CN113414516A - 一种先进高强钢点焊焊接性的预判评价方法 - Google Patents

Abstract

一种先进高强钢点焊焊接性的预判评价方法，涉及合金钢焊接性的评价领域，包括以下步骤:S1：建立描述单个合金元素对钢凝固收缩率的定量影响的数据库；S2：基于所述数据库进一步建立描述钢中所有合金元素含量与钢凝固收缩率定量关系的多元线性模型；S3：确定所述多元线性模型中的各项系数获得完整多元线性模型并检验误差；S4：利用所述完整多元线性模型，确定用于预判点焊焊接性的钢凝固收缩率判断阈值，判断点焊焊接性。本发明模型基于清晰的凝固收缩物理背景，比由经验总结的碳当量公式评价法能更加准确可靠地评估预测更高合金含量钢种的焊接性。

Description

一种先进高强钢点焊焊接性的预判评价方法

技术领域

本发明涉及合金钢焊接性的评价领域，尤其涉及一种先进高强钢点焊焊接性的预判评价方法。

背景技术

汽车给人类出行和社会发展带来了巨大的进步，但也引起了不可再生能源的严重消耗。为了降低油耗，减轻车辆重量、实现汽车轻量化的需求越来越高。在构成汽车车身零件的材料中，金属材料依然占主要部分，特别是钢铁材料应用广泛，当钢板厚度每下降0.05mm，车身重量可下降6％。相对于普通钢，采用强度高的高强钢，可以在不损失车身构件强度的前提下减薄车身板厚，进而减轻车重，是汽车轻量化的主要用材之一。而先进高强钢为了提高强度，引入了很多合金元素，严重影响了汽车用钢焊接性。目前广泛应用的评价钢铁材料焊接性的方法主要是碳当量法，即用钢中的碳元素含量和其他合金元素等效成的碳含量之和来评价预判钢种的焊接性优劣。国际焊接学会(IIW)采用的碳当量公式如下：

CE_IIW＝C+(Mn/6)+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15(wt.％) (1)

当上述碳当量CE_IIW值少于0.4％，一般认为钢种的焊接性能良好，当钢种的CE_IIW值位于0.4％-0.6％，一般钢就不具有良好的焊接性。

在汽车零件的连接焊接中，电阻点焊是使用最广泛的技术之一。点焊形成的焊核在力学测试中通常会出现界面断裂(IF)、部分界面断裂(PIF)和熔核拔出断裂(PF)三种失效形式，其中界面断裂往往对应着较低的载荷峰值，钢种点焊中如果只出现界面断裂代表此钢种的点焊焊接性能差，而熔核拔出断裂对应着高的载荷峰值，点焊中表现熔核拔出断裂代表此钢种的点焊焊接性能优良。当汽车钢中的合金含量很少，此时碳当量(CE_IIW)值一般少于0.4％，点焊焊核的断裂呈现熔核拔出断裂，焊接性能良好；但当先进高强钢中的合金含量增多，碳当量(CE_IIW)值位于0.4％-0.6％之间，钢种的点焊焊核的断裂呈现界面断裂和熔核拔出断裂混合模式，此时使用碳当量(CE_IIW)值无法明确的区分先进高强钢点焊焊接性能的优劣，因此需要新的计算模型来预判评价含有较多合金元素的先进高强钢点焊的焊接性。

发明内容

本发明的目的在于克服上述碳当量(CE_IIW)值无法区分先进高强钢点焊焊接性优劣的困难，提供了一种先进高强钢点焊焊接性的预判新模型，该方法能够准确的预判评价含有较多合金元素的先进高强钢点焊的焊接性。

