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汽车用异种高强钢CR22MnB5/DH1050焊接及组织性能研究

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汽车用异种高强钢CR22MnB5/DH1050焊接及组织性能研究

作者：肖康山东建筑大学

学位级别：硕士

目前汽车制造领域发展中,提高燃油效率、减少碳排放和提高安全性,一直是汽车设计发展的三大理念。其中汽车减重被认为是减少燃料消耗的关键问题,但随之而来的汽车轻量化问题又与碰撞性的高标准相矛盾,因此汽车的轻量化虽然可以保证燃油... 详细信息

目前汽车制造领域发展中,提高燃油效率、减少碳排放和提高安全性,一直是汽车设计发展的三大理念。其中汽车减重被认为是减少燃料消耗的关键问题,但随之而来的汽车轻量化问题又与碰撞性的高标准相矛盾,因此汽车的轻量化虽然可以保证燃油的经济性,但其安全性会受到严重影响。近几十年来,汽车用轻质合金材料已被广泛研究,例如铝合金、镁合金、高强度钢等,其中铝、镁合金虽然可以满足汽车轻量化需求,但其生产制造成本较高,因而开发先进的高强度钢(AHSS)被认为能在保证汽车整体质量的前提下,可大幅降低其制造成本,进而为我国制造2025和碳中和目标提供助力。目前汽车用高强钢的焊接因材料、板厚不同,其焊接方法的选择及其焊接成形也不同。其中钨极氩弧焊(TIG)采用高效率的非熔化电极,且易保持恒定的电弧长度、焊接电流和稳定的焊接过程,进而可获得美观、平滑和均匀的焊缝和高质量接头,而采用脉冲电流进行焊接,可有效调整和控制焊接热输人,实现单面焊双面成型,适合于汽车用薄板结构的焊接制造。本课题应用于汽车前后横梁零部件设计领域,将两种不同强度和厚度的钢板相互结合,可实现最终零部件重量和性能的最优结合。车辆发生碰撞时,横梁前半部分钢板强度低且厚度薄,会发生变形来吸收能量,后半部分钢板保持稳定的高强度以确保乘客安全。本研究以汽车用异种不等厚高强钢CR22MnB5/DH1050为研究对象,采用直流脉冲钨极氩弧焊(P-TIG)焊工艺,通过调整焊接工艺参数,获得具有优良焊缝形貌的焊接接头,工艺参数为:焊接电流80A,焊接速度3.42mm/s,氩气流量12L/min。焊后接头成型美观,无明显焊接缺陷,并设计不同回火处理工艺,利用金相、扫描电镜(SEM)和能谱(EDS)等微观测试手段及拉伸和抗弯性能、硬度和电化学腐蚀等性能测试方法分析回火处理前后接头各区域的组织与性能,研究热处理前后异种钢接头微观显微组织结构转变及其对焊接接头力学性能和腐蚀性能的影响机理,研究结果如下:显微组织结构分析表明,CR22MnB5/DH1050异种钢P-TIG焊接头主要由两侧母材、焊缝区和两侧热影响区构成。CR22MnB5母材区为板条状马氏体组织,DH1050母材为马氏体岛状组织均匀分布在铁素体基体上。未经回火处理时,焊缝组织为粗大的板条状马氏体,两侧热影响区存在典型的完全淬火区和不完全淬火区,完全淬火区由粗晶区和细晶区组织构成,主要为马氏体组织,而不完全淬火区由马氏体和铁素体两相混合组织构成。经250℃和550℃回火处理并随着回火温度的升高,接头各区域组织划分界限越来越不明显,其中粗大的马氏体组织不断地分解,大量颗粒状碳化物沿马氏体晶界处析出,铁素体含量增加,组织分布更加均匀。力学和电化学腐蚀性能分析表明,热处理前后焊接接头均在焊缝区获得硬度最大值,两侧热影响区均存在不同程度的软化区,其中接头CR22MnB5侧热影响区的软化区硬度值(277.6HV)相比母材区(376.6HV)明显降低。而经过550℃高温回火后,马氏体组织含量进一步降低,软化组织铁素体含量增加,接头整体硬度值分布趋于平缓,平均值为300.4HV。室温拉伸试验结果表明,试样接头均断裂在DH1050薄板一侧,呈现显著的韧性断裂模式,未经回火处理和经250℃低温回火处理的接头的抗拉强度(890MPa)和延伸率(4.85%)较为接近,但经550℃高温回火后,母材区马氏体岛逐渐溶解,碳化物析出,其抗拉强度显著下降(724MPa),但其塑性变形过程较长,伸长率显著提高(9.65%),促使接头塑韧性提高。室温弯曲试验结果表明,经250℃低温回火后,接头承受最大弯曲载荷(516N)相比未经回火接头(558N)下降不明显,但550℃高温回火后试件抗弯能力(438N)明显下降,断裂破坏时的最大位移(6.0mm)相比未经回火处理(6.8mm)显著下降。此外,250℃低温回火和550℃高温回火相比于未经回火处理的焊接接头试样,弯曲角分别增大7.43%和13.22%。电化学腐蚀性能分析表明,接头焊缝区经回火温度处理后,电化学腐蚀电位均正移,可有效改善接头的腐蚀性能。焊缝区经过250℃低温回火后,腐蚀电位为-0.648V,腐蚀性能相比未经回火处理的焊缝区(-0.728V)有所提高。同时经过250℃低温回火后接头焊缝区腐蚀电流密度最小为6.470x10A/cm,焊缝区组织经过低温回火后,马氏体开始分解,碳化物开始析出,铁素体含量增加,组织分布较均匀,其耐腐蚀性能较好。

