曹迪琛

摘要： 目前全球都在面臨能源危機(jī)，節(jié)能降耗、減少成本展開生產(chǎn)活動(dòng)成為關(guān)鍵。它希望滿足安全性能要求，持續(xù)優(yōu)化框架結(jié)構(gòu)，減少對(duì)普通結(jié)構(gòu)鋼材的過量使用，而轉(zhuǎn)向采用高比強(qiáng)度輕質(zhì)金屬（例如鋁合金、鎂合金）。制造過程中的關(guān)鍵技術(shù)——熱沖壓高強(qiáng)鋼點(diǎn)焊接頭技術(shù)。主要從高強(qiáng)鋼點(diǎn)焊接的失效特性、焊接頭特性展開研究。同時(shí)結(jié)合兩種失效方法下的接頭應(yīng)力、疲勞性能實(shí)驗(yàn)方案技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行進(jìn)一步探究。

Abstract： At present， the world is facing an energy crisis， energy saving， reduce consumption， reduce cost production activities become the key. It hopes to meet the safety performance requirements， continue to optimize the frame structure， reduce the excessive use of ordinary structural steel， and turn to use high specific strength light metal （e. g. aluminum alloy， magnesium alloy）. Key technology in the manufacturing process——hot stamping high strength steel point welding head technology.Mainly on the failure characteristics and welding head characteristics of high strength steel point.The technical contents of the joint stress and fatigue performance experiment scheme under the two failure methods are further explored.

關(guān)鍵詞： 熱沖壓高強(qiáng)鋼;點(diǎn)焊接頭應(yīng)力;失效方式;疲勞性能實(shí)驗(yàn)方案

Key words： hot stamping high strength steel;point welding head stress;failure mode;fatigue performance test scheme

中圖分類號(hào)：TG444? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）23-0097-02

0? 引言

伴隨中國科技成果的日新月異，節(jié)能、環(huán)保、安全成為三大主要課題，在注重節(jié)能、減排有效途徑實(shí)施過程中。在利用熱沖壓高強(qiáng)鋼展開生產(chǎn)過程中，它希望有效改良性能，達(dá)到生產(chǎn)節(jié)能減排目標(biāo)。不再采用常規(guī)材料，配合點(diǎn)焊接頭應(yīng)力方案以及疲勞性能實(shí)驗(yàn)方案來建立點(diǎn)焊接頭界面的斷裂臨界失效公式。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果證明，熱沖壓成型后高強(qiáng)鋼的抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到1500MPa甚至以上。

1? 高強(qiáng)鋼點(diǎn)焊失效的基本特性與熱沖壓工藝原理分析

1.1 高強(qiáng)鋼點(diǎn)焊失效的基本特性

在制造行業(yè)領(lǐng)域中，焊點(diǎn)質(zhì)量評(píng)價(jià)的核心依據(jù)就是點(diǎn)焊接頭是否失效以及其失效形式。一般來說點(diǎn)焊接頭主要以界面斷裂形式失效最為常見，它是指代焊點(diǎn)從熔核結(jié)合面斷開時(shí)，焊點(diǎn)無法滿足質(zhì)量要求，此時(shí)就需要運(yùn)用到高強(qiáng)鋼。高強(qiáng)鋼的組織結(jié)構(gòu)與焊接性能表現(xiàn)出色，它可應(yīng)用于截面斷裂失效方式研究過程中。就國際專業(yè)領(lǐng)域?qū)用嫔涎芯?，可參考高?qiáng)鋼點(diǎn)焊接頭發(fā)生失效時(shí)的具體失效位置以及失效過程進(jìn)行分析，它可以將焊點(diǎn)失效模式劃分為虛焊、部分木材撕裂、熔核撕裂等8種，這些形式的焊點(diǎn)質(zhì)量普遍較高。比如說，可參考斷裂力學(xué)中的應(yīng)力場強(qiáng)度因子理論來計(jì)算焊點(diǎn)發(fā)生界面撕裂臨界熔核直徑，具體計(jì)算公式如下：

