關(guān)于開發(fā)吉帕級超高強(qiáng)鋼焊接技術(shù)的研究

白瑞召

（河北鋼鐵集團(tuán)邯鋼公司邯寶冷軋廠，河北 邯鄲 056015）

世界汽車工業(yè)面臨著能源、環(huán)境和安全三大嚴(yán)峻問題。節(jié)能、環(huán)保和安全成為各大汽車生產(chǎn)廠家提高競爭力的關(guān)鍵。隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，超高強(qiáng)鋼已經(jīng)成為汽車產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展的首選材料，現(xiàn)已成功應(yīng)用于汽車前防撞梁、A 柱、B 柱和車門防撞梁等部件中。

由于吉帕級超高強(qiáng)鋼性能的特殊性，其成分中合金含量和碳含量較高，這對于窄搭接焊機(jī)來講，焊接吉帕級超高強(qiáng)鋼時難度會非常大。但此類產(chǎn)品又是市場急需產(chǎn)品，因此保證焊接質(zhì)量，提高生產(chǎn)平順性極為重要。同時，也應(yīng)考慮到影響焊接質(zhì)量的參數(shù)，其中主要涉及焊接電流、電極壓力、焊接速度、搭接量和補(bǔ)償量等[1-4]。但在生產(chǎn)過程中，僅僅靠人工經(jīng)驗很難快速準(zhǔn)確地選擇合適的焊接參數(shù)，往往會由于經(jīng)驗的不確定性，使焊接過程不穩(wěn)定，導(dǎo)致宏觀焊縫不合格，從而造成生產(chǎn)線降速或者斷帶停車，給企業(yè)造成巨大損失。因此，開發(fā)吉帕級超高強(qiáng)鋼焊接質(zhì)量控制技術(shù)，建立超高強(qiáng)鋼焊接模型，提高焊接一次通過率尤為重要。

1 現(xiàn)場調(diào)研

目前在生產(chǎn)吉帕級超高強(qiáng)鋼時，均是根據(jù)現(xiàn)有工作經(jīng)驗調(diào)整焊接工藝參數(shù)。焊接后對其進(jìn)行杯突試驗，出現(xiàn)焊縫不合格、形貌呈沿焊縫方向裂開或焊縫方向裂口不均勻等現(xiàn)象（見圖1）。針對此問題，開始摸索調(diào)整焊接工藝參數(shù)，增大焊接電流、減小焊接速度或調(diào)整搭接量等，只有通過多次調(diào)整才能滿足焊縫質(zhì)量。

圖1 不合格焊縫形貌

2 開發(fā)吉帕級超高強(qiáng)鋼窄搭接焊技術(shù)

為解決上述技術(shù)問題，已從大量的焊接經(jīng)驗中摸索出各焊接工藝參數(shù)的計算公式，并根據(jù)計算公式，開發(fā)了一個實用性軟件。軟件適用于兩搭接焊厚度H 為1～5 mm，且|H1-H2|≤0.3 mm 的情況。在保證以上焊接厚度情況下，通過軟件可以粗略計算出所需要的焊接工藝參數(shù)，可大大提高焊接工作效率，現(xiàn)對具體焊接參數(shù)計算進(jìn)行分析。

2.1 搭接量

搭接量是指兩塊帶鋼接頭重疊部分的尺寸。冷軋薄板連續(xù)生產(chǎn)線多采用窄搭接電阻焊機(jī)進(jìn)行帶鋼焊接，焊接時需要將兩塊帶鋼接頭部分重疊，從而通過電阻發(fā)熱將其熔接在一起，兩塊帶鋼搭接量越小，焊縫越容易被壓平。但如果搭接量過窄，在帶鋼端頭壓平的過程中易使其發(fā)生滑動，導(dǎo)致焊縫開裂，兩塊帶鋼也難以焊接；如果搭接量過大的話，接觸面的電阻值就會變得較小，產(chǎn)生的熱量也會隨之降低，其熱量不足以熔化焊接接頭，兩塊帶鋼便無法形成牢固的焊接焊核，焊縫質(zhì)量也會受到影響。對于搭接量的確定，應(yīng)以保證焊縫的牢固為前提，盡量減少搭接量，否則應(yīng)適當(dāng)加大電流，以保證焊接溫度和焊縫質(zhì)量。在選擇合適的搭接量之后，為避免焊接過程中由于焊輪和壓平輪碾壓作用而造成的搭接量變化，應(yīng)在傳動側(cè)搭接量的基礎(chǔ)上再設(shè)置一定的搭接補(bǔ)償量，以防止焊接過程中因搭接長度減小而造成的焊接異常。因此，在搭接焊過程中存在最佳搭接量的數(shù)值，通過經(jīng)驗摸索可得出搭接量公式為：

