PL217717B1 - Sposób zgrzewania blach o wysokiej wytrzymałości zwłaszcza TRIP i DP - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób zgrzewania blach o wysokiej wytrzymałości zwłaszcza TRIP i DP.

Wynalazek dotyczy zgrzewania rezystancyjnego, w szczególności punktowego blach na zakładkę ze stali o wysokiej wytrzymałości (w konfiguracji połączeń jednoimiennych). Ze względu na skład chemiczny stali o wysokiej wytrzymałości technologia zgrzewania tych materiałów musi spełniać określone wymagania i zapewnić odpowiednie warunki temperaturowe, w szczególności szybkość chłodzenia. Technologia zgrzewania gwarantuje spełnienie określonych warunków cieplnych (zwłaszcza szybkości chłodzenia), jakie muszą być spełnione dla uzyskania połączeń o odpowiedniej jakości, w tym szczególnie twardości w obszarze zgrzewania.

Z uwagi na specyfikę procesu zgrzewania, tj. dużą szybkość chłodzenia, zgrzewanie rezystancyjne wymaga materiałów o małej skłonności do podhartowania. Materiały te powinny zwierać jak najmniejszą ilość węgla, który jest głównym czynnikiem powodującym hartowanie i otrzymywanie tym samym twardych struktur. Twarde struktury mają skłonność do powstawania pęknięć w końcowym etapie tworzenia się zgrzeiny, a podczas eksploatacji konstrukcji zgrzewanej mogą przekształcić się w pęknięcia katastroficzne.

Stale o wysokiej wytrzymałości są konkurencyjne z uwagi na swoje charakterystyczne cechy, tj. wysoką wytrzymałość właściwą w stosunku do innych materiałów, co przekłada się wprost na skutki ekonomiczne w postaci obniżenia masy karoserii i tym samym mniejsze zużycie paliwa. Na uwagę zasługuje szczególnie fakt zwiększonego bezpieczeństwa pasażerów pojazdów, do którego przyczynia się zdolność absorpcji energii przez te stale podczas kolizji drogowej. Dlatego materiały te są szeroko stosowane do budowy karoserii samochodów, a zgrzewanie tych materiałów wymaga ciągłego doskonalenia procesów technologicznych.

Zgrzewalność stali o wysokiej wytrzymałości (DP i TRIP) jest szczególnie istotna ze względu na wysoką zawartość C, Mn i Si, prowadzącą przy dużych prędkościach chłodzenia (występujących podczas docisku końcowego elektrod) do uzyskiwania zgrzein charakteryzujących się strukturą martenzytyczną i wysoką twardością strefy zgrzewania.

Zgrzewanie tych materiałów wymaga specjalnych zabiegów technologicznych mających na celu obniżenie twardości w obszarze zgrzewania.

Znane są sposoby umieszczania elementów zgrzewanych w kąpielach, które mają na celu przeprowadzenie obróbki cieplnej, w efekcie końcowym otrzymamy obniżenie twardości obszaru zgrzewania. Wymaga to jednak nagrzania medium ciekłego do stosunkowo wysokiej temperatury (około 500°C) i wytrzymania w czasie około 60 sek. Niedogodnością takiego sposobu jest jednak brak możliwości eliminacji pęknięć, które powstały już w procesie tworzenia konstrukcji zgrzewanej.

W połączeniach zgrzewanych blach o wysokiej wytrzymałości TRIP i DP, szczególnie w konfiguracji połączeń jednoimiennych, obserwuje się powstawanie pęknięć także w obszarze jądra zgrzeiny, które stwarzają ryzyko zniszczenia złącza lub konstrukcji zgrzewanej. Uznaje się za prawidłowe uzyskanie twardości rzędu 300-350 HV w obszarze zgrzeiny wg PN-M-69020:1974 „Spawalnictwo Klasyfikacja jakości zgrzein punktowych”. Ryzyko zniszczenia złącza spowodowane propagacją (rozwinięciem) mikropęknięć w czasie użytkowania konstrukcji jest tym większe, im większe są twardości w obszarze zgrzewania, ale szczególnie istotna jest różnica twardości na granicy poszczególnych stref złącza zgrzewanego, tj.: jądra zgrzeiny, strefy wpływu ciepła (SWC) i materiału rodzimego (MR).

Dodatkowy zabieg cieplny (kąpiele cieplne) po procesie zgrzewania elementów jest w stanie doprowadzić do zmniejszenia twardości obszaru zgrzewania, jednak nie jest w stanie wyeliminować mikropęknięć.

Znane są również technologie zgrzewania dwuimpulsowe o czasie trwania drugiego impulsu od 1 do 5 razy dłuższego od zasadniczego impulsu zgrzewania, które poprawiają ogólną strukturę złącza, ale nie umożliwiają uzyskania twardości na poziomie 300-350 HV i nie są w stanie wyeliminować mikropęknięć.

