高强塑积热冲压钢的焊接性及点焊飞溅机理研究

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近年来随着对车身轻量化和安全性要求不断提高,热冲压钢作为车身关键零部件的使用越来越广泛。最近成功研发的一种新型热冲压成形用钢(Advanced Hot Forming Steel,简称 AHF 钢),其强塑积超过 20GPa%,使零部件可采用更薄的板材成形,并可使用现有热冲压工艺和设备进行生产。目前,电阻点焊约占汽车白车身装配90%工作量,仍然是白车身装配的主要连接工艺。但该新型热冲压用钢的焊接性,尤其是其与电阻点焊工艺的匹配性还未得到验证,因此本文研究了 AHF钢的电阻点焊焊接性及点焊飞溅机理,开发出实际工况条件下与其物理冶金学特征相匹配的电阻点焊工艺。本文的主要研究内容如下:(1)采用正交实验设计方法,建立一个以焊接电流、焊接时间与电极力作为工艺参数,以点焊接头的熔核直径及其最大抗剪力为目标量的回归数学模型。在此基础上,绘制了焊接电流、焊接时间与电极力对点焊接头熔核直径与最大抗剪力的影响的四维图,研究了不同点焊焊接工艺下点焊接头熔核直径以及最大抗剪力的变化规律,揭示了焊接工艺过程中各个参数之间的匹配关系。(2)使用遗传算法对电阻点焊工艺过程进行优化,求出适用于AHF钢的最佳电阻点焊工艺参数为:点焊电流8kA、电极力2kN、点焊时间20cyc。最优工艺条件下点焊接头的最大抗剪力的计算值为19.4kN,与实验值的偏差为5.9%。(3)实验测定AHF钢奥氏体平衡转变温度和晶粒度,结合母材成分,使用JMatPro软件对AHF钢连续冷却条件下的相变点和相变过程进行理想状态下的模拟计算,得到过冷奥氏体的等温转变曲线(TTT图)和连续冷却转变曲线(CCT图)。使用相变仪测定AHF钢连续冷却条件下的温度-膨胀量曲线以及最终的显微组织信息,对模拟计算得到的CCT曲线进行校准。同时根据TTT曲线,计算出AHF钢的部分物理性能,如密度、电阻率、热传导系数、流变应力及弹性模量等,为电阻点焊过程的模拟提供基础数据。(4)基于Simufact.welding软件平台,建立AHF钢的电阻点焊数值模型,揭示了点焊接头电流密度分布、温度场分布规律以及点焊热循环曲线,得到点焊接头微观结构的演变过程。结果表明,AHF钢焊后组织主要为马氏体和残余奥氏体,在马氏体相变期间,存在着碳的动态配分过程。奥氏体中碳质量分数越高,Ms和Mf点越低,导致奥氏体向马氏体转变越困难,有利于奥氏体残留下来形成富碳的残余奥氏体。多点点焊的数值模拟表明,厚度为1mm的AHF钢多点点焊施焊间距以不低于20mm为宜。(5)采用logistic方法揭示了复杂条件下(工件装配、设备稳定性、操作稳定性等外界因素)产生熔核飞溅的主要影响因素,建立了电阻点焊熔核飞溅曲线,对复杂工况条件下该材料点焊飞溅概率进行了预测。在此基础上,以点焊最小熔核直径及点焊熔核飞溅为边界条件建立了 AHF钢的包含飞溅概率信息的焊接性窗口。提出了功平衡飞溅模型,将液态熔核膨胀冲击功与塑性环的断裂功进行比较来判断飞溅,同时建立了 AHF钢熔核膨胀力与过熔温度之间的关系模型以及塑性环的高温流变峰值应力本构方程,计算了 AHF钢高温阶段熔核内部的膨胀力和塑性环的流变峰值应力,并建立了该材料电阻点焊时的飞溅临界线。本文的研究结果为高强钢板焊接性能的研究积累了可供参考的数据,对制定汽车白车身焊接工艺和操作规范提供了实验依据。
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