为达到上述目的，本发明的先进高强钢点焊焊接性的预判评价方法基于点焊焊接熔核凝固收缩原理，包括以下步骤：

S1：建立描述单个合金元素对钢凝固收缩率的定量影响的数据库；

S2：基于所述数据库进一步建立描述钢中所有合金元素含量与钢凝固收缩率定量关系的多元线性模型；

S3：确定所述多元线性模型中的各项系数获得完整多元线性模型并检验误差；

S4：利用所述完整多元线性模型，确定用于预判点焊焊接性的钢凝固收缩率判断阈值，判断点焊焊接性。

进一步的，若某一钢种在点焊中出现介于界面断裂和熔核拔出断裂之间的部分界面断裂形式，则将该钢种利用所述完整多元线性模型计算得到的钢凝固收缩率作为判断阈值。

进一步的，当待测钢种通过所述完整多元线性模型计算得到的钢凝固收缩率大于等于判断阈值时，则认为待测钢种的点焊焊接性较差；

当待测钢种通过所述完整多元线性模型计算得到的钢凝固收缩率小于判断阈值时，则认为待测钢种的点焊焊接性优良。

进一步的，所述S2具体包括：建立多元线性模型，以确定所有合金元素含量与钢凝固收缩率之间的关系，多元线性模型的基本表达式如下：

式中，Δl为钢凝固收缩率，单位为％；α₀为常数项；n为合金元素种类数量；α_i为第i种合金元素含量的系数；x_i为第i种合金元素的质量百分比；i为正整数。

进一步的，所述S3具体包括：利用多元线性回归求解，拟合得到多元线性模型中的各项系数并检验误差，获得完整多元线性模型，所述完整多元线性模型能够表示为：

Δl＝1.259+0.301W_C+0.0183W_Mn-0.0359W_Cr-0.0153W_Ni-0.00556W_Mo+0.0354W_Si+0.0168W_Cu-0.118W_V

其中，式中的各项系数能够在误差范围内变化，W_C、W_Mn、W_Cr、W_Ni、W_Mo、W_Si、W_Cu、W_V分别为合金元素C、Mn、Cr、Ni、Mo、Si、Cu、V的质量百分比。

进一步的，所述校验误差具体包括：利用所述完整多元线性模型计算钢种的钢凝固收缩率，当时计算得到的钢凝固收缩率与钢种实际钢凝固收缩率误差小于3％时，则认为所述完整多元线性模型准确。

进一步的，所述合金元素至少包括C、Mn、Cr、Ni、Mo、Si、Cu、V中的一种或多种。

进一步的，所述判断阈值取1.35％～1.43％中任一数值。

进一步的，所述判断阈值能够在正负3％的范围内波动。

进一步的，所述判断阈值为1.39％。

进一步的，所述S1具体包括：

S11：采用实验法或文献数据提取法或软件计算法得到单个合金元素对钢凝固收缩率的定量影响；

S12：建立描述单个合金元素对钢凝固收缩率的定量影响的数据库。

相对于现有技术，本发明所述的一种先进高强钢点焊焊接性的预判评价方法，具有如下优势：

本发明所述的先进高强钢点焊焊接性的预判评价方法，建立在一个基于钢种成分来计算点焊过程中的凝固收缩率Δl(凝固线性收缩)的新模型的基础上，对于合金含量范围比碳当量模型中通常使用的含量大得多的钢，可通过成分利用式(3)计算此钢种的Δl值，当Δl高于或等于阈值时，就可以预判点焊熔核的界面断裂模式，点焊焊接性能不佳；当Δl低于阈值时，就可以预测点焊熔核的熔核拔出断裂模式，点焊焊接性能优良。Δl计算模型基于清晰的凝固收缩物理背景，在点焊熔核凝固收缩过程中，当Δl大于等于阈值时，即钢凝固收缩过大不能被焊接时的电极压力完全补偿，导致熔核上、下枝晶交界处残留许多收缩间隙，减弱熔核的结合力，导致在拉伸测试中裂纹路径沿着收缩间隙开裂，出现界面断裂模式，如图3所示。Δl计算模型比由经验总结的碳当量公式评价法能更加准确可靠地评估预测钢种焊接性，特别是对于高合金钢。

附图说明

说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的流程图；

图2为本发明用于建立Δl计算模型的数据图及验证图；

图3为本发明Δl过大时熔核凝固收缩导致的收缩间隙图(a-b)及其在拉伸测试中导致的界面断裂图(c-d)；

图4为本发明模型和碳当量在预判评估点焊断裂方式和焊接性方面的对比图，其中，(a)为传统碳当量判别图，(b)为利用本发明Δl计算模型的判别图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例，例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

多个，包括两个或者两个以上；和/或，应当理解，对于本发明中使用的术语“和/或”，其仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系。例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。

首先通过电阻点焊焊接得到不同成分钢种的点焊力学测试断裂形式，根据断裂形式做焊接性评价，出现界面断裂(IF)和部分界面断裂(PIF)形式的钢种焊接性评价为差，出现熔核拔出断裂(PF)形式的钢种焊接性评价为好，并将这些结果和对应钢种的钢种成分列于表2，然后通过国际焊接学会(IIW)采用的碳当量公式，如上式(1)，根据钢种成分计算这些钢种的CE_IIW，也列于表2。

