痕量≤Ti≤0.5％；
痕量≤Al≤0.2％；
痕量≤O≤0.04％；
0.05％≤Nb≤1.0％；
0.05％≤Nb+Ta≤1.0％；
0.25％≤(Nb+Ta)/(C+N)≤8；
痕量≤V≤0.3％；
痕量≤Co≤0.5％；
痕量≤Cu+Ni+Co≤5.0％；
痕量≤Sn≤0.05％；
痕量≤B≤0.1％；
痕量≤Zr≤0.5％；
Ti+V+Zr≤0.5％；
痕量≤H≤5ppm；
痕量≤N≤0.2％；
(Mn+Ni)≥(Cr-10.3–80×[(C+N)2])；
痕量≤Ca≤0.002％；
痕量≤稀土元素和/或Y≤0.06％；
其余为铁和加工杂质；
所述钢板的马氏体转变的起始温度(Ms)≥200℃；
所述钢板的马氏体转变的终止温度(Mf)≥-50℃；
所述钢板的微观结构含有不超过0.5％体积分数的碳化物，不超过20％体积分数的残余铁素体，其余为马氏体；
其特征在于，所述方法包括以下步骤：
第一焊接步骤，持续时间t，单位为ms，并且具有夹紧力F，单位为daN，
对于0.10mm至0.50mm的厚度e：t＝(40×e+36)±10％，
对于0.51mm至1.50mm的厚度e：t＝(124×e–13)±10％，
对于1.51mm至6.0mm的厚度e：t＝(12×e+47)±10％，
对于0.10mm至1.50mm的厚度e：F＝(250×e+90)±10％，
对于1.51mm至6.0mm的厚度e：F＝(180×e+150)±10％，
其中，e表示所述钢板中每块的厚度或所述钢板中最薄钢板的厚度，
在该步骤中，将强度为对应于熔融金属排出的最大允许强度的80％至100％的电流施加在焊接电极之间；
第二步骤，在所述第二步骤中电流强度被设置为0至1kA；和
第三步骤，在所述第三步骤中，以3.5kA至4.5kA的强度恢复电流的流通，持续至少755ms的时间，以对焊接区域进行热处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，10.5％≤Cr≤14.0％。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，痕量≤Cu≤0.5％。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，痕量≤H≤1ppm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述第二步骤中，中断所述焊接区域中电流的流通。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一步骤、第二步骤和第三步骤的时间总和不超过2s。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一步骤、第二步骤和第三步骤的时间总和不超过1.5s。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一步骤、第二步骤和第三步骤的时间总和不超过1s。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钢板是热轧钢板。
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