在上述算式中，K代表與材料相關(guān)的系數(shù)，如果熔核的實(shí)際直徑>臨界直徑，接頭如果以焊核拔出模式則會(huì)完全失效。但如果接頭以界面斷裂方式失效，則點(diǎn)焊接頭的最終失效方式就是界面斷裂以及熔核拔出兩種失效方式?？陀^講，上述計(jì)算過程對(duì)于高強(qiáng)鋼點(diǎn)焊接頭的失效過程模擬是相當(dāng)有效到位的，它可針對(duì)不同板材屬性選取不同K值進(jìn)行模擬，進(jìn)而獲得不同的臨界焊接直徑公式，如此可滿足高強(qiáng)度與普通低碳鋼驗(yàn)證要求[1]。

1.2 熱沖壓工藝原理

熱沖壓工藝原理專門針對(duì)高強(qiáng)鋼，高強(qiáng)鋼強(qiáng)度越高，成形性表現(xiàn)就越差，特別是當(dāng)其強(qiáng)度達(dá)到1000MPa以上時(shí)，常規(guī)冷沖壓工藝基本無法成形。在如此高強(qiáng)度背景下，如果采用普通冷沖壓技術(shù)方式則會(huì)出現(xiàn)高強(qiáng)鋼零件回彈問題難以解決問題。為此，專業(yè)領(lǐng)域相關(guān)專業(yè)人士正在研究高壓熱沖壓點(diǎn)焊技術(shù)，開發(fā)熱沖壓模具，具體參考圖1[2]。

在熱沖壓成型工藝中，可選擇在880～1000℃的給坯料狀態(tài)下加熱保溫至少5～10分鐘左右，然后確保鋼板被充分奧氏體化，再快速轉(zhuǎn)移沖床大約7s左右，在沖壓設(shè)備中保持溫度在800℃左右，配合30℃/s的冷卻速度進(jìn)行沖壓以及快冷淬火處理，如此可保證熱沖壓成型后高強(qiáng)鋼強(qiáng)度級(jí)別大幅度提升[3]。

2? 高強(qiáng)鋼點(diǎn)焊接頭熱沖壓的基本性能分析

在熱沖壓高強(qiáng)鋼點(diǎn)焊接頭的基本性能分析過程中，可首先確定點(diǎn)焊接頭的疲勞性能影響規(guī)律以及接頭疲勞失效具體位置，再分析焊點(diǎn)疲勞的相關(guān)失效機(jī)理，它主要涉及到接頭組織的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及接頭缺陷問題。

2.1 對(duì)接頭組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的分析

在高強(qiáng)鋼點(diǎn)焊接頭熱沖壓的基本性能分析過程中，必須首先了解接頭組織的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合熱沖壓點(diǎn)焊接頭宏觀組織進(jìn)行分析，由此可將點(diǎn)焊接頭區(qū)域劃分為熔核區(qū)、母材區(qū)以及熱影響區(qū)三大區(qū)域。這三大區(qū)域要基于熔合線條向熔核中心面生長情況進(jìn)行分析，如此可形成柱狀晶組織，此時(shí)再分析熔核的抗裂紋擴(kuò)展型交叉問題最為合適，當(dāng)抗裂紋擴(kuò)展性表現(xiàn)偏差時(shí)，導(dǎo)致接頭發(fā)生應(yīng)力界面斷裂的傾向性就會(huì)相應(yīng)增大[4]。

