熱沖壓高強鋼點焊接頭質量評價

曹迪琛

摘要： 目前全球都在面臨能源危機，節能降耗、減少成本展開生產活動成為關鍵。它希望滿足安全性能要求，持續優化框架結構，減少對普通結構鋼材的過量使用，而轉向采用高比強度輕質金屬（例如鋁合金、鎂合金）。制造過程中的關鍵技術——熱沖壓高強鋼點焊接頭技術。主要從高強鋼點焊接的失效特性、焊接頭特性展開研究。同時結合兩種失效方法下的接頭應力、疲勞性能實驗方案技術內容進行進一步探究。

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.

關鍵詞： 熱沖壓高強鋼;點焊接頭應力;失效方式;疲勞性能實驗方案

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

中圖分類號：TG444? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）23-0097-02

0? 引言

伴隨中國科技成果的日新月異，節能、環保、安全成為三大主要課題，在注重節能、減排有效途徑實施過程中。在利用熱沖壓高強鋼展開生產過程中，它希望有效改良性能，達到生產節能減排目標。不再采用常規材料，配合點焊接頭應力方案以及疲勞性能實驗方案來建立點焊接頭界面的斷裂臨界失效公式。結合試驗結果證明，熱沖壓成型后高強鋼的抗拉強度可以達到1500MPa甚至以上。

1? 高強鋼點焊失效的基本特性與熱沖壓工藝原理分析

1.1 高強鋼點焊失效的基本特性

在制造行業領域中，焊點質量評價的核心依據就是點焊接頭是否失效以及其失效形式。一般來說點焊接頭主要以界面斷裂形式失效最為常見，它是指代焊點從熔核結合面斷開時，焊點無法滿足質量要求，此時就需要運用到高強鋼。高強鋼的組織結構與焊接性能表現出色，它可應用于截面斷裂失效方式研究過程中。就國際專業領域層面上研究，可參考高強鋼點焊接頭發生失效時的具體失效位置以及失效過程進行分析，它可以將焊點失效模式劃分為虛焊、部分木材撕裂、熔核撕裂等8種，這些形式的焊點質量普遍較高。比如說，可參考斷裂力學中的應力場強度因子理論來計算焊點發生界面撕裂臨界熔核直徑，具體計算公式如下：

在上述算式中，K代表與材料相關的系數，如果熔核的實際直徑>臨界直徑，接頭如果以焊核拔出模式則會完全失效。但如果接頭以界面斷裂方式失效，則點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。客觀講，上述計算過程對于高強鋼點焊接頭的失效過程模擬是相當有效到位的，它可針對不同板材屬性選取不同K值進行模擬，進而獲得不同的臨界焊接直徑公式，如此可滿足高強度與普通低碳鋼驗證要求[1]。

1.2 熱沖壓工藝原理

熱沖壓工藝原理專門針對高強鋼，高強鋼強度越高，成形性表現就越差，特別是當其強度達到1000MPa以上時，常規冷沖壓工藝基本無法成形。在如此高強度背景下，如果采用普通冷沖壓技術方式則會出現高強鋼零件回彈問題難以解決問題。為此，專業領域相關專業人士正在研究高壓熱沖壓點焊技術，開發熱沖壓模具，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，再快速轉移沖床大約7s左右，在沖壓設備中保持溫度在800℃左右，配合30℃/s的冷卻速度進行沖壓以及快冷淬火處理，如此可保證熱沖壓成型后高強鋼強度級別大幅度提升[3]。

2? 高強鋼點焊接頭熱沖壓的基本性能分析

在熱沖壓高強鋼點焊接頭的基本性能分析過程中，可首先確定點焊接頭的疲勞性能影響規律以及接頭疲勞失效具體位置，再分析焊點疲勞的相關失效機理，它主要涉及到接頭組織的結構特點以及接頭缺陷問題。

2.1 對接頭組織結構特點的分析

在高強鋼點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構特點，結合熱沖壓點焊接頭宏觀組織進行分析，由此可將點焊接頭區域劃分為熔核區、母材區以及熱影響區三大區域。這三大區域要基于熔合線條向熔核中心面生長情況進行分析，如此可形成柱狀晶組織，此時再分析熔核的抗裂紋擴展型交叉問題最為合適，當抗裂紋擴展性表現偏差時，導致接頭發生應力界面斷裂的傾向性就會相應增大[4]。