关键词：异种高强钢回火处理显微组织力学性能电化学腐蚀

B610CF与S500Q异种高强钢同部位多次焊接研究

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热加工工艺 2013年第15期42卷 201-203,206页

作者：周科衡黄伟陈敏黄建强华能澜沧江水电有限公司云南昆明650214 水电十四局机电安装公司云南昆明650032

糯扎渡水电站蜗壳和座环过渡板材料分别为B610CF和S500Q异种高强钢,蜗壳安装后因打压变形和位移需拆除重装,处理过程中蜗壳与过渡板焊接接头存在多次焊接。通过模拟蜗壳处理过程焊接试板进行试验,研究这两种异种高强钢的多次焊接性能,... 详细信息

糯扎渡水电站蜗壳和座环过渡板材料分别为B610CF和S500Q异种高强钢,蜗壳安装后因打压变形和位移需拆除重装,处理过程中蜗壳与过渡板焊接接头存在多次焊接。通过模拟蜗壳处理过程焊接试板进行试验,研究这两种异种高强钢的多次焊接性能,评价蜗壳处理方案的可行性。

关键词： B610CF钢 S500Q钢异种高强钢多次焊接

不等厚B340LA/B1500HS异种高强钢薄板TIG焊接头成形及组织性能

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电焊机 2014年第8期44卷 40-43页

作者：李彬坡刘鹏赵宝中许文涛山东电力工程咨询院有限公司核电项目管理部山东济南250013 山东建筑大学材料科学与工程学院山东济南250101

利用金相、显微硬度等测试手段对不等厚B340LA/B1500HS异种高强钢薄板TIG焊接头的成形、显微组织及硬度进行试验分析。试验结果表明,采用TIG焊能够获得外观成形良好、没有明显缺陷的异种高强钢焊接接头。随着焊接速度的增加,焊缝厚度和... 详细信息

利用金相、显微硬度等测试手段对不等厚B340LA/B1500HS异种高强钢薄板TIG焊接头的成形、显微组织及硬度进行试验分析。试验结果表明,采用TIG焊能够获得外观成形良好、没有明显缺陷的异种高强钢焊接接头。随着焊接速度的增加,焊缝厚度和焊缝宽度逐渐变小;焊缝区主要存在珠光体和铁素体,当焊接速度较高时焊缝中存在一定的板条状马氏体组织。马氏体组织的存在促使高焊接速度条件下焊缝区硬度的显著提高,约为HV1200,而低焊接速度条件下焊缝区硬度约为HV550。

