焊接速度對高強度雙相鋼窄搭接電阻縫焊影響規(guī)律研究

成昌晶，計遙遙，胡磊，王偉峰，代朋虎

1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心 安徽馬鞍山 243000

2.安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 安徽馬鞍山 243000

1 序言

窄搭接電阻縫焊接頭質(zhì)量受到焊接電流、焊接速度、電極壓力、搭接量等諸多因素的影響，并且各影響因素之間相互制約[1，2]。為了揭示窄搭接電阻縫焊各影響因素對焊接溫度場和應(yīng)力/應(yīng)變場的影響規(guī)律，本文基于有限元軟件Sysweld開發(fā)的窄搭接電阻縫焊有限元計算模型，研究焊接速度對高強度雙相鋼窄搭接電阻縫焊過程溫度場、應(yīng)力/應(yīng)變場的影響，為合理選擇焊接工藝提供理論依據(jù)。

2 有限元計算模型

焊接方法為窄搭接電阻縫焊，其基本原理如圖1所示，焊接時工件在兩個旋轉(zhuǎn)的盤狀電極（滾盤）間通過，形成一條焊點前后搭接的連續(xù)焊縫[3]。它以圓盤形電極代替點焊的圓柱形電極，與工件做相對運動。

圖1 窄搭接電阻縫焊基本原理

焊縫附近網(wǎng)格劃分如圖2所示，在 Visual-Mesh 建好網(wǎng)格模型，將網(wǎng)格數(shù)據(jù)以ASC形式輸出，加載到 Sysweld軟件“Welding Advisor”模塊中進行計算。計算模型共7810個單元，焊縫處單元尺寸為1mm×1mm。

圖2 焊縫附近網(wǎng)格劃分

試驗材料為2.2mm厚的DP800雙相鋼，材料的熱、電、力學(xué)物理性能參數(shù)如圖3所示。

圖3 材料的熱、電、力學(xué)物理性能參數(shù)

3 計算方法

窄搭接電阻縫焊過程涉及到電場、溫度場、應(yīng)力/應(yīng)變場、顯微組織場等十分復(fù)雜的多物理場耦合過程。焊接時兩電極與工件形成回路，電流在工件中形成強烈的電阻熱熔化焊件形成熔池。熱-電-力耦合計算模型可以分解為一個熱-電耦合模型和一個熱-力耦合模型。計算時在一個分析步內(nèi)會分別順序計算兩個模型，熱-電耦合模型的溫度場計算結(jié)果會作為邊界條件施加在熱-力耦合模型中，而熱-力耦合模型的應(yīng)力/應(yīng)變場計算結(jié)果會作為邊界條件施加在熱-電耦合模型中。

基于上述窄搭接電阻縫焊有限元計算模型，分別計算試板搭接量為2.4mm，焊接電流為21kA，焊接壓力2500daN，焊接速度分別為4.0m/min、5.0m/min、7.0m/min和9.0m/min時溫度場和應(yīng)力/應(yīng)變場的分布情況，研究焊接速度對高強度雙相鋼窄搭接電阻縫焊的影響規(guī)律。

4 結(jié)果與分析

焊接速度對焊接峰值溫度的影響如圖4所示。從圖4可看出，當(dāng)v=4.0m/min時，熔核直徑約為3.0mm，厚度約為0.6mm，此時焊縫已經(jīng)被完全壓平，沒有出現(xiàn)錯邊的情況，未熔合尺寸約為2.1mm。當(dāng)v=5.0m/min時，熔核直徑降低到約為2.6mm，厚度降低到約為0.4mm，錯邊量增加到約0.3mm，未熔合尺寸增加到2.4mm。當(dāng)v=7.0m/min時，熔核直徑僅為2.1 mm，厚度為0.02 mm，錯邊量增加到0.6 mm，未熔合尺寸約為2.7 mm，只形成了一層厚度很薄的熔核。當(dāng)v=9m/min時，焊接峰值溫度僅為1400.4℃，此時焊接過程中并沒有形成熔核。隨著焊接速度的增加，使焊點通電加熱時間減少，從而使焊接區(qū)域熱輸入量降低，導(dǎo)致熔核尺寸逐漸減小，峰值溫度也逐漸降低，錯邊量和未熔合尺寸逐漸增加。

