CN114700600B - 一种1800MPa级热成形钢基板的连接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种1800MPa级热成形钢基板的连接方法，属于金属材料焊接领域。它包括S1、焊接：使用窄搭接电阻焊机选择合适的焊接工艺参数，对1800MPa级热成形钢基板进行焊接，焊接电流范围为16～21KA，焊接速度范围为7～12m/min，电极压力控制范围为14～21KN，焊缝碾压力范围为26～30KN，操作侧搭接量范围为0.8～1.5mm，传动侧搭接量为2.3～3.1mm；S2、热处理：焊接后使用高频感应加热设备对上述焊缝进行热处理。本发明焊接的带钢焊接接头韧性及表面质量良好，能够保证带钢的正常生产，解决了合金元素含量高的1800MPa级热成形钢基板焊缝偏析程度大造成焊缝性能恶化的问题。
Description
技术领域
本发明属于金属材料焊接领域，更具体地说，涉及一种1800MPa级热成形钢基板的连接方法。
背景技术
随着汽车行业的发展，对汽车的安全、节能减排的要求越来越高，采用超高强度钢既可减轻车身重量、实现节能和减排，又可提高汽车的安全性。为适应这种发展需要，国内外钢铁业已陆续完成多种高强钢的开发，其市场需求正逐步扩大。但高强钢因其碳当量高，合金成分复杂，焊接后淬硬性强，裂纹敏感性较大且焊缝区熔合不充分，在生产过程中带钢的连接性能较难得到保证，增大了生产过程中焊缝断带的风险。
在冷轧板带生产线带钢焊接领域，首钢总公司专利CN 102151968 A提供了一种全自动窄搭接焊机增加在线退火功能的方法，在焊接完成之后对焊缝再次加载电流，但该方法耗时相对较长，且工艺流程复杂；天津市亿博制钢有限公司专利CN 103831520 A提供了一种冷轧钢带焊接工艺方法，该焊接工艺方法特征在于增加上下回火轮对焊接接头进行回火处理以改善焊接接头韧性，但该方法涉及焊机核心部件改造，费用高工程大，且受热处理工艺的制定对焊接工艺的依附性强。沈阳大学专利CN 110548976 A提供了一种1800MPa级超高强度热成形钢板电阻点焊工艺，吉林大学专利CN 110900038 A提供了一种热成形钢激光焊接工艺，并没有针对1800MPa级热成形钢基板窄搭接电阻焊的焊接工艺方法进行说明。
此外，专利CN107442915A提供了一种440Mpa级冷轧含磷高强IF钢的窄搭接焊接方法，具体是将两440MPa级冷轧含磷高强IF钢钢带精剪后相互搭接，采用窄搭接焊机进行焊接，随后再对焊缝区域采用加热装置进行热处理。该方法只针对440MPa级冷轧含磷高强IF钢，但对于C、Mn等元素含量更高，超高强度级别的1800Mpa级热成形钢，需要更大的焊接热输入量、更低的焊接速度、更大的焊接压力来保证焊接质量，该方法所述工艺无法实现。
1800MPa级热成形钢基板强度高，在热成形前的连续生产中需使用窄搭接电阻焊，使用现有的窄搭接电阻焊焊接工艺，易出现焊缝杯突不合格，无法获得合格焊缝的问题。为提升带钢窄搭接电阻焊焊接质量的可靠性，需克服现有技术的不足，提供一种焊接工艺方法，采用自动电阻焊接工艺对带钢进行连接并配合以焊后热处理，消除焊接残余应力、改善焊缝组织，以保证高强钢板产品的连续稳定生产。
发明内容
1.要解决的问题
针对Cr、V、Mo合金元素含量高的1800MPa级热成形钢基板焊缝偏析程度大造成焊缝性能恶化的问题，本发明提供一种1800MPa级热成形钢基板的连接方法，适用于窄搭接电阻焊，使钢带在高张力作用下反复弯曲时在焊接接头处不断带且表面质量良好，保证带钢的正常生产。
2.技术方案
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