然后将表2中点焊力学测试断裂形式、焊接性评价与计算的碳当量CE_IIW值对比，可以发现，当碳当量CE_IIW值少于0.4％，出现PF断裂，钢种的焊接性能良好，如钢种DQSK、HSLA、MS1200和MS1400等；当碳当量CE_IIW值位于0.4％-0.6％，点焊断裂对应着PF和IF的混合断裂模式，如钢种DP600-1/2/3、DP980、590R、22MnB5的CE_IIW值位于0.4％-0.6％，断裂为PF断裂，焊接性能良好，而钢种TRIP800和QP980-1同样位于0.4％-0.6％，断裂为IF断裂，焊接性能差，即此时利用碳当量的值无法区分某些具有较高碳当量值钢种的IF/PF断裂，也不能区分这些钢种的焊接性的好与差。当钢种碳当量CE_IIW值高于0.6％时，钢种CP1100出现PF断裂，钢种的焊接性能良好；QP980-2和7Mn钢等出现IF断裂，钢种的焊接性能差，所以对于高合金含量的钢种(即高碳当量)，利用碳当量也不能有效地评价预判钢种的点焊焊接性的优劣。

此时，我们采用新发明的先进高强钢点焊焊接性的预判评价方法来对这些钢种的焊接性进行评价，并与常规碳当量法进行对比。新发法建立在一个基于钢种成分来计算焊接过程中的总凝固收缩率Δl的新模型的基础上，计算流程如下，如图1所示：

1)建立描述单个合金元素对钢凝固收缩率(Δl)的定量影响的数据库，采用实验法或文献数据提取法或软件计算法得到单个合金元素对钢的凝固收缩率(Δl)的影响，其中采用Jmatpro12.4软件计算的结果绘制如图2中a-c所示的数据点，其中包含约80组数据点，涉及钢中最常见的八种合金元素以及CE公式(1)中的所有合金元素。

2)建立描述钢中所有合金元素含量(x_i)与凝固收缩率(Δl)定量关系的多元线性模型，如下式所示：

式中α₀为常数项；n为第i种元素种类数；α_i为第i种合金元素含量的系数，Δl单位为％。

3)利用多元线性回归最优化拟合确定多元线性模型中各系数值，见表1，其中的相关系数R²大于0.9，显著性因子F和P值远小于0.05，表明多元线性回归分析是有效且足够准确的。由表1中参数的值可以将式(2)表示为下式：

Δl＝1.259+0.301W_C+0.0183W_Mn-0.0359W_Cr-0.0153W_Ni-0.00556W_Mo+0.0354W_Si+0.0168W_Cu-0.118W_V (3)

式中，W_C、W_Mn、W_Cr、W_Ni、W_Mo、W_Si、W_Cu、W_V分别为合金元素C、Mn、Cr、Ni、Mo、Si、Cu、V的质量百分比。

表1多元线性回归分析结果

4)误差检验，使用式(3)根据化学成分计算出如图2中a-c所示的所有组分点的Δl值。然后将计算出的结果与Δl原始值进行比较，见如图2d所示。可以清楚地看到，它们之间的误差小于3％，表明简单的式(3)可以高效方便地预测凝固收缩率并且具有足够的精度。

表2不同成分钢种的碳当量值CE_IIW、Δl值、点焊断裂方式和焊接性评价

5)确定评估点焊焊接性的阈值，成分为0.1C-5Mn的5Mn钢点焊出现介于界面断裂和熔核拔出断裂之间的部分界面断裂(PIF)形式，如表2所示，将其作为点焊焊接性评价优劣的临界条件，即利用5Mn钢的成分通过式(3)计算的Δl值为1.39％为评估点焊焊接性的阈值，从表2的结果中可以看出当其他钢种通过式(3)计算的Δl值大于等于1.39％时，可以判断此钢种的点焊焊接性较差，在点焊焊核的力学测试中出现界面断裂，当其他钢种通过式(3)计算的Δl值小于1.39％时，可以判断此钢种的点焊焊接性优良，在点焊焊核的力学测试中出现理想的熔核拔出断裂。本发明中的Δl计算模型基于清晰的凝固收缩物理背景，在点焊熔核凝固收缩过程中，当Δl大于等于阈值时，即钢凝固收缩过大不能被焊接时的电极压力完全补偿，导致熔核中心线(上、下枝晶交界处)残留许多收缩间隙，如图3a-b所示，减弱熔核的结合力，导致在拉伸测试中裂纹路径沿着收缩间隙开裂，出现界面断裂模式，如图3c-d所示。