2.2 對(duì)接頭缺陷的分析

在分析高強(qiáng)鋼點(diǎn)焊接頭缺陷問題時(shí)，需要分析其點(diǎn)焊接頭形狀特殊性，結(jié)合裂紋尖端分析焊點(diǎn)承受剪切載荷過程分析熔核擴(kuò)展問題，這就導(dǎo)致界面斷裂發(fā)生。此時(shí)了解到高強(qiáng)鋼接頭是存在顯著硬脆特點(diǎn)的，它導(dǎo)致界面斷裂失效問題發(fā)生。在分析熔核區(qū)組織凝固過程時(shí)，需要結(jié)合垂直方向結(jié)合面可能出現(xiàn)的縮孔缺陷問題進(jìn)行分析，了解熱沖壓高強(qiáng)鋼在結(jié)合面所產(chǎn)生的縮孔缺陷。當(dāng)溫度下降到液相線以下時(shí)，液態(tài)金屬優(yōu)先選擇依附于未熔化熱影響區(qū)組織中，其溫度存在差異，晶粒組織收縮也會(huì)出現(xiàn)不同步情況。此時(shí)需要分析當(dāng)焊點(diǎn)承受一定剪切荷載時(shí)，微裂紋沿熔合線會(huì)不斷擴(kuò)展，它會(huì)直接導(dǎo)致焊接拔出失效問題出現(xiàn)。就高強(qiáng)鋼而言，如果電極壓力不足或過小時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生飛濺，由此所導(dǎo)致的縮松缺陷相當(dāng)明顯，它導(dǎo)致界面斷裂失效問題出現(xiàn)[5]。

3? 高強(qiáng)鋼點(diǎn)焊失效方式下的接頭應(yīng)力分析與熱沖壓高強(qiáng)鋼焊點(diǎn)疲勞性能分析

參考上文所描述的界面斷裂以及熔核拔出兩種失效方式，需要進(jìn)一步對(duì)高強(qiáng)鋼點(diǎn)焊失效方式下的接頭應(yīng)力進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)熱沖壓高強(qiáng)鋼焊點(diǎn)的疲勞性能進(jìn)行分析。

3.1 高強(qiáng)鋼點(diǎn)焊失效方式下的接頭應(yīng)力分析

首先談界面斷裂失效方式下，高強(qiáng)鋼點(diǎn)焊接頭會(huì)受到熱影響區(qū)、熔核區(qū)以及母材區(qū)影響，為實(shí)現(xiàn)熱沖壓高強(qiáng)鋼點(diǎn)焊接頭質(zhì)量高評(píng)價(jià)，需要對(duì)其準(zhǔn)確性與焊接成本進(jìn)行分析，同時(shí)解決兩點(diǎn)問題實(shí)現(xiàn)雙贏。在這一過程中，要對(duì)熔核區(qū)與熱影響區(qū)的接觸面進(jìn)行假設(shè)分析，建立球面接頭模型，其中設(shè)置模型d為熔核直徑，t為板厚，結(jié)合這兩點(diǎn)數(shù)值假設(shè)分析熔核內(nèi)部組織均勻問題，配合球坐標(biāo)對(duì)表面受力點(diǎn)進(jìn)行分析。在這一過程中，如果接頭界面以斷裂方式失效，則接頭結(jié)合面的承受剪應(yīng)力是可以達(dá)到極限剪應(yīng)力要求的，此時(shí)接頭內(nèi)部之分布也會(huì)相對(duì)均勻，熔核界面剪應(yīng)力分布也會(huì)相對(duì)合理。此時(shí)需要對(duì)平面邊緣任意一點(diǎn)的球心連線進(jìn)行分析，確保它與兩工件的結(jié)合面夾角為α。此時(shí)需要對(duì)熔核區(qū)電機(jī)壓痕下的板厚進(jìn)行分析，保證在熱沖壓高強(qiáng)鋼點(diǎn)焊接頭電極作用下，高強(qiáng)鋼點(diǎn)焊接頭端面直徑控制在8mm以內(nèi)，此時(shí)分析錐面電極可以了解到熱沖壓高強(qiáng)鋼點(diǎn)焊接頭會(huì)呈現(xiàn)出焊核拔出標(biāo)準(zhǔn)如下[6]：