本发明针对的是1800MPa级热成形钢基板，所述1800MPa级热成形钢基板的化学成分及重量百分比为：C：0.10％～0.50％，Si：0.10％～0.60％，Mn：1.0％～3.0％，P：≤0.035％，S：≤0.008％，Als：0.010％～0.080％，Cr：0.10％～0.50％，Nb：0.02％～0.05％，V：0.01％～0.06％，Mo：0.10％～0.35，N：≤0.008％，其余为Fe。
C:最基本的强化元素，可显著提高焊缝金属的抗拉强度，但随着含碳量的提高，焊缝金属焊后的淬硬性增加，韧性降低。本发明用材碳含量为0.1～0.50％，提高焊缝强度的同时，焊缝韧性也会下降。
Si:基体中有固溶强化作用，硅含量较低时，对焊缝有一定的韧化效果，Si在焊缝中含量增加，化学成分不均匀性增大，焊缝强度提高，但塑性和冲击韧性下降，含Si量增加甚至导致树枝状结晶形态的改变，本发明用材硅含量较高为0.10％～0.60％，对焊缝韧性提升有一定效果。
Mn:基体中也有固溶强化作用，能够提升焊缝韧性，同时能与硫结合形成硫化锰，起到脱硫的作用，Mn在焊缝中含量的增高，成分偏析程度将增大，本发明用材锰含量为1.0％～3.0％，对焊缝韧性提升有利。
Als:基体中起到脱氧作用，但是铝含量过高，会在焊缝中产生金属间化合物，降低焊缝性能。本发明用材酸溶铝含量为0.010％～0.080％，对焊缝性能影响较小。
Cr:能显著提高淬透性，细化铁素体晶粒，提高焊缝强度，但是含量过高会降低焊缝韧性。本发明用材铬含量为0.10％～0.50％，有助于提升焊缝强度。
Nb：铌在基体中起细化晶粒和析出强化作用，铌的析出物可细化焊缝晶粒，增强焊缝韧性，Nb的加入能控制焊缝中奥氏体晶粒的长大，使先共析铁素体细化，本发明用材铌含量为0.02％～0.05％，可细化晶粒，提升焊缝性能。
V:显著的强化元素，能提高焊缝金属强度。本发明用材钒含量为0.01％～0.06％，有助于提升焊缝强度。
Mo:一定范围内可以细化晶粒，提高焊缝强度和韧性，但是含量过高，则会降低焊缝性能。本发明用材钼含量为0.10％～0.35％，对焊缝性能有所提升。
P、S、N:为有害杂质元素，增加焊缝冷脆性，易产生焊接裂纹，应尽量控制其低含量，减小对焊缝影响。
本发明提供的1800MPa级热成形钢基板Si含量低，C含量高，并增加了一定的Cr、V、Mo元素，可以有效提升焊缝强度和塑性，降低裂纹敏感性。焊接时，向焊接材料中加入一定量的合金元素Cr、V、Mo作为非自发晶核的质点，使焊缝金属晶粒细化，可以改善焊缝金属的性能。但焊缝金属加热温度高，冷却速度快，在热源移动时，结晶过程连续进行并随熔池前进，液体金属中不同部位其温度不均匀性巨大、中心过热，造成原始成分不均匀，为焊接接头的薄弱地带，合金元素的加入，可细化焊缝一次组织，提高焊缝的性能，但随着合金元素含量的增加，会增大焊缝的偏析程度，不适当的加入合金元素甚至引起焊缝性能的恶化，缝中多元合金化，造成合金元素之间复杂的相互作用及显微结构的不均匀性，Cr、V、Mo合金元素含量高，焊缝金属焊后的淬硬性增加，并降低了韧性，因此本发明针对Cr、V、Mo元素含量高的1800MPa级热成形钢基板，利用合理的焊接工艺和焊接参数，解决焊缝杯突不合格，无法获得合格焊缝的问题。
此外，焊缝金属中的合金元素Si、Mn本身不会引起脆化，但会促进P的脆化作用。Si含量降低，回火脆化量就会直线减少。因此为了降低焊缝回火脆化，需要采用低Si焊接材料，同时P元素含量也需要控制在≤0.035％。焊接工艺范围相对更宽，可焊接厚度特别是可以同种材料焊接的厚度范围也相对更宽。
为实现上述目的，本发明提供一种1800MPa级热成形钢基板的连接方法，具体步骤如下：
S1、焊接：使用窄搭接电阻焊机选择合适的焊接工艺参数，对上述1800MPa级热成形钢基板进行焊接；
S2、热处理：焊接后使用高频感应加热设备对上述焊缝进行热处理。
窄搭接电阻焊指的是搭接宽度小于焊轮宽度。
窄搭接电阻焊接的工作原理是利用大电流通过上电极传到带钢再到下电极，对两带钢头尾加热熔融，最后经过碾压完成焊接。