2.2 對接頭缺陷的分析

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

3? 高強鋼點焊失效方式下的接頭應力分析與熱沖壓高強鋼焊點疲勞性能分析

參考上文所描述的界面斷裂以及熔核拔出兩種失效方式，需要進一步對高強鋼點焊失效方式下的接頭應力進行分析，同時對熱沖壓高強鋼焊點的疲勞性能進行分析。

3.1 高強鋼點焊失效方式下的接頭應力分析

首先談界面斷裂失效方式下，高強鋼點焊接頭會受到熱影響區、熔核區以及母材區影響，為實現熱沖壓高強鋼點焊接頭質量高評價，需要對其準確性與焊接成本進行分析，同時解決兩點問題實現雙贏。在這一過程中，要對熔核區與熱影響區的接觸面進行假設分析，建立球面接頭模型，其中設置模型d為熔核直徑，t為板厚，結合這兩點數值假設分析熔核內部組織均勻問題，配合球坐標對表面受力點進行分析。在這一過程中，如果接頭界面以斷裂方式失效，則接頭結合面的承受剪應力是可以達到極限剪應力要求的，此時接頭內部之分布也會相對均勻，熔核界面剪應力分布也會相對合理。此時需要對平面邊緣任意一點的球心連線進行分析，確保它與兩工件的結合面夾角為α。此時需要對熔核區電機壓痕下的板厚進行分析，保證在熱沖壓高強鋼點焊接頭電極作用下，高強鋼點焊接頭端面直徑控制在8mm以內，此時分析錐面電極可以了解到熱沖壓高強鋼點焊接頭會呈現出焊核拔出標準如下[6]：

dcr=4.1td

在上述標準中，td應該標識為待焊接接頭工件的實際厚度。

在分析試驗結果過程中，需要參考點焊拉剪測量相關技術標準，配合萬能拉伸實驗機以2mm/min速度進行拉伸，以求獲得不同失效方式背景下的焊點試樣，并測量熔核直徑。可參考傳統評價公式對高強鋼點焊接頭臨界失效直徑進行計算，確保接頭滿足1500MPa以上抗拉強度即可，最終得到熱沖壓高強鋼板。另外需要結合傳統評價公式對臨界熔核直徑公式進行分析，滿足實際試驗結果即可。要分析在1500MPa抗拉強度基礎之上的熱沖壓高強鋼焊點接頭，滿足其質量評價標準[7]。

3.2 高強鋼點焊失效方式下的熱沖壓高強鋼焊點疲勞性能分析

在熔核拔出失效方式下，需要分析熱沖壓高強鋼電阻點焊的自動化、生產效率較高問題，解決焊點周圍的嚴重應力集中難點，避免高強鋼點焊機頭疲勞裂紋的逐漸形成與發展范圍擴大。即要在疲勞載荷作用下對高強鋼點焊接頭的微觀組織形式進行分析，避免在不同疲勞裂紋擴展特性下的點焊接頭疲勞強度，這對提高汽車整體結構可靠性方面是具有極高工程實踐價值的。

在熱沖壓高強鋼焊點疲勞性能分析過程中，需要組織內部疲勞裂紋萌生與擴展過程進行分析，對微觀組織所發生的變化與焊點疲勞強度進行改變。比如說可以在實驗過程中選擇電極壓力為4.2kN，通電時間為400ms，同時確保焊接電流在8kA～12kA左右，如此就能避免靜態拉伸過程中點焊接頭出現斷面斷裂失效方式。在分析其所承受的疲勞載荷過程中，需要準確衡量接頭疲勞性能，適當增大焊接電流到9kA左右，然后分析熱沖壓高強鋼的接頭點焊疲勞性能，適當增大通電時間到600ms左右。在該過程中焊接熱輸入會呈現過大發展趨勢，其熱影響區域寬度也會逐漸變寬，基于這一工藝參數進行研究，可以充分了解到焊接熱屬于過大對焊點所造成的疲勞性能影響[8]。

4? 總結

參考文中所提及的界面斷裂以及熔核拔出兩種失效方式，必須對熱沖壓高強鋼點焊接頭區域所承受的極限載荷進行分析，配合應力了解到熱沖壓高強鋼點焊接頭失效問題，計算極限正拉力競爭結果。如此可確保在實驗驗證背景下準確評估熱沖壓高壓鋼點焊接頭失效情況，做好點焊接頭質量評價工作，明確最終評價標準。

參考文獻：

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[4]周連國，孔凡彬，魏翔.高強鋼熱沖壓成形工藝及裝備進展[J].汽車博覽，2020（003）：11-12.

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