然后利用表2中碳当量评价法所用的相同钢种的成分计算这些钢种的Δl值，结果也都列于表2中，从中可以看出，当钢种的Δl值小于1.39％时，在点焊力学测试中出现理想的熔核拔出断裂(PF)，此钢种的点焊焊接性优良，如DP600/780/980、MS1200/1400、22MnB5等；当钢种的Δl值大于等于1.39％时，在点焊均出现界面断裂(IF)，点焊焊接性差，如TRIP800、QP980、7Mn钢等。将表2中本发明模型和碳当量在预判评估点焊断裂方式和焊接性方面的对比结果如图4所示，可以更加清晰地看到在如图4a所示的碳当量判别图中，对应着相同碳当量值区间(0.4-0.6)，IF和PF都会出现；在如图4b所示的本发明模型判别图中，以Δl值为1.39％为评估点焊焊接性的阈值，可以将IF和PF明显区分开，即Δl模型比由经验总结的碳当量公式评价法能更加准确可靠地区分评估钢种焊接性，特别是对于高合金钢。由于误差检验时得到Δl误差在3％之内，那么阈值可在3％的范围内波动，同时式(3)的各项系数在3％内变化也认为是可以接受的公式模型。

以上实施例仅用以说明本材料的技术实施方案而非限制，尽管参照具体实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的原理和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种先进高强钢点焊焊接性的预判评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：建立描述单个合金元素对钢凝固收缩率的定量影响的数据库；

S2：基于所述数据库进一步建立描述钢中所有合金元素含量与钢凝固收缩率定量关系的多元线性模型；

S3：确定所述多元线性模型中的各项系数获得完整多元线性模型并检验误差；

S4：利用所述完整多元线性模型，确定用于预判点焊焊接性的钢凝固收缩率判断阈值，判断点焊焊接性。

2.根据权利要求1所述的先进高强钢点焊焊接性的预判评价方法，其特征在于，所述确定用于预判点焊焊接性的钢凝固收缩率判断阈值，具体包括：

若某一钢种在点焊中出现介于界面断裂和熔核拔出断裂之间的部分界面断裂形式，则将该钢种利用所述完整多元线性模型计算得到的钢凝固收缩率作为判断阈值。

3.根据权利要求2所述的先进高强钢点焊焊接性的预判评价方法，其特征在于，

当待测钢种通过所述完整多元线性模型计算得到的钢凝固收缩率大于等于判断阈值时，则认为待测钢种的点焊焊接性较差；

当待测钢种通过所述完整多元线性模型计算得到的钢凝固收缩率小于判断阈值时，则认为待测钢种的点焊焊接性优良。

4.根据权利要求1所述的先进高强钢点焊焊接性的预判评价方法，其特征在于，所述S2具体包括：

建立多元线性模型，以确定所有合金元素含量与钢凝固收缩率之间的关系，多元线性模型的基本表达式如下：

式中，Δl为钢凝固收缩率，单位为％；α₀为常数项；n为合金元素种类数量；α_i为第i种合金元素含量的系数；x_i为第i种合金元素的质量百分比；i为正整数。

5.根据权利要求4所述的先进高强钢点焊焊接性的预判评价方法，其特征在于，所述S3具体包括：

利用多元线性回归求解，拟合得到多元线性模型中的各项系数并检验误差，获得完整多元线性模型，所述完整多元线性模型能够表示为：

Δl＝1.259+0.301W_C+0.0183W_Mn-0.0359W_Cr-0.0153W_Ni-0.00556W_Mo+0.0354W_Si+0.0168W_Cu-0.118W_V

其中，式中的各项系数能够在误差范围内变化，W_C、W_Mn、W_Cr、W_Ni、W_Mo、W_Si、W_Cu、W_V分别为合金元素C、Mn、Cr、Ni、Mo、Si、Cu、V的质量百分比。

6.根据权利要求5所述的先进高强钢点焊焊接性的预判评价方法，其特征在于，所述检验误差具体包括：

利用所述完整多元线性模型计算钢种的钢凝固收缩率，当通过计算得到的钢凝固收缩率与钢种实际钢凝固收缩率误差小于3％时，则认为所述完整多元线性模型准确。

7.根据权利要求1所述的先进高强钢点焊焊接性的预判评价方法，其特征在于，所述合金元素至少包括C、Mn、Cr、Ni、Mo、Si、Cu、V中的一种或多种。

8.根据权利要求2所述的先进高强钢点焊焊接性的预判评价方法，其特征在于，所述判断阈值能够在正负3％的范围内波动。

9.根据权利要求2所述的先进高强钢点焊焊接性的预判评价方法，其特征在于，所述判断阈值为1.39％。

10.根据权利要求1所述的先进高强钢点焊焊接性的预判评价方法，其特征在于，所述S1具体包括：

S11：采用实验法或文献数据提取法或软件计算法得到单个合金元素对钢凝固收缩率的定量影响；

S12：建立描述单个合金元素对钢凝固收缩率的定量影响的数据库。

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