由焦耳定律可知，在电阻一定的情况下，电阻热与电流的平方呈正比，电流大小直接影响焊接热输入量。电流太小，其产生的热量不足以熔化焊缝接头，出现半熔体状态；反之，电流过大，又会造成过熔，或使焊缝强度降低而变脆。焊接速度同样直接影响焊接热输入量，速度越慢，焊接时间越长，焊接热输入量越大；反之，焊接热输入量越小。
电极压力和搭接量直接影响带钢之间的接触电阻，由电阻定律可知，搭接量越大，搭接面积越大，相应搭接区域的电阻越小，焊接热输入量越小；反之，焊接热输入量越大。电极压力太小，容易造成接触电阻不稳定，甚至产生喷溅；反之，过高的压力使电极和带钢之间的接触面积增大，造成分流。
焊后碾压可以提高焊缝平整度，有效改善焊缝表面质量，减少应力集中。
为了保证高强钢焊缝熔透率和接头强度，需增加焊缝热输入量。采用较低的焊接速度，可以增加热输入，也可以加强焊接时对焊件的预热作用，降低焊件的硬度，改善焊件接头边缘材料的受力状况，对控制飞溅、提高焊轮寿命非常有利。采用较大的电极压力，降低焊轮与带钢处的接触电阻，保证压平质量，减少因焊轮与带钢的发热而使带钢表面成为融化区，减少高强钢焊接过程中粘接。
结合具体实验确定，所述步骤S1中，焊接电流范围为16～21KA，焊接速度范围为7～12m/min，电极压力控制范围为14～21KN，焊后对搭接部分施加的焊缝碾压力范围为26～30KN，操作侧搭接量范围为0.8～1.5mm，传动侧搭接量为2.3～3.1mm。
建立焊接电流I、焊接速度v、电极压力F以及操作侧搭接量S为自变量，材料厚度H为因变量的多元回归模型，其数学表达式为：
H＝-0.182-0.0518·I-0.0365·v+0.0969·F+1.14·S
对上述1800MPa级热成形钢基板进行窄搭接电阻焊后，对焊缝区进行焊后热处理，焊接接头熔核区马氏体组织发生碳化物的聚集和马氏体分解，降低接头硬度，提高接头塑性，改善焊缝性能。
结合具体实验确定所述步骤S2中，焊后热处理温度为600～800℃，加热时间为30～50s，冷却时间为35～60s。所述高频感应加热设备具有红外对中功能，可对实现焊缝自动对中，可以为天益150KW高频感应加热器。
因合金元素含量高，焊缝金属焊后的淬硬性增加，并降低了韧性，使焊缝冷裂倾向性增大。结合具体实验发现，当钢带厚度在1.8mm以下时，同材料焊接焊缝性能可以满足要求；当钢带厚度超过1.8mm时，同材料焊接极易出现焊接裂纹，焊接性能较差，无法满足要求。选用低强度过渡材穿插焊接，可显著降低裂纹敏感性，提高焊缝韧性。因此，当钢带厚度在[0.8，1.8)mm，可使用同材料焊接；当钢带厚度在[1.8，2.2]mm，使用同厚度的过渡材穿插焊接。所述过渡材为抗拉强度范围为270～590MPa，其化学成分及重量百分比为C：≤0.035％，Si：≤0.025％，Mn：0.05％～0.55％，P：≤0.040％，S：≤0.035％，Als：0.010％～0.060％，N：≤0.008％，其余为Fe。相比较上述1800MPa级热成形钢基板，该过渡材合金元素含量低，强度低，塑韧性好，选用该过渡材穿插焊接，一方面因为合金元素含量低，强度较小，焊缝韧性可得到较大提高；另一方面，也能避免因为材料本身强度过低而导致断带，影响生产。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明提供一种用于1800MPa级热成形钢基板的窄搭接电阻焊方法，采用该焊接方法焊接的带钢焊接接头韧性及表面质量良好，保证带钢的正常生产，解决了因Cr、V、Mo合金元素含量高，1800MPa级热成形钢基板焊缝偏析程度大造成焊缝性能恶化的问题；
(2)本发明提供的搭接电阻焊工艺，可用于同等厚度和高强度级别带钢的搭接电阻焊。
附图说明