式中：W 為搭接值，mm；H 為焊接材料厚度，mm。

2.2 補(bǔ)償量

補(bǔ)償量是在焊接前，基于搭接好的焊縫基礎(chǔ)上，操作側(cè)搭接量不變，驅(qū)動側(cè)增加搭接量的方向上增加的數(shù)值。通過經(jīng)驗摸索可得出補(bǔ)償量公式為：

式中：C 為補(bǔ)償值，mm；H 為焊接材料厚度，mm。

2.3 焊接速度

窄搭接焊是通過焊輪放熱熔化母材金屬形成焊核的過程，其中焊接速度決定了焊縫的放熱時間、金屬的冷卻速度等，本方法認(rèn)為焊接速度控制為一個與厚度相關(guān)的常數(shù)，帶鋼的窄搭接焊接速度采用下式計算：

式中：v 為速度值，m/min；H 為焊接材料厚度，mm。

2.4 焊接壓力

焊接壓力在一定程度上決定了焊縫的溫度。焊接壓力過大，會造成液體溢出；反之，容易造成火花飛濺等。如若出現(xiàn)火花過大的情況，說明焊接溫度過高，需要逐步減小電流，增加壓力。因此，設(shè)定的焊接壓力采用下式計算：

式中：p 為焊接壓力，kN；H 為焊接材料厚度，mm。

2.5 焊接溫度

窄搭接焊的常規(guī)焊接溫度為750～1 400 ℃，焊接溫度采用下式計算：

式中：T 為焊接溫度，℃；H 為焊接材料厚度，mm。

2.6 焊接電流

焊接電流是電阻加熱的熱能來源，是影響焊接工藝操作和質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)。由焊接接頭產(chǎn)生的熱量公式可知，電流對產(chǎn)熱的影響比電阻和時間的影響都大，焊接電流過大或是過小都會造成焊接熱量以及帶鋼焊接質(zhì)量的較大波動。根據(jù)搭接量、補(bǔ)償量、焊接速度和焊接壓力等，最終推導(dǎo)出焊接電流的公式為：

式中：I 為焊接電流，A；K、α、β、ε 為常數(shù)，K/ε 取值為0.247，α 取值為-8.1，β 取值為0.75；ρ 為鋼鐵的密度，取值7.9 g/cm3；CE是焊縫碳當(dāng)量，為質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。

2.7 焊接參數(shù)計算軟件開發(fā)

通過以上原理，開發(fā)了一套自動計算焊接參數(shù)的軟件，軟件界面如圖2 所示。操作人員在軟件中輸入焊接帶鋼的鋼種及厚度，即可由系統(tǒng)自主計算得出焊接參數(shù)。

圖2 焊接參數(shù)計算軟件界面

3 技術(shù)應(yīng)用效果

將開發(fā)的超高強(qiáng)鋼焊接質(zhì)量控制技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)實踐后，取得了良好的焊接效果，超高強(qiáng)鋼焊接質(zhì)量穩(wěn)定，帶鋼焊縫處宏觀形貌如圖3 所示。

圖3 焊縫形貌

由圖3 可以看出，焊接母材之間無明顯分界線即焊縫，兩母材宏觀表現(xiàn)為完全熔合，其中深色區(qū)域為超高強(qiáng)鋼熱影響區(qū)以及熔合區(qū)。從焊縫的微觀組織發(fā)現(xiàn)，焊縫內(nèi)部具有較明顯菊花狀熔合區(qū)，該區(qū)域距表層約為500 μm，且焊縫內(nèi)部存在一條起始于熔合區(qū)邊部的細(xì)小裂紋，方向為與帶鋼水平軋向成20°左右的斜向下夾角。根據(jù)焊縫檢測標(biāo)準(zhǔn)，該焊縫形貌良好。超高強(qiáng)鋼焊接技術(shù)焊接一次通過率由技術(shù)實施前的84%提高至100%，擴(kuò)大了超高強(qiáng)鋼生產(chǎn)焊接工藝窗口，保證了產(chǎn)品品質(zhì)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

1）通過實踐所開發(fā)出的吉帕級超高強(qiáng)鋼焊接質(zhì)量控制技術(shù)，很好地解決了吉帕級超高強(qiáng)鋼焊接質(zhì)量，有效避免了生產(chǎn)過程中因焊接出現(xiàn)的停車、降速等諸多問題。

2）根據(jù)焊縫檢測標(biāo)準(zhǔn)，利用該技術(shù)所得焊縫形貌良好。

3）超高強(qiáng)鋼焊接技術(shù)焊接一次通過率由技術(shù)實施前的84%提高至100%，保證了產(chǎn)品品質(zhì)的穩(wěn)定性。