圖4 焊接速度對焊接峰值溫度的影響

因焊接速度降低而引起的熔核尺寸增加和未熔合尺寸降低可以加強接頭的結(jié)合強度，錯邊量的降低可以降低接頭負(fù)載時的應(yīng)力集中。因此，在一定范圍內(nèi)，降低焊接速度可以有效地提高接頭的負(fù)載能力。

焊接速度對焊接熱循環(huán)的影響如圖5所示。由圖5可看出，隨著焊接速度的增加，焊縫中心位置加熱速度逐漸增加，但峰值溫度顯著降低，高溫停留時間也逐漸降低。在4組計算中，從室溫加熱到峰值溫度平均加熱速度分別為3009.0℃/s、3462.5℃/s、 4279.5℃/s和5091.1℃/s。在4組計算中t8/5分別為0.24s、0.17s、0.16s和0.11s，焊接速度的增加減小了t8/5，增加了材料固態(tài)相變溫度區(qū)間的冷卻速度。其原因可能是隨著焊接速度的增加，高溫區(qū)域減小，以及周圍加熱母材溫度不均勻程度增加，冷卻速度增加。對于高強度雙相鋼這類具有較強淬硬傾向的鋼種，會加劇淬硬組織的形成，從而導(dǎo)致接頭韌性降低。

圖5 焊接速度對焊接熱循環(huán)的影響

焊接速度對窄搭接電阻縫焊應(yīng)變場的影響如圖6所示。由圖6可看出，隨著焊接速度的增加，塑性環(huán)直徑分別為6.8mm、5.9mm、5.3mm和4.7mm，厚度分別為1.0mm、0.9mm、0.7mm和0.6mm，塑性環(huán)尺寸有較明顯的降低。其原因是隨著焊接速度的增加，焊點通電加熱時間減少，材料溫度較低，強度較高，在相同電極壓力作用下，塑性區(qū)減小。結(jié)合圖3可知，在4組計算中電極表面峰值溫度分別為301.2℃、245.5℃、175.1℃和140.9℃，隨著焊接速度的增加，電極表面溫度也逐漸降低。

圖6 焊接速度對窄搭接電阻縫焊應(yīng)變場的影響

5 工程驗證

采用MSW-C100D-16-2R1PL型窄間隙搭接焊機，搭接量為2.4mm，焊接電流為21kA，焊接壓力2500daN保持不變，分別調(diào)整焊接速度為 4.0m/min、5.0m/min、7.0m/min和9.0m/min進行焊接，并對焊縫取樣進行杯突試驗，結(jié)果如圖7所示。由圖7可以看出，焊接速度為4.0m/min、5.0m/min時，焊縫杯突裂紋呈月牙形，焊縫處結(jié)合緊密未開裂，杯突試驗合格；焊接速度為7.0m/min、 9.0m/min時，杯突后沿著焊縫開裂，特別是焊接速度為9.0m/min時，焊縫沿著搭接面撕開，界面未熔合，杯突試驗不合格。焊縫實際杯突試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相吻合，在一定范圍內(nèi)數(shù)值模擬結(jié)果具有代表意義和指導(dǎo)作用。進一步觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)焊接速度為4.0m/min時，焊縫表面開始出現(xiàn)飛濺，繼續(xù)降低焊接速度后，飛濺更加嚴(yán)重，焊件表面出現(xiàn)過燒和電極黏損的現(xiàn)象，此時不應(yīng)再繼續(xù)通過降低焊接速度來提升焊縫性能。

圖7 杯突試驗結(jié)果

6 結(jié)束語

基于窄搭接電阻縫焊有限元計算模型，在其他焊接參數(shù)恒定的情況下，分別計算不同焊接速度對應(yīng)溫度場和應(yīng)力/應(yīng)變場的分布情況，研究焊接速度對高強度雙相鋼窄搭接電阻縫焊的影響規(guī)律，結(jié)論如下。

1）在一定范圍內(nèi)，焊接速度的增加會顯著降低焊接熱輸入，從而減少熔核尺寸和塑性環(huán)尺寸，降低接頭強度；另外，焊接速度的增加還會顯著增加錯位量，加劇接頭負(fù)載時的應(yīng)力集中程度，降低接頭負(fù)載強度。

2）在本文所取焊接速度為4～9m/min時，數(shù)值模擬結(jié)果與實際試驗結(jié)果較為吻合，具有較高可信度，因此對實際生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)作用。