CN115055799B - 一种1000MPa级高成形性汽车用钢的连接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种1000MPa级高成形性汽车用钢的连接方法，属于金属材料焊接领域。它包括(1)将上述1000MPa级高成形性汽车用钢端面上下搭接，使用窄搭接电阻焊机，选择合适的焊接工艺参数进行焊接；(2)焊接后使用加热设备对上述焊缝进行热处理。焊接电流范围为14～18KA，焊接速度范围为8～14m/min，电极压力控制范围为14～20KN，焊后对搭接部分施加的焊缝碾压力范围为24～28KN，操作侧搭接量范围为0.8～1.4mm，传动侧搭接量为2.3～3.0mm。本发明提供的焊接方法焊接该1000MPa级高强钢板，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，具有结构简单、设计合理、易于制造的优点。
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1000MPa级高成形性汽车用钢的连接方法。
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CN102151968A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，无法满足现场生产节奏；天津市亿博制钢有限公司专利CN103831520A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。邯郸钢铁集团有限责任公司专利CN108381021A、CN108393568A分别提供了一种1000MPa级淬火分配钢、双相钢钢板的焊接方法，并没有针对1000MPa级高成形性汽车用钢窄搭接焊的焊接方法进行说明。
专利CN104842056A，提供了一种冷轧双相钢带的窄搭接焊接工艺，利用窄搭接电阻焊机焊接冷轧双相钢带。其技术方案是：焊接工艺条件为：焊接电流为9～26KA，焊接速度为6～13m/min，焊机的焊轮压力为6.5～13KN，前卷带钢的尾部和后卷带钢的头部的搭接量为0.4～2.0mm，补偿量为0.25～0.7mm。该发明主要针对的是800MPa以下冷轧双相钢，对比双相钢，1000MPa级高成形性汽车用钢的C、Si等元素含量更高，需要更低的焊接速度、更大的焊接压力，配合焊后热处理来保证焊接质量，该方法所述工艺无法实现。
对于1000MPa级高强带钢的窄搭接电阻焊，由于其特殊的合金成分设计，当焊接线能量较低时，焊缝内部容易产生熔合不充分现象，使焊接接头性能恶化；当焊接线能量较高时，会引起焊接飞溅以及产生较差的表面质量，直接影响焊轮的寿命和工作辊的辊耗。目前1000MPa级高成形性汽车用钢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。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，提供一种可靠焊接和焊后热处理工艺方法，提升焊缝性能，以保证该产品的连续稳定生产。
发明内容
1.要解决的问题
针对现有Si含量为1.0％～3.0％的1000MPa级高成形性汽车用钢焊缝强度高，韧性降低，焊缝裂纹敏感性高的问题，本发明提供一种1000MPa级高成形性汽车用钢的连接方法，主要适用于窄搭接电阻焊，采用该焊接方法焊接高强度钢带并对焊接接头进行焊后热处理，钢带在高张力作用下反复弯曲时，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：
本发明提供一种1000MPa级高成形性汽车用钢的连接方法，所述方法步骤如下：
(1)焊接：将1000MPa级高成形性汽车用钢端面上下搭接，使用窄搭接电阻焊机进行焊接；
(2)热处理：焊接后使用加热设备对上述焊缝进行热处理。
所述步骤(1)中，1000MPa级高成形性汽车用钢的化学成分及重量百分比为：C：0.1％～0.30％，Si：1.0％～3.0％，Mn：1.0％～3.5％，P：≤0.050％，S：≤0.010％，Als：0.030％～0.080％，Nb：0.02％～0.06％，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％～0.30％，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，其对焊缝金属组织和性能的影响主要表现在具有较强的强化作用，在一定程度上降低了焊缝金属的冲击韧性而使焊缝金属的脆性增大，本发明用材硅含量较高为1.0％～3.0％，增加了焊缝裂纹敏感性。
Mn:基体中有固溶强化作用，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，本发明用材锰含量为1.0％～3.5％，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0.030％～0.080％，对焊缝性能影响较小。
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，本发明用材铌含量为0.02％～0.06％，可细化晶粒，提升焊缝性能。
P、S、N:磷、硫和氮为有害杂质元素，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。
本发明的高强度钢带因Si元素含量高，Si对焊缝金属组织和性能的影响主要表现在具有较强的强化作用，在一定程度上降低了焊缝金属的冲击韧性而使焊缝金属的强度增大，使焊缝冷裂倾向性增大。Mn、Si是一般低碳钢和低合金钢焊缝中不可缺少的合金元素，它们一方面可使焊缝金属充分充氧，另一方面可提高焊缝的抗拉强度，但对韧性的影响比较复杂，Si含量高焊缝强度提高，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，因此本发明针对Si含量在1.0％～3.0％的1000级高成形性汽车用钢，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。
结合具体实验发现，当钢带厚度在1.6mm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1.6mm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[0.8，1.6)mm，可使用同材料焊接；当钢带厚度在[1.6，2.0]mm，使用同厚度的过渡材穿插焊接。与现有技术相比，1000MPa级高成形性汽车用钢C、Mn元素含量相近，但Si含量更高，焊缝裂纹敏感性也更高，可使用同材料焊接的厚度范围更小。
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。本发明1000MPa级高成形性汽车用钢Si含量高，强度大，为了保证高强钢焊缝熔透率和接头强度，需保证较大的熔核，因此需增加的焊缝热输入量。而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、提高焊轮寿命也非常有利。结合具体实验确定，焊接电流范围为14～18KA，焊接速度范围为8～14m/min。
