雙相鋼DP780窄搭接焊焊縫退火工藝及性能

李登鵬

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司 安徽馬鞍山 243000)

在鋼鐵行業中，連續退火線、熱鍍鋅線、電鍍鋅線、合金化熱鍍鋅等連續生產線，DP450、D600、DP780和DP980等級別的雙相鋼大量的研發和生產，而雙相鋼DP由于其復雜的合金元素、帶鋼較大的剛度使其較難形成熔合良好的窄搭接電阻焊接頭，進而影響其接頭性能，國內外對于DP鋼種的焊接研究主要集中在薄規格及常規厚度(0.3 mm-1.5 mm)的同種或異種鋼焊接[1]、[2]，對于抗拉強度超過780 MPa厚度≥2.0 mm以上的雙相鋼的焊接，國內大部分鋼廠采用與普碳鋼的過渡焊或采用更先進的激光焊機進行焊接，而厚度2.0 mm以上規格的DP780雙相鋼的窄搭接焊焊縫質量穩定性差，容易形成孔洞、焊渣、虛焊等缺陷，難以形成均勻、連續、致密的焊縫接頭。為此，作者通過汽車用先進雙相鋼DP780厚度2.0mm相同鋼種規格的自焊分析其窄搭接焊的工藝參數，同時采用焊縫感應加熱裝置對焊縫進行退火處理，通過焊縫表面質量的宏觀觀察、杯突試驗、焊縫拉伸試驗，研究其退火工藝對焊縫質量的影響。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

實驗材料選取汽車用雙向鋼DP780厚度2.0 mm，寬度1 200 mm鋼卷。其成分如下表1所示。

表1 材料成分 %

1.2 實驗方法

采用日本TEMIC全自動窄搭接焊機進行焊接，采用焊縫感應加熱裝置對焊縫進行退火處理。利用杯突實驗機和折彎實驗機對焊縫質量進行判定。取焊縫樣本通過宏觀觀察，杯突試驗、拉伸試驗焊縫性能進行分析。通過實驗方法，對比分析窄搭接焊焊縫退火工藝對DP780焊接接頭性能的影響。

2 焊接工藝參數及焊縫退火工藝優化

2.1 焊接工藝參數

采用DP780雙相鋼厚度2.0 mm，同鋼種同規格進行窄搭接焊焊接，觀察焊接溫度曲線及火花在正常范圍內，焊接完后用焊機剪刃剪切下焊縫，作為焊后感應加熱熱處理備用樣板，同鋼種規格同一種焊接參數重焊5次，選取其中1個焊縫樣板直接做焊縫杯突試驗，剩余4個焊縫樣板給焊后感應加熱退火處理調試工藝參數備用。其焊接工藝參數如下表2所示。

表2 DP780雙相鋼2.0 mm焊接工藝參數表

對上述每組焊縫樣板進行杯突試驗，每組焊縫上等距沖壓5個杯突，觀察焊縫形貌及杯突是否合格。序號1傳動側杯突沿焊縫開裂，焊縫質量不合格，序號4焊接過程中出現明顯的“炸火”現象，焊縫表面出現大量的焊渣，其余三組試驗焊縫杯突基本正常，但是杯突形貌呈“十”字形或熱影響區出現開裂，表現出焊縫脆性高，塑性低，主要原因為雙相鋼DP780錳元素含量高，導致焊接過程中鋼的淬透性高，易形成馬氏體或貝氏體組織。

厚規格雙相鋼DP780的窄搭接焊同樣對焊輪壓力有較嚴格的控制要求，對比序號4和5，當適當增加焊輪壓力時，焊接時火光明亮，未出現明顯的“炸火”現象。可見，采用較大電流的同時，需適當增加焊輪壓力，以減少焊縫過高的熱量導致焊縫“炸火”。