以下将结合附图和实施例来对本发明的技术方案作进一步的详细描述，但是应当知道，这些附图仅是为解释目的而设计的，因此不作为本发明范围的限定。此外，除非特别指出，这些附图仅意在概念性地说明此处描述的结构构造，而不必要依比例进行绘制。
图1为本发明实施例1焊缝杯突试验图；
图2为本发明实施例2焊缝杯突试验图；
图3为本发明实施例3焊缝杯突试验图；
图4为本发明实施例4焊缝杯突试验图；
图5为本发明实施例5焊缝杯突试验图；
图6为本发明对比例1焊缝杯突试验图；
图7为本发明对比例2焊缝杯突试验图。
具体实施方式
下文对本发明的示例性实施例的详细描述参考了附图，该附图形成描述的一部分，在该附图中作为示例示出了本发明可实施的示例性实施例。尽管这些示例性实施例被充分详细地描述以使得本领域技术人员能够实施本发明，但应当理解可实现其他实施例且可在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明作各种改变。下文对本发明的实施例的更详细的描述并不用于限制所要求的本发明的范围，而仅仅为了进行举例说明且不限制对本发明的特点和特征的描述，以提出执行本发明的最佳方式，并足以使得本领域技术人员能够实施本发明。因此，本发明的范围仅由所附权利要求来限定。
本发明一种1800MPa级热成形钢基板的连接方法，采用窄搭接电阻焊机进行焊接，并采用天益150KW高频感应加热器进行焊后热处理，具体步骤如下：
(1)焊接工艺参数设定：焊接电流16～21KA，电极压力14～21KN，焊接速度7～12m/min，碾压力26～30KN，操作侧搭接量0.8～1.5mm，传动侧搭接量2.3～3.1mm；
(2)应用上述焊接工艺在窄搭接电阻焊机上对上述钢带进行焊接，当钢带厚度在[0.8，1.8]mm，使用同材料焊接；当钢带厚度在(1.8，2.2]mm，使用同厚度的过渡材穿插焊接；
(3)待焊接完成后即进入焊缝热处理装置，该装置具有红外对中功能，可对实现焊缝自动对中；
(4)热处理工艺参数设定：加热温度600～800℃，加热时间30～50s，冷却时间为35～60s；
(5)应用上述工艺在感应热处理设备上进行焊后热处理；
(6)待热处理完成后即进行挖边，对焊接接头力学性能及微观组织进行检测。
所述1800MPa级高强度带钢的化学成分及重量百分比为：C：0.10％～0.50％，Si：0.10％～0.60％，Mn：1.0％～3.0％，P：≤0.035％，S：≤0.008％，Als：0.010％～0.080％，Cr：0.10％～0.50％，Nb：0.02％～0.05％，V：0.01％～0.06％，Mo：0.10％～0.35，N：≤0.008％，其余为Fe。选用的1800MPa级热成形钢基板的厚度和化学成分列于表1。
表1材料厚度及化学成分
当上述钢带厚度在[0.8，1.8]mm，使用同材料焊接，可以获得性能良好的焊缝；当钢带厚度在(1.8，2.2]mm，同种材料焊接后焊缝韧性较差，无法满足使用要求，可使用同厚度的过渡材穿插焊接。所述过渡材为抗拉强度范围为270～590MPa，其化学成分及重量百分比为C：≤0.035％，Si：≤0.025％，Mn：0.05％～0.55％，P：≤0.040％，S：≤0.035％，Als：0.010％～0.060％，N：≤0.008％，其余为Fe。选用的过渡材的参数如表2所示：
表2过渡材参数
采用的窄搭接电阻焊焊接工艺如下表3所示：
表3焊接工艺参数
采用的焊后热处理工艺如下表4所示：
表4焊后热处理工艺参数
| 加热温度/℃ | 加热时间/s | 冷却时间/s | |
| 实施例1 | 600 | 30 | 35 |
| 实施例2 | 700 | 40 | 40 |
| 实施例3 | 750 | 40 | 50 |
| 实施例4 | 800 | 50 | 55 |
| 实施例5 | 800 | 50 | 60 |
| 对比例1 | 550 | 25 | 40 |
| 对比例2 | 850 | 50 | 65 |