Z uwagi na specyfikę procesu zgrzewania, tj. duże szybkości chłodzenia, zgrzewanie rezystancyjne wymaga często złożonego programu zgrzewania. Dotyczy to niekiedy kształtu i rodzaju materiału elektrod, modulacji siły docisku, modulacji prądu zgrzewania.

Sposób według wynalazku polega tym, że za pomocą dodatkowego impulsu dogrzewającego spowalnia się szybkość chłodzenia, przy czym impulsem dogrzewającym spowalnia się chłodzenie do poziomu czasu chłodzenia, korzystnie 23 sekundy dla blach TRIP i korzystnie 10 sekund dla blach DP

PL 217 717 B1 oraz kontroluje się rozkład temperatury w trzech punktach obszaru zgrzewania, w styku elektroda materiał zgrzewany (Telektroda-materiał), w osi elektrod, w centralnym punkcie jądra zgrzeiny (Tjądro) i na krawędzi jądra (Tkrawędź jądra), a kontrola temperatury odbywa się w modelu obliczeniowym MES, nie w rzeczywistych warunkach.

Czasy spowolnienia chłodzenia określa się oraz wyznacza w próbach na stanowisku do symulowania cykli cieplnych, gdzie nagrzewa się próbkę do temperatury 1250°C i poddaje się kontrolowanemu chłodzeniu, w wyniku czego uzyskuje się rozkład twardości w zależności od szybkości chłodzenia, przy czym czasem odniesienia jest czas chłodzenia w zakresie 800 - 500°C, w skrócie t8/5, który przenosi się na dodatkowy impuls dogrzewający za pomocą oprogramowania do obliczeń MES (metoda elementów skończonych).

Dla punktu na krawędzi jądra Tkrawędzi jądra ze względu na koncentrację naprężeń w tym obszarze, dobiera się parametry drugiego impulsu prądowego tak, by w zakresie temperatury 800 - 500°C uzyskać odpowiednio długi czas, przy czym czas ten wyznacza się na stanowisku do symulowania cykli cieplnych, a w dalszej kolejności obliczenia MES pozwalają na określenie czasu przerwy tp pomiędzy impulsem zasadniczym a impulsem dogrzewającym, oraz wartości prądu impulsu dogrzewającego.

Sposób według wynalazku pozwala na uzyskanie złączy zgrzewanych o odpowiednio niskiej (założonej) twardości, zgodnej z przyjętymi zaleceniami zamieszczonymi w normach. Ponadto poddanie bezpośrednio obróbce cieplnej (dodatkowy impuls dogrzewający) złączy zgrzewanych eliminuje całkowicie powstawanie pęknięć. W znanych rozwiązaniach polegających na zgrzaniu konstrukcji, schłodzeniu jej do temperatury otoczenia i późniejszej obróbce cieplnej, uzyskuje się zmniejszenie twardości, co jest bardzo istotne, ale nie umożliwia wyeliminowania pęknięć, gdyż powstały one już w czasie cyklu zgrzewania, podczas zbyt szybkiego chłodzenia.

Złącza zgrzewane z dodatkowym impulsem dogrzewającym o precyzyjnie określonym czasie chłodzenia nie są podatne na tworzenie się mikropęknięć. Technologia zgrzewania dwuimpulsowa z czasem drugiego impulsu zbyt krótkiego, nie pozwala na uzyskania odpowiedniej, zarazem akceptowalnej i bezpiecznej z punktu widzenia użytkowania oraz warunków pracy twardości złącza.

Sposób według wynalazku objaśniono na rysunku fig. 1, który przedstawia rozkład temperatury w obszarze zgrzewania (elektrody, materiał zgrzewany) i usytuowanie trzech charakterystycznych punktów, fig. 2 przedstawia wykres obliczeń MES zgrzewania blach (przebiegi temperatury i prądu zgrzewania), a fig. 3a przedstawia wykres wyznaczania czasu impulsu dogrzewającego dla cyklu cieplnego na stanowisku do symulowania cykli cieplnych, natomiast fig. 3b przedstawia przebieg prądu zgrzewania z wyznaczonym czasem trwania drugiego impulsu.

Zastosowano dodatkowy impuls dogrzewający powodujący znaczne spowolnienie szybkości chłodzenia. Impuls dogrzewający ma za zadanie spowolnienie chłodzenia do poziomu 23 sekund dla blach TRIP i 10 sekund dla blach DP w zakresie temperatury 800 - 500°C. Czasy te zostały określone (wyznaczone) w próbach na stanowisku do symulowania cykli cieplnych, gdzie nagrzewano próbkę do temperatury 1250°C i poddawano kontrolowanemu chłodzeniu, w wyniku czego uzyskano rozkład twardości w zależności od szybkości chłodzenia. Czasem odniesienia był czas w zakresie 800 - 500°C, w skrócie t8/5.

