雙相鋼窄搭接電阻焊工藝的優化

肖 瑜，郭贊揚，胡艷艷

(新余鋼鐵集團有限公司，江西 新余 338001)

高性能雙相鋼因高加工硬化率、低屈強比及連續屈服等優良沖壓和成型性能，被廣泛應用于汽車制造領域[1]。新余鋼鐵集團有限公司2015年開始進行雙相鋼汽車板的開發，在連續退火生產時，雙相鋼焊接質量是保證連續退火正常生產的前提條件，連續退火過程中焊縫必須承受線上大張力運行和平整軋制。隨著雙相鋼牌號的增多，產量的增加，雙相鋼的連續退火焊接焊縫質量成為其中工作難點之一。雙相鋼材質含有較高的Mn、Cr合金，影響焊接性能的C當量較高，由于之前缺乏對雙相鋼工藝性能、物理性能的了解，焊接工藝參數設置不合理，導致焊縫斷帶事故時有發生，嚴重影響連續退火線的正常生產。本文以DP780雙相鋼1.6 mm厚鋼卷為研究對象，對其焊接工藝參數進行優化。

1 窄搭接電阻焊的焊接原理

新余鋼鐵集團有限公司連續退火機組引進西門子-奧鋼聯的窄搭接電阻焊機，焊接原理是將前后帶鋼以一定的搭接量搭接，通過上下兩個電極輪旋轉碾壓作用于搭接區域，并通以適當電流和壓力，電流在材料自身的電阻R件、材料間的電阻R觸及材料與電極接觸部分的電阻R極上產生熱量，搭接區受熱熔化，隨后冷卻結晶，形成焊縫[2]。電阻的關系為R總=2R極+R觸+2R件，熱量公式Q=I2Rt。

2 杯突試驗判定焊縫質量的標準

焊縫質量判定標準如表1所示。

3 焊接試驗

以DP780雙相鋼1.6 mm厚鋼卷為研究對象進行焊接試驗，焊接工藝參數如表2所示。

3.1 改進前焊縫質量

按改進前工藝參數進行焊接，發現焊接過程中的焊接火花明顯過大，有飛濺。焊縫溫度曲線顯示平均溫度為1250 ℃，焊縫溫度偏高；檢查發現焊輪上粘接有大量焊渣，說明焊縫熱量過多。圖1為改進工藝參數前的焊縫形貌，圖2為改進工藝參數前焊縫杯突后形貌，焊縫不致密，有縮孔和裂紋存在，焊縫明顯塑性不足，與杯突檢驗標準對比，焊縫質量判定為不合格。

圖1 改進前焊縫形貌Fig.1 Morphology of weld before improvement

圖2 改進前焊縫杯突形貌Fig.2 Morphology of weld cupping before improvement

3.2 方案1焊縫質量

在改進前基礎上適當降低電流，焊接過程火花正常，無飛濺，焊縫平整、光潔、無穿孔、無裂紋，如圖3所示，焊縫溫度曲線顯示平均溫度為1080 ℃。對焊縫進行杯突試驗過程中，發現焊縫沿著兩母材熔合處發生撕裂，如圖4所示，杯突試驗仍不合格。該焊縫從溫度曲線及焊縫形貌可能判定為合格焊縫，但實際焊縫為一條熔合不牢的不合格焊縫。這種不合格焊縫對安全生產存在極大隱患。

圖3 方案1焊縫形貌Fig.3 Morphology of weld by scheme 1

圖4 方案1焊縫杯突形貌Fig.4 Morphology of weld cupping by scheme 1

3.3 方案2焊縫質量

3.3.1DP780焊材的性能分析

DP780雙相鋼化學成分如表3所示。針對焊接參數、焊接過程和焊縫質量分析，計算780DP的C當量0.47%～0.59%。C當量≤0.4%時焊接性能良好，C當量為0.4%～0.6%時，焊接有一定的制約條件。由于C當量偏高，鋼的導熱性下降，電阻增大，鋼的熔點下降。

表3 DP780成分分析(質量分數，%)Table 3 Composition analysis of DP780 steel(mass fraction，%)

汽車板雙相鋼是以Mn為主要添加元素，Mn、Cr的加入提高了鋼的淬透性，使鋼具有較高的強度和硬度，但降低了鋼的焊接性能[3]。C當量偏高，導致接觸電阻升高且電阻分布不均勻，最終導致焊縫溫度高且溫度波動大。

由于電阻大、焊接電流高導致焊縫焊核附近區域過熱嚴重、焊核大，在壓力作用下，部分核外的塑性金屬環包不住熔化的金屬，造成飛濺，使得高溫熔化金屬與空氣接觸產生氧化，導致焊縫力學性能顯著下降[4]。

方案1針對厚度規格具有良好淬透性的DP780雙相鋼，保持高的焊接速度，單純降低焊接電流，致使熔核體積小，母材吸熱快，熔核冷速高，凝固過程必然產生三向拉應力，使得焊縫熔核區萌生縮孔、裂紋等缺陷[5]。同時由于雙相鋼表面發黑、板面殘留物多，焊接過程中材料與電極接觸部分的電阻R極大，測量出的焊縫表面溫度虛高導致產生焊縫溫度曲線合格的假象。

如通過降低焊接速度實現焊縫緩慢冷卻，可以提高低合金鋼焊縫的致密性，防止縮孔、裂紋產生，同時對強度級別高、淬透性好的材料還可改善其金相組織[6]。

3.3.2焊接試驗參數的確定

優化后 DP780雙相鋼焊接工藝參數見表2(方案2)。

1)降低焊接速度，提高焊縫致密性，同時改善焊縫金相組織；

2)調整焊接電流，實現焊縫熱量適中。根據熱量公式Q=I2Rt，在時間t發生變化的情況下，電流I值也應進行相應調整，由于電流I為平方正比關系，對產熱的影響要比時間t要大，所以對電流I的調整幅度不能太大；

3)根據雙相鋼軋制后板面發黑、板面殘留物多，導致焊接過程接觸電阻大的情況，以不產生飛濺為原則，對焊接溫度曲線的參考值進行上調，控制溫度曲線在1050～1200 ℃，鋼板厚度越厚控制溫度越高。

3.3.3方案2焊接效果

優化后焊縫杯突形貌特征見圖5。參數優化后焊縫溫度符合預期，焊縫平整、光潔、無穿孔，杯突試驗未發生沿焊縫熔合處的開裂，焊縫質量滿足要求。工藝固化后，連續退火線成功生產DP780雙相鋼5萬余噸，未發生焊縫斷帶事故。

圖5 優化后焊縫杯突形貌Fig.5 Morphology of weld cupping after optimized

4 結語

汽車板DP780雙相鋼窄搭接焊接技術要點：厚度為1.6 mm鋼帶的焊接速度為12 m/min；焊接電流為21.5 kA；焊縫溫度曲線應以保證不產生飛濺為原則，控制溫度曲線在1100～1200 ℃，鋼帶的規格越厚，控制溫度越高，且宜高不宜低。

參照DP780 雙相鋼1.6 mm厚鋼卷優化后的焊接參數，對這一品種其它規格的焊接參數進行了優化，保證了連續退火生產DP780雙相鋼的焊接質量，為連續退火生產順利運行創造了條件。