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。相对操作侧，传东侧需要一定的搭接补偿量。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。本发明1000MPa级高成形性汽车用钢强度高，需要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，电极压力控制范围为14～20KN，操作侧搭接量范围为0.8～1.4mm，传动侧搭接量为2.3～3.0mm。
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，因焊缝强度高，结合具体实验确定，焊后对搭接部分施加的焊缝碾压力范围为24～28KN。
结合具体实验，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＝-1.27+0.144·I-0.0214·v-0.0495·F+1.30·S
所述步骤(1)中，过渡材抗拉强度范围为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1000MPa级高成形性汽车用钢，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Si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。
所述步骤(2)中，热处理采用高频感应加热方式，可以为天益150KW高频感应加热器。焊后热处理能够明显改善焊缝组织，消除内应力，提升焊缝性能。
结合具体实验确定所述步骤(2)中，焊后热处理温度为600～800℃，加热时间30～45s，冷却时间为35～50s。
本发明通过窄搭接电阻焊及相应的焊后热处理功能，对一种1000MPa级高成形性汽车用钢进行焊接，并在焊后对焊接接头进行热处理。本发明主要适用于窄搭接电阻焊机及感应加热热处理设备。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明针对Si含量为1.0％～3.0％的1000MPa级高成形性汽车用钢，提供了一种窄搭接电阻焊方法，采用该焊接方法焊接该高强钢板，使其带钢焊接接头韧性及表面质量良好，保证带钢的正常生产；
(2)采用本发明提供的搭接电阻焊工艺，可用于同等厚度和强度级别带钢的窄搭接电阻焊。
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为本发明对比例1焊缝杯突试验图；
图6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1000MPa级高成形性汽车用钢的连接方法，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，具体实施方式如下。
(1)焊接工艺参数设定：焊接电流14～18KA，电极压力14～20KN，焊接速度8～14m/min，碾压力24～28KN，操作侧搭接量0.8～1.4mm，传动侧搭接量2.3～3.0mm；
(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[0.8，1.6)mm，使用同材料焊接；当钢带厚度在[1.6，2.0]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：热处理温度为600～800℃，加热时间30～45s，冷却时间为35～50s；
(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。
下面结合实例对本发明具体实施方式做进一步描述。
所述1000MPa级高成形性汽车用钢的化学成分及重量百分比为：C：0.1％～0.30％，Si：1.0％～3.0％，Mn：1.0％～3.5％，P：≤0.050％，S：≤0.010％，Als：0.030％～0.080％，Nb：0.02％～0.06％，N：≤0.008％，其余为Fe。选用的1000MPa级高成形性汽车用钢的厚度和化学成分列于表1。
表1材料厚度及化学成分
所述过渡材抗拉强度范围为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
实施例1-4的焊接工艺参数满足：H＝-1.27+0.144·I-0.0214·v-0.0495·F+1.30·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。
按照杯突实验方法(GB/T 4156-2020)对焊缝进行杯突质量检验，杯突实验结果如表5。其中实施例1～4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1～4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5～6所示。
表5焊接接头性能结果
| 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 |
| 对比例1 | 不合格 |
| 对比例2 | 不合格 |
采用本发明方法连接1000MPa级高成形性汽车用钢，在后续生产过程中未出现断带事故。
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 (3)
1.一种1000MPa级高成形性汽车用钢的连接方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、焊接：将1000MPa级高成形性汽车用钢端面上下搭接，使用窄搭接电阻焊机进行焊接，焊接电流范围为14~18KA，焊接速度范围为8~14m/min，电极压力控制范围为14~20KN，焊后对搭接部分施加的焊缝碾压力范围为24~28KN，操作侧搭接量范围为0.8~1.4mm，传动侧搭接量为2.3~3.0mm；
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1000MPa级高成形性汽车用钢的化学成分及重量百分比为：C：0.1%~0.30%，Si：1.0%~3.0%，Mn：1.0%~3.5%，P：≤0.050%，S：≤0.010%，Als：0.030%~0.080%，Nb：0.02%～0.06%，N：≤0.008%，其余为Fe；
1000MPa级高成形性汽车用钢采用钢带形式，当钢带厚度在[0.8，1.6)mm，使用同材料焊接；当钢带厚度在[1.6，2.0]mm，使用同厚度的过渡材穿插焊接；
钢带的材料厚度和焊接工艺参数满足：H = - 1.27 + 0.144·I - 0.0214·v -0.0495·F + 1.30·S，式中，H为钢带的材料厚度，mm；I为焊接电流，KA；v为焊接速度，m/min；F为电极压力，KN；S为操作侧搭接量，mm；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；
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。
2.根据权利要求1所述一种1000MPa级高成形性汽车用钢的连接方法，其特征在于，焊后热处理温度为600~800℃，加热时间30～45s，冷却时间为35~50s。
3.根据权利要求2所述一种1000MPa级高成形性汽车用钢的连接方法，其特征在于，热处理采用高频感应加热方式。
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