关键词：异种高强钢 TIG焊显微组织

中温回火对异种高强钢薄板激光拼焊接头组织性能的影响

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现代焊接 2013年第5期 22-24页

作者：赵宝中刘鹏唐炳涛山东电力工程咨询院有限公司核电项目管理部山东建筑大学材料科学与工程学院

本文利用激光焊工艺对B340L-B1500HS异种高强度钢进行了不等厚薄板焊接，研究了中温回火对接头组织性能的影响。试验结果表明，B340LA一侧的热影响区经过回火处理后，板条状马氏体组织消失并转变为铁素体组织：B1500HS％热影响经回火处... 详细信息

本文利用激光焊工艺对B340L-B1500HS异种高强度钢进行了不等厚薄板焊接，研究了中温回火对接头组织性能的影响。试验结果表明，B340LA一侧的热影响区经过回火处理后，板条状马氏体组织消失并转变为铁素体组织：B1500HS％热影响经回火处理后原有粗大组织得到细化，转变为更加细小的铁素体组织。回火后焊缝中马氏体组织转变为回火托氏体组织，而针状马氏体和魏氏体组织消失，接头的硬度显著下降，焊缝附近硬度过渡更加平缓，有利于焊缝韧性的提高。

关键词：异种高强钢激光拼焊显微组织硬度

B610CF与S500Q异种高强钢同部位多次焊接研究

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水电站机电技术 2012年第6期35卷 77-80页

作者：周科衡黄伟陈敏黄建强华能澜沧江水电有限公司云南昆明650214 水电十四局机电安装公司云南昆明650032

糯扎渡水电站蜗壳和座环过渡板材料分别为B610CF和S500Q异种高强钢,蜗壳安装后因打压变形和位移需拆除重装,处理过程中蜗壳与过渡板焊接接头存在多次焊接,通过模拟蜗壳处理过程焊接试板进行试验,研究这两种异种高强钢的多次焊接性能,评... 详细信息

糯扎渡水电站蜗壳和座环过渡板材料分别为B610CF和S500Q异种高强钢,蜗壳安装后因打压变形和位移需拆除重装,处理过程中蜗壳与过渡板焊接接头存在多次焊接,通过模拟蜗壳处理过程焊接试板进行试验,研究这两种异种高强钢的多次焊接性能,评价蜗壳处理方案的可行性。

关键词： B610CF钢 S500Q钢异种高强钢多次焊接

挖掘机铲斗GMAW不预热焊接头裂纹敏感性研究

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挖掘机铲斗GMAW不预热焊接头裂纹敏感性研究

作者：宋忆宁山东大学

学位级别：硕士

挖掘机在矿山开采、建筑工地等方面发挥着重要的作用,作业任务复杂繁重。铲斗是挖掘机与挖掘介质直接接触的零部件,挖掘机工作时铲斗承受一定的冲击载荷,存在严重的磨损。小松-山推工程机械有限公司生产的挖掘机采用SHT1080高强钢作为... 详细信息

