厚度大于2.0 mm的双相钢DP600窄搭接焊工艺探讨

2022-04-26李登鹏

冶金动力 2022年2期

李登鹏，董标

（马鞍山钢铁股份有限公司冷轧总厂，安徽马鞍山 243000）

前言

为了满足汽车行业轻量化的发展需求，双相（DP）钢是20 世纪70 年代发展最快的一类新钢种，也是开发较早的汽车先进高强钢，因其制造工艺和方法较为容易，产品系列较为齐全，在汽车加强件、防撞件及结构件等方面得到了广泛的应用[1-2]。在钢铁行业中，连退线、精整线、镀锌线等在连续生产条件下，需要完成DP钢对DP钢的焊接以及DP钢对其他不同钢种的焊接。然而，国内外对于DP 钢种的焊接研究主要集中在薄规格及常规厚度（0.3～1.5 mm）的同种或异种钢焊接[3-5]，对于DP 钢超厚规格2.0 mm 以上的同种或异种钢焊接问题和工艺上的研究却鲜有报道。

双相钢DP 由于其复杂的合金元素、较大的刚度使其较难形成熔合良好的窄搭接电阻焊接头，进而影响其接头性能[6]。实际生产过程中，DP 钢与其它钢种的窄搭接焊难以形成稳定的焊缝质量，特别是厚度2.0 mm 以上规格的DP 钢，容易形成孔洞、焊渣、虚焊等缺陷，造成炉内焊缝断带，生产线停机，给生产单位造成巨大的经济损失。为此通过汽车用先进高强钢DP600 厚度2.5 mm 与普通碳钢DX51D厚度2.5 mm 的焊缝断带进行分析，通过宏观观察、金相显微镜、SEM 对焊缝断带的裂纹形貌、组织进行分析，确认焊缝断带的原因。进一步分析窄搭接焊接工艺参数对DP600 焊缝性能的影响，得到两种钢种焊接的最佳工艺参数。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验材料选取汽车用双向钢DP600 厚度2.5 mm，普通碳钢DX51D 厚度2.5 mm 钢卷。其规格、成分如表1和表2所列。

表1 材料尺寸及规格

表2 材料成分 %

1.2 试验方法

采用日本TEMIC 全自动窄搭接焊机进行焊接，利用杯突试验机和折弯试验机对焊缝质量进行判定。取焊缝断裂样本通过宏观观察，金相显微镜、SEM 对断带焊缝进行失效分析。通过焊接试验方法，分析窄搭接焊工艺参数对DP600 焊接接头性能的影响。

2 焊缝断带的工艺参数及焊缝质量分析

2.1 焊缝断带的工艺参数

生产DP600 钢厚度2.5 mm 时，与前卷普通碳钢DX51D厚度2.5 mm 进行窄搭接焊，焊缝两侧月牙杯突试验合格后放行。在焊缝运行到退火炉缓冷段时发生焊缝断带，断带试样如图1 所示。其工艺参数见表3。

图1 焊缝断带试样

表3 DP600钢与DX51D焊接工艺表

在此工艺参数条件下，焊接平均温度在1140 ℃，操作侧和传动侧温度波动无明显异常，中部温度波动较大，整体在正常控制范围之内。

2.2 裂纹及开裂形貌

图2为断带焊缝整体形貌，可以看出，焊缝两个边部（每个边部约100～200 mm），裂纹开裂沿DX51D 侧母材扩展，且开裂处具有较大塑性变形；中部（约750 mm）大部分焊缝呈剥离状撕裂，断口无明显塑性变形，有间断撕裂点，如图3 所示。图4 为焊缝操作侧边部局部放大图，可以看出，距带钢边部约5 mm处为焊接熔合点起始位置，即带钢操作侧边部存在约5 mm 未熔合区域。钢带在炉内运行过程中，这5 mm 区域会造成焊缝应力集中，成为焊缝开裂的起始点。由此可见，此次2.5 mm DP600 焊缝断带以操作侧为撕裂起始点沿着整个焊缝开裂，边部有大的塑性变形，而中部未熔合区域较多，在炉内高温和张力作用下，造成断带。

图2 断带焊缝整体形貌

图3 断带焊缝中部放大图

图4 断带焊缝边部放大图

2.3 接头金相横截面观察

为进一步对不同位置焊接接头横截面进行观察，分别对断带焊缝中部和边部取样，在显微镜下观察截面形貌，如图5、图6所示。可以看出，对于带钢中部区域，熔合面积较小，断裂沿DX51D 与DP600 搭接界面撕开且无明显塑性变形；对于带钢边部区域，DX51D 与DP600 熔合较好未分离，断裂发生于焊缝附近DX51D 母材处，焊接效果明显好于中部。结果显示整条焊缝大部分区域沿材料的搭接界面撕裂。从焊缝失效后的横截面来看，搭接面撕裂位置熔合相对较差。

