热镀锌双相钢DP780电阻点焊接头微观组织与力学性能的研究

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汽车工业的飞速发展造就了汽车文明和该文明所蕴含的内涵,在对人类社会进步产生深刻影响的同时,也产生了三大社会问题:燃油消耗、排放和安全。为解决这些问题,研制和开发出更为有效的汽车轻量化材料势在必行。先进高强钢(AdvancedHigh-Strength Steel: AHSS)的问世,极大地满足了汽车工业对车身的综合性能要求。先进高强钢具有良好的强度和延性匹配、低屈强比和高初始加工硬化速率等特点,通过使用先进高强度钢,可以明显地减小汽车车身钢板厚度、降低车身结构重量,从而降低燃油消耗,减少CO2的排放,同时汽车发生碰撞时的被动安全也能得到保证。电阻点焊是一种在工业领域广泛应用、高效经济的焊接加工技术,主要应用于航空、航天和汽车制造等领域。通常,一台小型轿车的白车身上有2000~5000个焊点,这些焊点在准静态、冲击及疲劳载荷条件下的强度直接影响了汽车的使用寿命和安全性能。由于种类和强度级别不同的先进高强钢的物理化学属性和加工成型工艺存在较大差别,在电阻点焊过程中极易产生飞溅、缩孔和裂纹等缺陷,并且点焊熔核中柱状晶易形成熔核的薄弱面,造成拉剪强度低,降低焊接接头的力学性能,点焊接头质量得不到有效地保证。点焊接头的质量已经成为制约先进高强钢大规模应用于汽车工业的技术难点和亟待解决的问题之一。本文对热镀锌双相钢DP780电阻点焊接头微观组织与力学性能进行了较为系统的研究。研究了单脉冲点焊工艺参数(焊接电流、焊接时间和电极压力)对热镀锌双相钢DP780点焊接头微观组织与力学性能的影响规律,探讨并分析了点焊接头在拉剪试验中的断裂模式;利用正交试验优化了热镀锌双相钢DP780回火脉冲的工艺参数(冷却时间、回火电流和回火时间),对比研究了回火脉冲前后点焊接头微观组织与力学性能的变化规律。基于试验结果和试验数据分析,总结出本文的主要结论如下:(1)热镀锌双相钢DP780点焊接头由熔核区、热影响区和未受热循环影响的母材组成。点焊熔核从自由能最低的熔核边界半熔化的晶粒表面开始联生结晶,以柱状晶的形态向熔核中心择优生长,并且生长方向近似垂直于熔合线,最后形成全是柱状晶的穿晶组织。热镀锌双相钢DP780点焊熔核的微观组织由粗大的板条马氏体、铁素体、贝氏体和少量残余奥氏体组成,热影响区的微观组织为板条马氏体和铁素体。(2)点焊工艺参数(焊接电流、焊接时间和电极压力)对点焊接头热影响区和熔核区的微观组织有显著的影响。随着焊接电流的增大、焊接时间的增加或电极压力的减小,熔核区组织都不同程度的呈现出粗化的趋势,这与点焊过程热输入和晶粒长大有关。(3)热镀锌双相钢DP780点焊接头在形成过程中会出现一些问题,如压痕过深、飞溅、缩孔和结合线伸入等,它们往往会影响点焊接头的外观质量,同时对接头的力学性能也有不利的影响,因此在点焊过程中应采用合理的工艺参数,以获得优质的点焊接头。(4)点焊工艺参数(焊接电流、焊接时间和电极压力)对热镀锌双相钢DP780点焊接头的最大拉剪力和熔核尺寸影响显著。随着焊接电流的增大,最大拉剪力和熔核尺寸不断增大直到发生飞溅为止;随着焊接时间的增加,最大拉剪力和熔核尺寸先增大然后趋于平稳;随着电极压力的增大,最大拉剪力和熔核尺寸变化幅度比较大,呈现先增大后减小的趋势。试验结果表明,焊接电流8.5kA、焊接时间16cycles、电极压力4.5kN是热镀锌DP780双相钢电阻点焊比较适合的工艺参数,在此工艺参数条件下点焊接头的熔核直径为6.32mm,最大拉剪力为17.12kN,熔核区显微硬度为378.5kgf/mm2,在拉剪试验中发生纽扣型熔核断裂。(5)热镀锌双相钢DP780点焊接头拉剪断裂主要为界面断裂和纽扣型熔核断裂。纽扣型熔核断裂的承载能力和能量吸收能力均比界面断裂大,因此在实际生产中需要保证点焊接头发生纽扣型熔核断裂。界面断裂是由于结合面上的剪切应力所造成的,裂纹从热影响区的边界开始萌生并沿着熔核中心线扩展,属于脆性断裂。纽扣型熔核断裂是由于在两块板结合的尖角处产生了应力集中,裂纹沿着热影响区-母材的边界或者母材垂直于结合线扩展,属于韧性断裂。(6)正交试验结果表明,对熔核直径影响最大的因素是冷却时间,回火电流次之,回火时间的影响最小;而对点焊接头最大拉剪力影响最大的因素是回火电流,回火时间次之,冷却时间的影响最小。运用综合平衡法确定冷却时间40cycles,回火电流4kA,回火时间80cycles为热镀锌双相钢DP780在双脉冲点焊试验中的最佳回火工艺参数。热镀锌双相钢DP780点焊接头回火前后熔核区与热影响区交界处微观组织基本一致,而回火处理后熔核中心主要为板条马氏体和回火马氏体组织。马氏体内的位错密度在经历了回复和再结晶以后明显下降,并且熔核区内的内应力也得以消除。热镀锌双相钢DP780点焊接头在经历回火脉冲后,熔核区显微硬度略有降低,而在热影响区硬度并没有发生太大改变,点焊接头韧性得到了提高。在拉剪试验中,回火前后点焊接头都发生纽扣型熔核断裂,回火后接头的强度和塑性得到提高,综合力学性能得到改善。
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