李登鵬

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司 安徽馬鞍山 243000)

在鋼鐵行業(yè)中，連續(xù)退火線、熱鍍鋅線、電鍍鋅線、合金化熱鍍鋅等連續(xù)生產(chǎn)線，DP450、D600、DP780和DP980等級(jí)別的雙相鋼大量的研發(fā)和生產(chǎn)，而雙相鋼DP由于其復(fù)雜的合金元素、帶鋼較大的剛度使其較難形成熔合良好的窄搭接電阻焊接頭，進(jìn)而影響其接頭性能，國內(nèi)外對(duì)于DP鋼種的焊接研究主要集中在薄規(guī)格及常規(guī)厚度(0.3 mm-1.5 mm)的同種或異種鋼焊接[1]、[2]，對(duì)于抗拉強(qiáng)度超過780 MPa厚度≥2.0 mm以上的雙相鋼的焊接，國內(nèi)大部分鋼廠采用與普碳鋼的過渡焊或采用更先進(jìn)的激光焊機(jī)進(jìn)行焊接，而厚度2.0 mm以上規(guī)格的DP780雙相鋼的窄搭接焊焊縫質(zhì)量穩(wěn)定性差，容易形成孔洞、焊渣、虛焊等缺陷，難以形成均勻、連續(xù)、致密的焊縫接頭。為此，作者通過汽車用先進(jìn)雙相鋼DP780厚度2.0mm相同鋼種規(guī)格的自焊分析其窄搭接焊的工藝參數(shù)，同時(shí)采用焊縫感應(yīng)加熱裝置對(duì)焊縫進(jìn)行退火處理，通過焊縫表面質(zhì)量的宏觀觀察、杯突試驗(yàn)、焊縫拉伸試驗(yàn)，研究其退火工藝對(duì)焊縫質(zhì)量的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料選取汽車用雙向鋼DP780厚度2.0 mm，寬度1 200 mm鋼卷。其成分如下表1所示。

表1 材料成分 %

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用日本TEMIC全自動(dòng)窄搭接焊機(jī)進(jìn)行焊接，采用焊縫感應(yīng)加熱裝置對(duì)焊縫進(jìn)行退火處理。利用杯突實(shí)驗(yàn)機(jī)和折彎實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)焊縫質(zhì)量進(jìn)行判定。取焊縫樣本通過宏觀觀察，杯突試驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)焊縫性能進(jìn)行分析。通過實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)比分析窄搭接焊焊縫退火工藝對(duì)DP780焊接接頭性能的影響。

2 焊接工藝參數(shù)及焊縫退火工藝優(yōu)化

2.1 焊接工藝參數(shù)

采用DP780雙相鋼厚度2.0 mm，同鋼種同規(guī)格進(jìn)行窄搭接焊焊接，觀察焊接溫度曲線及火花在正常范圍內(nèi)，焊接完后用焊機(jī)剪刃剪切下焊縫，作為焊后感應(yīng)加熱熱處理備用樣板，同鋼種規(guī)格同一種焊接參數(shù)重焊5次，選取其中1個(gè)焊縫樣板直接做焊縫杯突試驗(yàn)，剩余4個(gè)焊縫樣板給焊后感應(yīng)加熱退火處理調(diào)試工藝參數(shù)備用。其焊接工藝參數(shù)如下表2所示。

表2 DP780雙相鋼2.0 mm焊接工藝參數(shù)表

對(duì)上述每組焊縫樣板進(jìn)行杯突試驗(yàn)，每組焊縫上等距沖壓5個(gè)杯突，觀察焊縫形貌及杯突是否合格。序號(hào)1傳動(dòng)側(cè)杯突沿焊縫開裂，焊縫質(zhì)量不合格，序號(hào)4焊接過程中出現(xiàn)明顯的“炸火”現(xiàn)象，焊縫表面出現(xiàn)大量的焊渣，其余三組試驗(yàn)焊縫杯突基本正常，但是杯突形貌呈“十”字形或熱影響區(qū)出現(xiàn)開裂，表現(xiàn)出焊縫脆性高，塑性低，主要原因?yàn)殡p相鋼DP780錳元素含量高，導(dǎo)致焊接過程中鋼的淬透性高，易形成馬氏體或貝氏體組織。

厚規(guī)格雙相鋼DP780的窄搭接焊同樣對(duì)焊輪壓力有較嚴(yán)格的控制要求，對(duì)比序號(hào)4和5，當(dāng)適當(dāng)增加焊輪壓力時(shí)，焊接時(shí)火光明亮，未出現(xiàn)明顯的“炸火”現(xiàn)象。可見，采用較大電流的同時(shí)，需適當(dāng)增加焊輪壓力，以減少焊縫過高的熱量導(dǎo)致焊縫“炸火”。

2.2 焊縫感應(yīng)加熱退火工藝

根據(jù)上述焊接工藝參數(shù)對(duì)比試驗(yàn)，選擇序號(hào)3作為進(jìn)一步的焊縫感應(yīng)加熱退火工藝試驗(yàn)。根據(jù)感應(yīng)加熱裝置設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)定的焊縫感應(yīng)加熱退火工藝對(duì)比試驗(yàn)如下表3所示：

