熱成形硼鋼激光焊接與電阻點焊接頭性能對比研究*

李海賓,陳 鎧,肖榮詩,陳樹君

(1.北京工業大學激光工程研究院,北京 100124;2.北京工業大學汽車結構部件先進制造技術教育部工程中心,北京 100124)

為了滿足汽車節能、環保、安全性等方面日益嚴格的要求,汽車制造企業不僅要提高高強鋼的使用比例,還要不斷提高所用高強鋼的強度。但隨著強度的增加,塑性和成形性能顯著下降,開裂、起皺、回彈、模具磨損和焊接等問題明顯增加,限制了更高強度的超高強鋼的使用[1-4]。硼鋼配合熱沖壓技術解決了強度和成形性能的矛盾。熱成形硼鋼零件具有超高強度(馬氏體組織)、成形精確(硼鋼在奧氏體溫度下成形性良好)的特點,可避免高強度鋼冷成形的回彈問題,且制造成本相對較低。目前主要用于防止汽車碰撞過程中變形的加強件,其使用范圍及在車身用鋼中的比例正逐年擴大[5]。

汽車車身制造中的三大工藝為成形、焊接和涂裝。熱成形硼鋼的成形問題已解決,下一個門檻就是焊接。目前國內外對于熱成形硼鋼焊接的研究尚處于起步階段,主要是采用電阻點焊的方式。馬氏體鋼的電阻點焊工藝性能較難控制,會出現焊接窗口狹窄、電極磨損劇烈、飛濺嚴重等問題,采用中頻伺服點焊,效果有所改善[6-10]。而實際生產中,激光焊接正逐步取代電阻點焊,因為激光焊接具有更高的效率、更優異的性能、更少的材料消耗,還具有良好的可達性,為設計師的想象力和創造性提供了更大的空間[11]。但針對熱成形硼鋼這一特殊鋼種的激光焊接,目前國內外的研究報道極為有限,僅有的也只停留在工藝參數的大略摸索上[12-13],尚未有人對熱成形硼鋼激光焊接性能與電阻點焊進行系統的比較研究,進而驗證激光焊接用于熱成形硼鋼也能有“一貫的優勢”。

1 對比試驗

1.1 試驗材料

試驗材料為22MnB5,是最常用的熱成形硼鋼,其成分見表1。初始狀態為冷軋態,經熱成形后為淬火態,組織為馬氏體(圖1)。

表1 22MnB5的化學成分

圖1 22MnB5熱成形后組織

1.2 試驗設備

電阻點焊設備為NIMAK機器人X型點焊鉗,配備SCM 012伺服壓力控制器和HWI 2008中頻控制柜。額定電極壓力7 kN,額定功率130 kVA。

激光焊接系統采用德國某公司生產的DC035 Slab CO2激光器,其工作波長 λ=10.6μm,光束直徑為17mm,額定輸出功率P=3500 W,光束模式為準TEM00模,光束質量特征參數K≥0.95,激光光束聚焦特征參數Kf=3.7mm?mrad。激光束經鏡組傳輸,拋物面銅鏡聚焦,聚焦鏡焦距f=300mm,聚焦光斑半徑 ωf=0.13mm。運動執行機構采用四軸CNC數控系統及平面工作臺。

1.3 試驗參數設計

接頭形式見圖2。

圖2 試板尺寸與接頭形式

試驗摸索后確定采用恒壓焊接,焊接壓力 6 kN,預壓時間600ms,焊接時間400 ms,鍛壓時間200 ms。試驗發現,當電流小于6 kA時,焊核過小;電流大于9.5 kA時,發生明顯飛濺。最后確定焊接電流為 6、6.5、7、8、8.8、9.5 kA 。激光焊接參數為:激光從上方垂直入射,離焦量為0mm,雙層保護氣體(內層氦氣8 L/min,外層氬氣10 L/min),噴嘴與試樣成45°角側吹,噴嘴前端距試件H=10mm。光斑移動軌跡為圓形,直徑9.6mm(即焊縫總長為30mm)。激光功率恒定為3500 W,變化參數為光束移動速度 :1、1.5、2、3 m/min 。

2 結果與討論

2.1 剪切拉伸

所有試樣焊縫(焊點)成形良好,無明顯缺陷。在室溫下進行單向靜載拉伸,激光焊接試樣全部從搭接界面處切開,電阻點焊6、6.5、7、8 kA 的試樣也從搭接處切開,8.8、9.5 kA的試樣呈“焊核拔出型”,見圖3。

圖3 剪切拉伸接頭斷裂形式

接頭最大抗剪力見圖4。可看出,隨著電流的增大,電阻點焊接頭抗剪力幾乎呈線性上升趨勢;而激光焊接的接頭,其抗剪力隨焊接速度的提高而降低。分析原因:一是不同參數下,焊縫面積的變化;二是組織的差異。通過測量焊縫(焊核)的面積發現:兩種焊接方法接頭抗剪力的變化與焊縫面積變化的趨勢是非常一致的(圖5)。計算得到激光焊接頭抗剪力與焊縫面積的相關度為0.96,電阻焊為0.97,即接頭抗剪力大小主要由焊縫(焊核)面積決定。

圖4 接頭最大抗剪力

為深入對比兩種焊接方式的效果,計算了接頭的抗剪切強度(即單位面積焊縫的抗剪力大小),結果見圖6。激光焊縫的抗剪切強度均高于電阻點焊,這是因為激光焊接的熱輸入量小,焊縫組織細小,通過觀察金相組織可予以證實(圖7)。

2.2 顯微硬度及金相分析

對焊接電流7 kA的電阻點焊和光束移動速度1 m/min的激光焊試樣分別進行金相掃描電鏡觀察和顯微硬度測試,焊縫組織SEM圖像及硬度分布見圖7和圖8。

由圖7可看出,焊縫(焊核)依然為板條馬氏體。電阻焊核的馬氏體形態與母材相比,無太大變化;但激光焊縫的馬氏體板條明顯細化,這是激光焊縫抗剪切強度高于電阻焊核的主要原因。熱影響區(HAZ)均出現回火現象:馬氏體分解和碳化物析出,導致顯微硬度下降。

圖7 接頭金相SEM圖像

由圖8可看出,電阻焊核整個熔化區內的硬度分布較平穩,約為500 HV,略高于母材;而激光焊縫內的硬度分布呈“金字塔”形,最高硬度為517 HV。激光光斑很小,較電阻焊電極端面小一個數量級,且激光是移動熱源,電阻焊是瞬時生熱,因此,激光焊熔池的溫度梯度更大,各點經歷的熱過程差異更明顯,導致激光焊縫各局部微觀組織間的差異比電阻焊核更大,顯微硬度變化大。由于一直受熱,回火時間長,激光環焊縫的中心成為四周軟化區的疊加區域,出現了最低硬度。

圖8 焊點顯微硬度分布

3 結論

(1)熱成形硼鋼的中頻伺服電阻點焊和CO2激光焊接均能獲得成形良好的接頭。電阻點焊的工藝窗口較窄,激光焊接參數可調節范圍較大。

(2)接頭最大抗剪力受焊縫面積影響很大,呈正相關。因激光焊縫的組織更細小,其抗剪切強度高于電阻焊核,熱影響區均出現回火軟化。

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