2.2 焊縫感應加熱退火工藝

根據上述焊接工藝參數對比試驗，選擇序號3作為進一步的焊縫感應加熱退火工藝試驗。根據感應加熱裝置設計參數，設定的焊縫感應加熱退火工藝對比試驗如下表3所示：

表3 焊縫感應加熱退火工藝表

根據產線的生產速率和入口活套套量的控制，整個焊縫加熱控制時間設定為30秒。當采用100%的加熱功率，設定一次性感應加熱時間為30秒時，退火溫度到達到了780 ℃，整個焊縫樣板變形扭曲較大，不適合產線生產運行。設計采用二次退火方式，先加熱，再冷卻降溫后再加熱，整個焊縫樣板變形量明顯減小，整個焊縫加熱區域均勻。相比一次退火方式，二次退火焊縫區能消除更多的殘余應力。根據焊縫退火表面效果，采用序號2作為焊縫感應加熱退火工藝參數設定。

3 焊縫感應加熱退火前后形貌分析

利用杯突試驗機對焊縫感應加熱退火前后焊縫樣板均勻間斷的五個點做杯突實驗，其對比如下圖1所示。根據焊縫退火前后對比圖及在焊接試驗過程中總結發現：

圖1 DP780厚度2.0 mm退火處理前后焊縫杯突對比

(1)退火處理的焊縫杯突試驗時，杯突邊緣出現一層很薄的氧化鐵皮，如圖2所示。加熱時，帶鋼明顯變紅為達到預期加熱效果。

圖2 DP780厚度2.0 mm退火處理后杯突出現氧化皮

(2)可以通過杯突試驗過程判斷焊縫質量是否改善，沒有經過退火處理的焊縫進行杯突試驗時，發現很明顯的脆斷聲，而經過二次退火處理的焊縫杯突過程中，杯突慢慢裂開，能看到明顯的韌窩狀形貌，表現為韌性斷裂。

(3)對厚規格高強鋼焊縫質量改善明顯，熱處理過后的杯突明顯比沒有經過熱處理的杯突要好，特別是強度越高，改善越明顯。

4 焊縫拉伸試驗

截取焊接接頭橫向拉伸試樣，進行焊縫拉伸試驗。可以看出，2.0 mm厚度DP780自搭接焊不采用焊后退火處理時，拉伸后接頭斷裂均發生在焊縫臺階面，此區域為應力集中區，易產生裂紋導致斷裂，無沿搭接面撕開現象，焊縫性能強度較低。此焊縫經過加熱爐區高溫退火及爐輥反復折彎，焊縫開裂的風險很大，如圖3所示。2.0 mm厚度DP780自搭接焊，采用焊后二次退火處理后，拉伸后接頭斷裂均發生在熱影響區，出現斷口緊縮現象，表現為明顯的塑性變形，斷裂后焊縫完整，無沿搭接面撕開現象，接頭韌性較無退火處理時明顯改善，表明焊縫區殘余應力大幅消除，同時焊縫區晶粒組織得到細化，焊縫性能強度高于母材，大大降低了焊縫在爐內斷帶的風險，如圖4所示。

圖3 DP780厚度2.0 mm焊縫無退火拉伸試驗

圖4 DP780厚度2.0 mm焊縫退火處理后拉伸試驗

5 總結

DP780厚度2.0 mm同鋼種規格的窄搭接自焊焊接沒有經過退火處理的焊縫杯突試驗時，發生很明顯的脆斷聲，而經過二次退火處理的焊縫杯突過程中，杯突慢慢裂開，能看到明顯的韌窩狀形貌，表現為韌性斷裂。

采用焊后二次退火處理的焊縫，拉伸后接頭斷裂均發生在熱影響區，出現斷口緊縮現象，表現為明顯的塑性變形，斷裂后焊縫完整，無沿搭接面撕開現象，表明焊縫區殘余應力大幅消除，同時焊縫區晶粒組織得到細化，焊縫性能強度高于母材，大大降低了焊縫在爐內斷帶的風險。