Konieczne czasy chłodzenia t8/5 zostały przetransponowane na dodatkowy impuls dogrzewający. Wykorzystano w tym celu oprogramowanie do obliczeń MES. Kontrolowano rozkład temperatury w trzech punktach obszaru zgrzewania - fig 1. Kontrolowano temperaturę w styku elektroda materiał zgrzewany (Telektroda-materiał) i osi elektrod, centralnym punkcie jądra zgrzeiny (Tjądro) i na krawędzi jądra (Tkrawędź jądra). Najistotniejszym punktem jest krawędź jądra z uwagi na koncentrację naprężeń w tym obszarze. Dla tego punktu dobierano parametry drugiego impulsu prądowego tak, by w zakresie temperatury 800 - 500°C uzyskać odpowiednio długi czas. Czas ten wyznaczono na stanowisku do symulowania cykli cieplnych, a w dalszej kolejności obliczenia MES pozwoliły na określenie podstawowych parametrów technologii fig. 2, tj.:

- czasu przerwy tp pomiędzy impulsem zasadniczym a impulsem dogrzewającym,

- wartości prądu I2 impulsu dogrzewającego.

Czas drugiego impulsu został już określony wcześniej w próbach na stanowisku do symulowania cykli cieplnych.

Praktyczny przykład realizacji został objaśniony na rysunku fig. 3. Do zagadnienia należy podejść dwuetapowo. Najpierw na stanowisku do symulowania cykli cieplnych próbka wykonana z takiego samego materiału jak zgrzewany element, zostaje poddana cyklowi cieplnemu nagrzewania i kontrolowanego chłodzenia. Realizowane są różne cykle cieplne aż do momentu uzyskania założonej

PL 217 717 B1 twardości (300/350 HV). Dla takiego cyklu cieplnego odczytywany jest czas chłodzenia w zakresie temperatury 800 - 500°C, oznaczony na rysunku fig. 3 jako czas t₂ = t_8/5. Struktura materiału dla krótszego czasu t8/5 = t2', a tym samym intensywniejszego chłodzenia charakteryzuje się wyższą twardością. Natomiast struktura materiału dla dłuższego czasu, a tym samym wolniejszego (mniej intensywnego) chłodzenia t8/5 = t2” charakteryzuje się niższą twardością.

W dalszej kolejności dobierany jest czas przerwy pomiędzy impulsami prądu i wartość natężenia prądu drugiego impulsu tak, aby czas chłodzenia t2 = t8/5 był taki sam jak wyznaczony na stanowisku do symulowania cykli cieplnych lub dłuższy. Parametry te wyznacza się z modelu obliczeniowego MES. Poprawność wyliczeń modelu MES w odniesieniu do rozkładu temperatury została zweryfikowana eksperymentalnie za pomocą termoparowego pomiaru temperatury.

Claims (3)

1. Sposób zgrzewania blach o wysokiej wytrzymałości zwłaszcza TRIP i DP, znamienny tym, że za pomocą dodatkowego impulsu dogrzewającego spowalnia się szybkość chłodzenia, przy czym impulsem dogrzewającym spowalnia się chłodzenie do poziomu czasu chłodzenia, korzystnie 23 sekundy dla blach TRIP i korzystnie 10 sekund dla blach DP oraz kontroluje się rozkład temperatury w trzech punktach obszaru zgrzewania, w styku elektroda materiał zgrzewany (Telektroda-materiał), osi elektrod, centralnym punkcie jądra zgrzeiny (Tjądro) i na krawędzi jądra (Tkrawędź jądra), a kontrola temperatury odbywa się w modelu obliczeniowym MES, nie w rzeczywistych warunkach.

2. Sposób zgrzewania według zastrz. 1, znamienny tym, że czasy spowolnienia chłodzenia określa się oraz wyznacza w próbach na stanowisku do symulowania cykli cieplnych, gdzie nagrzewa się próbkę do temperatury 1250°C i poddaje się kontrolowanemu chłodzeniu, w wyniku czego uzyskuje się rozkład twardości w zależności od szybkości chłodzenia, przy czym czasem odniesienia jest czas chłodzenia w zakresie 800 - 500°C, w skrócie t8/5, który przenosi się na dodatkowy impuls dogrzewający za pomocą oprogramowania do obliczeń MES.

3. Sposób zgrzewania według zastrz. 1, znamienny tym, że dla punktu na krawędzi jądra Tkrawędż jądra ze względu na koncentrację naprężeń w tym obszarze dobiera się parametry drugiego impulsu prądowego tak, by w zakresie temperatury 800 - 500°C uzyskać odpowiednio długi czas, przy czym czas ten wyznacza się na stanowisku do symulowania cykli cieplnych, a dalsza kolejność obliczenia MES pozwala na określenie czasu przerwy tp pomiędzy impulsem zasadniczym a impulsem dogrzewającym, oraz wartości prądu impulsu dogrzewającego.