挖掘机在矿山开采、建筑工地等方面发挥着重要的作用,作业任务复杂繁重。铲斗是挖掘机与挖掘介质直接接触的零部件,挖掘机工作时铲斗承受一定的冲击载荷,存在严重的磨损。小松-山推工程机械有限公司生产的挖掘机采用SHT1080高强钢作为加强耐磨板以改善铲斗耐磨性能,该铲斗底板由Q460高强钢制成。焊前预热与焊后热处理减少铲斗焊接冷裂纹不仅技术复杂还生产成本高。本课题针对SHT1080与Q460高强钢在低强匹配、低温(5～10℃)不预热条件下通过气体保护焊(GMAW)进行焊接,研究焊接参数对其冷裂纹敏感性和组织性能的影响。阐明焊接热输入、显微组织和接头区冷裂纹形成、扩展之间的关联,分析搭接接头断裂机制,避免铲斗底板和耐磨板出现焊接冷裂纹,为高强耐磨钢铲斗焊接及应用提供试验数据与理论支撑。通过铲斗现场焊接裂纹试验分析SHT1080/Q460异种钢不预热焊接接头在不同GMAW焊接参数下的冷裂纹敏感性。试验结果表明,随着热输入的增加,接头裂纹率先减小后增加,确定适合铲斗现场生产的较优焊接热输入范围是13～16kJ/cm,最大不应超过20kJ/cm。而随着搭接间隙增加,接头残余应力和应力集中系数升高,接头冷裂纹敏感性也相应升高,因此保证接头不易产生冷裂纹应将搭接间隙控制在1mm的范围。采用金相显微镜与扫描电镜(SEM)观测SHT1080/Q460高强钢不预热接头微观组织,同时还利用X射线衍射仪(XRD)测定冷裂纹周围区域组织构成,以研究组织分布、元素构成对冷裂纹敏感性的影响。当热输入升高时,焊缝组织内侧板条铁素体与先共析铁素体含量先降低后升高,针状铁素体含量则先增大后减小。而侧板条铁素体与先共析铁素体由于是小角度晶界易减弱接头抗裂性,而针状铁素体却能增大接头韧性。焊接接头SHT1080侧与Q460侧同样因为热输入的增大导致侧板条铁素体、先共析铁素体与马氏体组织粗化,进而条状先共析铁素体转变成块状。随着热输入的继续升高,破坏接头韧性的岛状M-A组织也可能相继形成,而温度越高SHT1080侧熔合区出现的淬硬区越宽,更易诱发冷裂纹,因此SHT1080/Q460高强钢焊接热输入不宜过高。冷裂纹周围组织元素分析结果显示硫化物夹杂物分布过于密集是接头冷裂纹萌生的主要原因。通过显微硬度测试确定焊接接头区是热影响区的硬度最大,而熔合区因为处在硬度突变过渡区域,所以易萌生冷裂纹。分析高强钢焊接冷裂纹产生、扩展机理,可以观察到冷裂纹在萌生部位是相对平直的。根据接头Q460侧冷裂纹的形态能够判断其扩展形式,向前延伸时延伸方向不停转换使冷裂纹形态出现转折。焊接裂纹存在微小的微裂纹分支,并且高强钢焊接冷裂纹经由很多单个间歇形式的微裂纹聚合连接构成,由此可以判断焊接裂纹整个扩展阶段是不连续和间歇发生的。焊接接头Q460侧冷裂纹在初始阶段沿着熔合边界线延伸,之后偏转进入粗晶区继续延伸。冷裂纹在粗晶区中易沿着粗大的马氏体板条延伸,还可能沿着上贝氏体平行的铁素体板条方向延伸。焊接接头SHT1080侧冷裂纹的扩展也是呈现阶梯状,冷裂纹起初沿着熔合边界线扩展,随后向焊缝偏转并继续扩展。SHT1080侧冷裂纹扩展进入焊缝后也是穿过或沿着先共析铁素体,当扩展遇到针状铁素体时因阻力增大发生偏转。试验结果表明,通过控制焊接热输入20kJ/cm以下,可在不预热GMAW条件下防止焊接裂纹。保证SHT1080/Q460高强钢的抗裂性能满足挖掘机铲斗在低温环境下(5～10℃)的焊接生产要求。

关键词：异种高强钢冷裂纹焊接热输入显微组织

SHT1080/Q460高强钢GMAW接头裂纹及组织研究

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SHT1080/Q460高强钢GMAW接头裂纹及组织研究

作者：李玉斌山东大学

学位级别：硕士

高强耐磨钢是以低合金高强钢为基础发展来的高强度、高硬度、高耐磨性钢种,广泛应用于各种工程机械、煤矿开采、车辆船舶等重要行业,常与普通高强钢进行焊接,采用异种高强钢焊接结构,既能够满足各种工作环境下对钢材的不同需求,也可以... 详细信息