dcr=4.1td

在上述標(biāo)準(zhǔn)中，td應(yīng)該標(biāo)識(shí)為待焊接接頭工件的實(shí)際厚度。

在分析試驗(yàn)結(jié)果過程中，需要參考點(diǎn)焊拉剪測量相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，配合萬能拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)以2mm/min速度進(jìn)行拉伸，以求獲得不同失效方式背景下的焊點(diǎn)試樣，并測量熔核直徑?？蓞⒖紓鹘y(tǒng)評(píng)價(jià)公式對(duì)高強(qiáng)鋼點(diǎn)焊接頭臨界失效直徑進(jìn)行計(jì)算，確保接頭滿足1500MPa以上抗拉強(qiáng)度即可，最終得到熱沖壓高強(qiáng)鋼板。另外需要結(jié)合傳統(tǒng)評(píng)價(jià)公式對(duì)臨界熔核直徑公式進(jìn)行分析，滿足實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果即可。要分析在1500MPa抗拉強(qiáng)度基礎(chǔ)之上的熱沖壓高強(qiáng)鋼焊點(diǎn)接頭，滿足其質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[7]。

3.2 高強(qiáng)鋼點(diǎn)焊失效方式下的熱沖壓高強(qiáng)鋼焊點(diǎn)疲勞性能分析

在熔核拔出失效方式下，需要分析熱沖壓高強(qiáng)鋼電阻點(diǎn)焊的自動(dòng)化、生產(chǎn)效率較高問題，解決焊點(diǎn)周圍的嚴(yán)重應(yīng)力集中難點(diǎn)，避免高強(qiáng)鋼點(diǎn)焊機(jī)頭疲勞裂紋的逐漸形成與發(fā)展范圍擴(kuò)大。即要在疲勞載荷作用下對(duì)高強(qiáng)鋼點(diǎn)焊接頭的微觀組織形式進(jìn)行分析，避免在不同疲勞裂紋擴(kuò)展特性下的點(diǎn)焊接頭疲勞強(qiáng)度，這對(duì)提高汽車整體結(jié)構(gòu)可靠性方面是具有極高工程實(shí)踐價(jià)值的。

在熱沖壓高強(qiáng)鋼焊點(diǎn)疲勞性能分析過程中，需要組織內(nèi)部疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展過程進(jìn)行分析，對(duì)微觀組織所發(fā)生的變化與焊點(diǎn)疲勞強(qiáng)度進(jìn)行改變。比如說可以在實(shí)驗(yàn)過程中選擇電極壓力為4.2kN，通電時(shí)間為400ms，同時(shí)確保焊接電流在8kA～12kA左右，如此就能避免靜態(tài)拉伸過程中點(diǎn)焊接頭出現(xiàn)斷面斷裂失效方式。在分析其所承受的疲勞載荷過程中，需要準(zhǔn)確衡量接頭疲勞性能，適當(dāng)增大焊接電流到9kA左右，然后分析熱沖壓高強(qiáng)鋼的接頭點(diǎn)焊疲勞性能，適當(dāng)增大通電時(shí)間到600ms左右。在該過程中焊接熱輸入會(huì)呈現(xiàn)過大發(fā)展趨勢，其熱影響區(qū)域?qū)挾纫矔?huì)逐漸變寬，基于這一工藝參數(shù)進(jìn)行研究，可以充分了解到焊接熱屬于過大對(duì)焊點(diǎn)所造成的疲勞性能影響[8]。

4? 總結(jié)

參考文中所提及的界面斷裂以及熔核拔出兩種失效方式，必須對(duì)熱沖壓高強(qiáng)鋼點(diǎn)焊接頭區(qū)域所承受的極限載荷進(jìn)行分析，配合應(yīng)力了解到熱沖壓高強(qiáng)鋼點(diǎn)焊接頭失效問題，計(jì)算極限正拉力競爭結(jié)果。如此可確保在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證背景下準(zhǔn)確評(píng)估熱沖壓高壓鋼點(diǎn)焊接頭失效情況，做好點(diǎn)焊接頭質(zhì)量評(píng)價(jià)工作，明確最終評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

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