表3 焊縫感應(yīng)加熱退火工藝表

根據(jù)產(chǎn)線的生產(chǎn)速率和入口活套套量的控制，整個(gè)焊縫加熱控制時(shí)間設(shè)定為30秒。當(dāng)采用100%的加熱功率，設(shè)定一次性感應(yīng)加熱時(shí)間為30秒時(shí)，退火溫度到達(dá)到了780 ℃，整個(gè)焊縫樣板變形扭曲較大，不適合產(chǎn)線生產(chǎn)運(yùn)行。設(shè)計(jì)采用二次退火方式，先加熱，再冷卻降溫后再加熱，整個(gè)焊縫樣板變形量明顯減小，整個(gè)焊縫加熱區(qū)域均勻。相比一次退火方式，二次退火焊縫區(qū)能消除更多的殘余應(yīng)力。根據(jù)焊縫退火表面效果，采用序號(hào)2作為焊縫感應(yīng)加熱退火工藝參數(shù)設(shè)定。

3 焊縫感應(yīng)加熱退火前后形貌分析

利用杯突試驗(yàn)機(jī)對(duì)焊縫感應(yīng)加熱退火前后焊縫樣板均勻間斷的五個(gè)點(diǎn)做杯突實(shí)驗(yàn)，其對(duì)比如下圖1所示。根據(jù)焊縫退火前后對(duì)比圖及在焊接試驗(yàn)過程中總結(jié)發(fā)現(xiàn)：

圖1 DP780厚度2.0 mm退火處理前后焊縫杯突對(duì)比

(1)退火處理的焊縫杯突試驗(yàn)時(shí)，杯突邊緣出現(xiàn)一層很薄的氧化鐵皮，如圖2所示。加熱時(shí)，帶鋼明顯變紅為達(dá)到預(yù)期加熱效果。

圖2 DP780厚度2.0 mm退火處理后杯突出現(xiàn)氧化皮

(2)可以通過杯突試驗(yàn)過程判斷焊縫質(zhì)量是否改善，沒有經(jīng)過退火處理的焊縫進(jìn)行杯突試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)很明顯的脆斷聲，而經(jīng)過二次退火處理的焊縫杯突過程中，杯突慢慢裂開，能看到明顯的韌窩狀形貌，表現(xiàn)為韌性斷裂。

(3)對(duì)厚規(guī)格高強(qiáng)鋼焊縫質(zhì)量改善明顯，熱處理過后的杯突明顯比沒有經(jīng)過熱處理的杯突要好，特別是強(qiáng)度越高，改善越明顯。

4 焊縫拉伸試驗(yàn)

截取焊接接頭橫向拉伸試樣，進(jìn)行焊縫拉伸試驗(yàn)?？梢钥闯觯?.0 mm厚度DP780自搭接焊不采用焊后退火處理時(shí)，拉伸后接頭斷裂均發(fā)生在焊縫臺(tái)階面，此區(qū)域?yàn)閼?yīng)力集中區(qū)，易產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致斷裂，無沿搭接面撕開現(xiàn)象，焊縫性能強(qiáng)度較低。此焊縫經(jīng)過加熱爐區(qū)高溫退火及爐輥反復(fù)折彎，焊縫開裂的風(fēng)險(xiǎn)很大，如圖3所示。2.0 mm厚度DP780自搭接焊，采用焊后二次退火處理后，拉伸后接頭斷裂均發(fā)生在熱影響區(qū)，出現(xiàn)斷口緊縮現(xiàn)象，表現(xiàn)為明顯的塑性變形，斷裂后焊縫完整，無沿搭接面撕開現(xiàn)象，接頭韌性較無退火處理時(shí)明顯改善，表明焊縫區(qū)殘余應(yīng)力大幅消除，同時(shí)焊縫區(qū)晶粒組織得到細(xì)化，焊縫性能強(qiáng)度高于母材，大大降低了焊縫在爐內(nèi)斷帶的風(fēng)險(xiǎn)，如圖4所示。

圖3 DP780厚度2.0 mm焊縫無退火拉伸試驗(yàn)

圖4 DP780厚度2.0 mm焊縫退火處理后拉伸試驗(yàn)

5 總結(jié)

DP780厚度2.0 mm同鋼種規(guī)格的窄搭接自焊焊接沒有經(jīng)過退火處理的焊縫杯突試驗(yàn)時(shí)，發(fā)生很明顯的脆斷聲，而經(jīng)過二次退火處理的焊縫杯突過程中，杯突慢慢裂開，能看到明顯的韌窩狀形貌，表現(xiàn)為韌性斷裂。

采用焊后二次退火處理的焊縫，拉伸后接頭斷裂均發(fā)生在熱影響區(qū)，出現(xiàn)斷口緊縮現(xiàn)象，表現(xiàn)為明顯的塑性變形，斷裂后焊縫完整，無沿搭接面撕開現(xiàn)象，表明焊縫區(qū)殘余應(yīng)力大幅消除，同時(shí)焊縫區(qū)晶粒組織得到細(xì)化，焊縫性能強(qiáng)度高于母材，大大降低了焊縫在爐內(nèi)斷帶的風(fēng)險(xiǎn)。