高强耐磨钢是以低合金高强钢为基础发展来的高强度、高硬度、高耐磨性钢种,广泛应用于各种工程机械、煤矿开采、车辆船舶等重要行业,常与普通高强钢进行焊接,采用异种高强钢焊接结构,既能够满足各种工作环境下对钢材的不同需求,也可以减轻结构自重,节约资源,充分利用每种钢材的优势性能。但是异种高强钢焊接情况复杂,特别是低温下强度级别为1200MPa的SHT1080高强耐磨钢与Q460钢焊接容易产生焊接裂纹,实际生产中通常增加焊前预热等工艺来防止裂纹的产生,但增加了生产成本,严重制约了异种高强钢结构在工程机械的应用和推广。因此本文在不预热条件下,采用熔化极气体保护焊(GMAW)方法焊接挖掘机铲斗Q460底板与SHT1080加强耐磨板,针对SHT1080/Q460接头裂纹敏感性进行研究,深入分析裂纹萌发、开裂及扩展,研究SHT1080/Q460接头的显微组织和硬度分布,建立焊接工艺参数、微观组织与焊接裂纹的内在联系,降低SHT1080/Q460焊接接头裂纹倾向,为提高接头质量提供重要的理论基础和试验数据。通过直Y坡口对接裂纹试验分析SHT1080/Q460异种钢的焊接裂纹倾向,利用"低强匹配/等强匹配"焊丝进行焊接,研究热输入对SHT1080/Q460异种钢GMAW接头冷裂纹倾向的影响。热输入处于14.2～18.6kJ/cm时,断面裂纹率低于10%,此时接头裂纹倾向低。采用金相显微镜和扫描电镜对SHT1080/Q460接头裂纹的萌生和扩展形貌进行观察,表明SHT1080和Q460直Y形坡口对接接头试样裂纹都启裂于坡口根部尖角熔合区处。裂纹多数起裂于Q460侧,在熔合区平行扩展一段距离后,转向热影响区,呈阶梯状扩展。SHT1080钢侧的裂纹扩展路径不同于Q460侧,越过熔合区偏向焊缝沿着先共析铁素体扩展。通过搭接接头裂纹试验研究SHT1080和Q460搭接接头裂纹敏感性,结果表明,搭接接头裂纹敏感性较小,没有裂纹产生,对于实际铲斗生产中,应该将热输入控制在合适的范围内,并且优化结构尺寸,避免板材装配间隙过大,降低拘束度。低温(≤0℃)下直Y坡口对接裂纹试验表明焊接SHT1080/Q460高强钢时,尽管热输入合适,但是焊接电流较大(400A)会导致焊缝中心出现裂纹。低温下焊接铲斗Q460底板和SHT1080加强耐磨板,采用热输入范围为14.2～18.9kJ/cm,电流265A～296A,装配时控制搭接间隙,可以获得良好的焊接成形。观察焊接接头各区域的显微组织特征,SHT1080/Q460接头焊缝有先共析铁素体(PF)、侧板条铁素体(FSP)和针状铁素体(AF)。PF和AF的比例往往决定了焊缝的韧性,当焊接方法、母材确定后,二者在焊缝组织中的比例以及晶粒尺寸可以通过焊接热输入进行有效控制。当热输入小于14.2kJ/cm时,焊缝组织以AF为主,只有少量PF分布在部分奥氏体晶界。当热输入大于17.6kJ/cm时,焊缝出现大量的块状PF和PSF组织,完全覆盖奥氏体晶界,AF含量下降。分析SHT1080/Q460高强钢接头两侧熔合区组织分布差异,对熔合区组织与裂纹萌生、扩展之间的联系进行讨论。熔合区可以分为半熔化区和未混合区两个部分,半熔化区由粗大的马氏体(M)和成羽毛状的贝氏体(B)组织组成;未混合区为PF和AF沿柱状晶界分布。SHT1080钢含有较高的Cr元素,由于Cr元素是铁素体形成元素,所以SHT1080侧熔合区形成的铁素体粗大,是造成冷裂纹偏向焊缝扩展的主要原因。Q460钢含有B、Ti、V等微量元素,合金含量高,一方面增加了半熔化区的淬硬性,生成了粗大的M和B,另一方面在未混合区形成大量的非金属夹杂物,促进形成高比例的AF,所以Q460侧半熔化区抗裂性能差。通过显微硬度测试对SHT1080/Q460接头热影响区两侧淬硬性进行研究,SHT1080侧最大硬度值388～259HV0.5,出现在距熔合线1mm左右的细晶区,Q460侧最大硬度值出现粗晶区,值为416～360HV0.5,为接头硬度最大值,硬度值均高于国际焊接学会(IIW)建议的最大硬度值280HV,说明Q460侧具有很高的淬硬性,因此Q460侧熔合区更容易失稳。