实施例1-5的焊接工艺参数符合公式H＝-0.182-0.0518·I-0.0365·v+0.0969·F+1.14·S，其中，I为焊接电流，v为焊接速度，F为电极压力，S为操作侧搭接量，H为材料厚度。
对焊接得到的焊接接头的性能进行表征，按照杯突实验方法(GB/T 4156-2020)进行焊缝质量检验，杯突实验结果如表5。其中实施例1～5杯突试验后裂纹呈月牙状或与焊缝垂直，杯突试验合格，说明焊缝韧性较好，可满足生产要求，如图1～5所示。对比例1～2杯突试验后在焊缝处开裂，基板延搭接面剥离，杯突实验不合格，无法满足生产要求，如图6～7所示。
表5焊缝杯突性能
| 杯突性能 | |
| 实施例1 | 合格 |
| 实施例2 | 合格 |
| 实施例3 | 合格 |
| 实施例4 | 合格 |
| 实施例5 | 合格 |
| 对比例1 | 不合格 |
| 对比例2 | 不合格 |
采用本发明方法连接1800MPa级热成形钢基板，在后续生产过程中未出现焊缝断带事故。
上述说明仅对本发明进行了具体的示例性描述，需要说明的是本发明具体的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的技术构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的技术构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种1800MPa级热成形钢基板的连接方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1、焊接：使用窄搭接电阻焊机选择合适的焊接工艺参数，对1800MPa级热成形钢基板进行焊接；所述焊接工艺参数为：焊接电流范围为16～21KA，焊接速度范围为7～12m/min，电极压力控制范围为14～21KN，焊后对搭接部分施加的焊缝碾压力范围为26～30KN，操作侧搭接量范围为0.8～1.5mm，传动侧搭接量为2.3～3.1mm；焊接工艺参数与材料厚度H满足H＝-0.182-0.0518·I-0.0365·v+0.0969·F+1.14·S，其中，焊接电流I、焊接速度v、电极压力F以及操作侧搭接量S为自变量；
S2、热处理：焊接后使用加热设备对上述焊缝进行热处理；
所述1800MPa级热成形钢基板的化学成分及重量百分比为：C：0.10％～0.50％，Si：0.10％～0.60％，Mn：1.0％～3.0％，P：≤0.035％，S：≤0.008％，Als：0.010％～0.080％，Cr：0.10％～0.50％，Nb：0.02％～0.05％，V：0.01％～0.06％，Mo：0.10％～0.35，N：≤0.008％，其余为Fe。
2.根据权利要求1所述一种1800MPa级热成形钢基板的连接方法，其特征在于，当基板厚度在[0.8，1.8]mm，使用同材料焊接；当基板厚度在[1.8，2.2]mm，使用同厚度的过渡材穿插焊接。
3.根据权利要求2所述一种1800MPa级热成形钢基板的连接方法，其特征在于，所述过渡材的抗拉强度范围为270～590MPa，其化学成分及重量百分比为C：≤0.035％，Si：≤0.025％，Mn：0.05％～0.55％，P：≤0.040％，S：≤0.035％，Als：0.010％～0.060％，N：≤0.008％，其余为Fe。
4.根据权利要求3所述一种1800MPa级热成形钢基板的连接方法，其特征在于，焊后热处理温度加热至600～800℃，加热时间30～50s，冷却时间为35～60s。
5.根据权利要求4所述一种1800MPa级热成形钢基板的连接方法，其特征在于，所述焊后热处理设备是高频感应加热设备，具有红外对中功能，可对实现焊缝自动对中。
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