焊接速度對(duì)高強(qiáng)度雙相鋼窄搭接電阻縫焊影響規(guī)律研究

成昌晶，計(jì)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(duì)焊接溫度場(chǎng)和應(yīng)力/應(yīng)變場(chǎng)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(jì)算模型，研究焊接速度對(duì)高強(qiáng)度雙相鋼窄搭接電阻縫焊過程溫度場(chǎng)、應(yīng)力/應(yīng)變場(chǎng)的影響，為合理選擇焊接工藝提供理論依據(jù)。

2 有限元計(jì)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(shí)工件在兩個(gè)旋轉(zhuǎn)的盤狀電極（滾盤）間通過，形成一條焊點(diǎn)前后搭接的連續(xù)焊縫[3]。它以圓盤形電極代替點(diǎn)焊的圓柱形電極，與工件做相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

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(jìn)行計(jì)算。計(jì)算模型共7810個(gè)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(yàn)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(jì)算方法

窄搭接電阻縫焊過程涉及到電場(chǎng)、溫度場(chǎng)、應(yīng)力/應(yīng)變場(chǎng)、顯微組織場(chǎng)等十分復(fù)雜的多物理場(chǎng)耦合過程。焊接時(shí)兩電極與工件形成回路，電流在工件中形成強(qiáng)烈的電阻熱熔化焊件形成熔池。熱-電-力耦合計(jì)算模型可以分解為一個(gè)熱-電耦合模型和一個(gè)熱-力耦合模型。計(jì)算時(shí)在一個(gè)分析步內(nèi)會(huì)分別順序計(jì)算兩個(gè)模型，熱-電耦合模型的溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果會(huì)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(chǎng)計(jì)算結(jié)果會(huì)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(jì)算模型，分別計(jì)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(shí)溫度場(chǎng)和應(yīng)力/應(yīng)變場(chǎng)的分布情況，研究焊接速度對(duì)高強(qiáng)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(duì)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(shí)，熔核直徑約為3.0mm，厚度約為0.6mm，此時(shí)焊縫已經(jīng)被完全壓平，沒有出現(xiàn)錯(cuò)邊的情況，未熔合尺寸約為2.1mm。當(dāng)v=5.0m/min時(shí)，熔核直徑降低到約為2.6mm，厚度降低到約為0.4mm，錯(cuò)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(shí)，熔核直徑僅為2.1 mm，厚度為0.02 mm，錯(cuò)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(shí)，焊接峰值溫度僅為1400.4℃，此時(shí)焊接過程中并沒有形成熔核。隨著焊接速度的增加，使焊點(diǎn)通電加熱時(shí)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(cuò)邊量和未熔合尺寸逐漸增加。

圖4 焊接速度對(duì)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(qiáng)接頭的結(jié)合強(qiáng)度，錯(cuò)邊量的降低可以降低接頭負(fù)載時(shí)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(duì)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(shí)間也逐漸降低。在4組計(jì)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(jì)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(duì)于高強(qiáng)度雙相鋼這類具有較強(qiáng)淬硬傾向的鋼種，會(huì)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(duì)焊接熱循環(huán)的影響

焊接速度對(duì)窄搭接電阻縫焊應(yīng)變場(chǎng)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(diǎn)通電加熱時(shí)間減少，材料溫度較低，強(qiáng)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(jì)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(duì)窄搭接電阻縫焊應(yīng)變場(chǎng)的影響

5 工程驗(yàn)證

采用MSW-C100D-16-2R1PL型窄間隙搭接焊機(jī)，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(jìn)行焊接，并對(duì)焊縫取樣進(jìn)行杯突試驗(yàn)，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(shí)，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(yàn)合格；焊接速度為7.0m/min、 9.0m/min時(shí)，杯突后沿著焊縫開裂，特別是焊接速度為9.0m/min時(shí)，焊縫沿著搭接面撕開，界面未熔合，杯突試驗(yàn)不合格。焊縫實(shí)際杯突試驗(yàn)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(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)焊接速度為4.0m/min時(shí)，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(shí)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(yàn)結(jié)果

6 結(jié)束語

基于窄搭接電阻縫焊有限元計(jì)算模型，在其他焊接參數(shù)恒定的情況下，分別計(jì)算不同焊接速度對(duì)應(yīng)溫度場(chǎng)和應(yīng)力/應(yīng)變場(chǎng)的分布情況，研究焊接速度對(duì)高強(qiáng)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(huì)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(qiáng)度；另外，焊接速度的增加還會(huì)顯著增加錯(cuò)位量，加劇接頭負(fù)載時(shí)的應(yīng)力集中程度，降低接頭負(fù)載強(qiáng)度。

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