图5 断带焊缝中部截面

图6 断带焊缝边部截面

2.4 焊缝表面电镜扫描

图7 为断带焊缝边缘未熔合区域端面及表面SEM 形貌，可以看出，未熔合区域端面厚度未明显减薄仍保留原始剪切端面。观察其截面组织，只有DP600，上下表面未发现DX51D。可见，操作侧搭接面在焊轮碾压电极放电作用下，有未完全融合区域，只有物理性的绞合连接，没有金属键原子间的结合。

图7 断带焊缝边缘处断面形貌

3 原因分析及讨论

3.1 焊接工艺参数控制

根据焊缝断带的焊接温度曲线波动及焊缝质量分析，可以看到，在原焊接工艺参数条件下，整条焊缝没有完全实现均匀、连续的良好熔核，部分没有完全熔合，导致焊缝虚焊。可见，厚规格2.5 mm DP600的窄搭接焊工艺参数需进一步优化。

窄搭接焊过程是将两块材料（带钢）搭接在一起，通过适当的电流，焊轮的碾压，在材料自身的电阻、材料间及材料与电极间接触部分的集中电阻上产生热量，最终熔化而焊接起来，是一种快速加热，快速冷却的热循环过程。双相钢DP600 因合金元素Si、Mn 等含量高，其可焊性指标CE（碳当量）为0.500，我们知道碳当量越小，可焊性越好；反之，碳当量越大，可焊性就越差。当碳当量值超过0.4 时，冷裂纹敏感性增加，对焊接工艺参数比较苛刻。通过下列几组工艺参数，采用窄搭接焊机，对钢种DP600 厚度2.5 mm、DX51D 厚度2.5 mm 进行焊接试验。焊机根据焊接有效长度自带焊缝温度曲线，焊接完成后，焊接温度曲线要求平稳且在温度要求范围以内；焊缝剪切下来的长条作为试验样本，利用杯突试验机均匀取焊缝5个点做杯突试验，5个杯突试验点全部合格，说明焊缝质量合格，只要有一个杯突试验点不合格，说明焊缝质量不合格。根据杯突试验结果和焊缝的表面形貌得到最佳焊接工艺参数，并研究工艺参数对焊缝质量的影响。焊接工艺参数如表4所列。

表4 DP600厚度2.5 mm与DX51D厚度2.5 mm焊接工艺表

由表4可以看到，1号试样为焊缝断带原工艺参数，其操作侧和中部杯突试验不合格，如图8 所示。操作侧杯突沿着焊缝裂开，没有出现纵向撕裂，仔细观察撕裂区，发现母材搭接量处完全各自分开，没有实现有效熔合，并且焊缝出现大量焊渣。对比1、2、3 号试样，当焊轮压力设定为19.5 kN 时，调节不同焊接电流，焊接温度曲线良好，但是杯凸试验不合格，杯凸裂纹沿着焊缝扩展，搭接区母材相互撕开，表明焊缝没有完全焊透；当增加焊轮压力设定为22 kN 时，电流由17.8 kA 逐步增加到19.0 kA时，杯凸试验都合格，其焊接平均温度由978℃提高到1100℃，焊缝表面质量良好，有少量的氧化铁皮。当电流增加到19.5 kA 时，焊缝火花出现“炸火”现象，焊缝表面质量出现焊渣，压坑，同时焊轮表面也出现焊渣及腐蚀坑。如图9 所示。对比3、6 号试样，可以看到，当增加焊轮压力，焊缝表面质量明显好转，同时对抑制熔核飞溅有明显改善。这是因为压力增加，焊轮与母材面积增加，焊接回路电阻减小，焊缝单位面积内热输入量降低，可减少熔核区域溶液飞溅。通过试验，可以看到，当焊接电流为19.0 kA，焊轮移动速度为5.8 m/min，电极压力为22 kN，操作侧搭接量为1.7 mm，传动侧搭接量为2.6 mm 时，焊接工艺参数最佳。

图8 1号试样操作侧与传动侧杯凸

图9 焊轮表面腐蚀孔洞及焊渣

3.2 焊轮的影响

窄搭接焊焊轮在焊接时，充当焊接电极、电阻、提供焊接压力，对焊缝质量有着至关重要的作用。对于厚规格DP600 的焊接，由于复杂的合金元素和高的强度，不利于焊缝组织均匀性，同时焊接工艺参数有效调整范围较普通碳钢要小，这意味着焊接工艺参数的少量调整，就对焊缝质量有着明显的影响，这样的特点也对焊轮的表面质量也有着较高的要求。

焊轮是窄搭接焊最易消耗的部件，焊轮表面的圆度、焊渣、孔洞等对焊缝表面质量有着明显的影响。对于DP600 厚度2.0 mm 以上的窄搭接焊，对焊轮的要求如下。

（1）焊轮在线修磨要修成略带圆弧的顶面，以使钢带在焊点处相互紧密接触，使电流集中在此处，以此为中心形成熔核，从而使焊缝连续、均匀。

（2）必须保证焊轮圆周光滑圆顺，没有凸点和凹点，这样才能保证焊接时，随着焊轮的转动，所有点均能均匀接触钢带，不会造成只有局部接触，使电流集中于某一点，烧伤钢带或焊轮。