关键词：异种高强钢焊接裂纹 ·焊接热输入显微组织

热成形淬火对QP1180/22MnB5激光拼焊板组织与性能的影响

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精密成形工程 2024年第1期16卷 112-120页

作者：苏文超王金凤车亚军郭亿王晶湖北汽车工业学院材料科学与工程学院湖北十堰442002 东风汽车零部件(集团)有限公司湖北十堰442016 湖北长平汽车装备有限公司湖北十堰442000

目的对QP1180和22MnB5激光拼焊板进行热成形试验,以解决超高强钢板材焊后的软化问题。方法选择QP1180和22MnB5异种高强钢作为母材进行激光自熔焊,对焊后的激光拼焊板进行热成形试验,通过体式显微镜、扫描电子显微镜、液压拉伸试验机和... 详细信息

目的对QP1180和22MnB5激光拼焊板进行热成形试验,以解决超高强钢板材焊后的软化问题。方法选择QP1180和22MnB5异种高强钢作为母材进行激光自熔焊,对焊后的激光拼焊板进行热成形试验,通过体式显微镜、扫描电子显微镜、液压拉伸试验机和维氏硬度计等手段,分析热成形前后激光拼焊板微观组织和力学性能的变化。结果与焊态拉伸试样相比,热成形试样抗拉强度提高了135%,断后伸长率降低了55%,拉伸试样都在22MnB5母材处断裂,均为塑性断裂。在热成形后,对焊接接头进行组织分析,发现QP1180母材区马氏体含量增加,22MnB5母材区和临界热影响区组织由珠光体和铁素体转变为马氏体,焊接接头热影响区各亚区的组织均转变为大小不同的板条马氏体。硬度测试结果表明,焊态试样焊接接头的QP1180临界区存在软化现象,硬度值最低为335HV,22MnB5侧硬度值由母材处向焊缝升高,母材硬度最低为170HV;而在热成形后,QP1180临界区软化现象消失,硬度值趋于平缓,22MnB5母材处硬度比焊态试样硬度高了2倍。结论与焊态试样相比,经热成形后激光拼焊板的焊后软化问题得到了解决。

关键词：异种高强钢激光拼焊热冲压成形力学性能微观组织

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键条用高强钢与大尺寸管材的焊接工艺研究

江苏建筑职业技术学院学报 2021年第1期21卷 48-52页

作者：张继光苏陈付洋洋吴宜谨张金勇徐州徐工基础工程机械有限公司江苏徐州221004 中国矿业大学材料与物理学院江苏徐州221004

为解决当前结构复杂、尺寸较大的管材与键条的焊接工艺问题,结合某产品的零部件,采用调质后的35CrMo合金作为大尺寸管材,20CrMnTi和30CrMnTi合金作为键条,通过CO2气保焊,将其焊接到一起,通过拉伸试验、维氏硬度试验、冲击试验和光学显微... 详细信息

为解决当前结构复杂、尺寸较大的管材与键条的焊接工艺问题,结合某产品的零部件,采用调质后的35CrMo合金作为大尺寸管材,20CrMnTi和30CrMnTi合金作为键条,通过CO2气保焊,将其焊接到一起,通过拉伸试验、维氏硬度试验、冲击试验和光学显微镜(OM)等手段对焊缝力学性能和显微组织进行分析评估.研究结果显示:35CrMo与30CrMnTi融合区组织比35CrMo与20CrMnTi均匀,硬度变化比较小,塑性更好;35CrMo与20CrMnTi焊接后横向和纵向的力学性能相差不大,35CrMo与30CrMnTi纵向的拉伸力学性能明显高于横向力学性能,35CrMo与20CrMnTi焊接力学性能整体优于35CrMo与30CrMnTi.

关键词：异种高强钢焊接工艺力学性能