CN112222667A

CN112222667A - 一种高强度钢板的点焊接头及其制造方法

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Publication number: CN112222667A
Application number: CN202010927333.4A
Authority: CN
Inventors: 杨上陆; 王艳俊; 罗海文; 李硕硕
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 2020-09-07
Filing date: 2020-09-07
Publication date: 2021-01-15
Anticipated expiration: 2040-09-07
Also published as: CN112222667B

Abstract

本发明通过得到以下点焊接头来提高点焊接头的焊接质量，特别是接头的力学性能，所述点焊接头是通过使多块钢板搭接点焊而形成的点焊接头，其中所述钢板中的至少一块为锰含量为0.5％‑15％质量的高强度钢板，在焊点中心通过沿着钢板的板厚方向切开的截面内包括焊接母材、熔化区和热影响区，其中母材显微硬度为HV1，熔化区显微硬度为HV2，且0.8≤HV2/HV1≤1.2，所述方法为通过在点焊完成后进行一定温度和时间的保温处理，其中满足

使至少包括熔化区和热影响区的一部分区域马氏体内的碳原子再扩散距离达到2nm以上而得到上述接头。

Description

一种高强度钢板的点焊接头及其制造方法

技术领域

本发明涉及汽车领域中的一种高强度钢板的点焊接头以及制造方法。

背景技术

近年来，随着全球为了实现对温室气体排放和燃油消耗量的下降的要求，汽车轻量化成为汽车领域的一个重要发展方向。而为了实现汽车轻量化而又不丧失汽车安全性，越来越多的高强度钢板得以在汽车制造中应用。特别是随着钢铁技术的不断发展，兼顾生产成本和优良材料性能的第三代高强钢出现，其中包括锰含量相对较高的中锰钢。电阻点焊是汽车制造中应用最广泛的一种制造技术，但是中锰钢在进行电阻点焊往往出现焊接失效为界面失效，并且接头强度较低，无法满足使用要求。

文献1中公开了一种提高中锰钢点焊接头性能的方法，通过在主焊接后添加多个脉冲的方法，使焊接区由多层熔核来提高焊接接头强度。但是在实际应用中添加多个脉冲需要焊接设备保证每次脉冲时间和焊接电流的一致性是很困难的，而且文献中只是减少裂纹和内部缺陷的生生，并无法使接头熔核区组织发生根本性的改变，接头强度并未见报道提高。

文献2中公开了一种通过在正式通电之后，再通过比正式电流更高的电流进行通电的方法。文献3中公开了一种在正式通电之后使焊接压力增加再进行通电加热的方法来焊接高强钢。但是这些方法都存在着稳定性问题，并不能获得一致性较好的焊接接头。

目前已有的方法主要都是通过控制点焊过程中的焊接工艺，例如电流、压力等方法，均存在焊接质量不稳定的问题，而且均是针对普通的高强度钢，特别是当锰含量较高时并未见达到理想的焊接结果。

因此，本领域中缺少一种针对含锰量为0.5％-15％质量的高强度钢板电阻点焊接头以及制造方法来达到接头的高力学性能。

现有文献

专利文献1：CN109500483 A；

专利文献2：日本特开2010-115706号公报；

专利文献3：日本特开2010-149187号公报；

发明内容

本发明主要解决的问题是针对含锰量为0.5％-15％的高强度钢板在进行电阻点焊时内部容易出现缺陷、夹杂、裂纹，而在焊接失效时为界面失效，接头性能非常低的问题。

本发明提供以下方案：

提供一种点焊接头，其特点在于：所述点焊接头是通过多块钢板搭接点焊而形成的点焊接头，所述钢板中的至少一块为锰含量为0.5％-15％质量的高强度钢板，在焊点中心通过沿着钢板的板厚方向切开的截面内包括焊接母材、熔化区和热影响区，所述的焊接母材平均显微维氏硬度为HV1，且300≤HV1≤550，所述的熔化区平均显微维氏硬度为HV2，且0.8≤HV2/HV1≤1.2；所述热影响区的平均显微硬度为HV3，且0.5≤HV3/HV1≤1。

优选地，所述高强度钢其中至少一块的锰含量为4-12％。

优选地，所述熔化区马氏体的含量不小于90％。

优选地，所述的点焊接头内部具有碳化物析出物。

提供一种点焊接头的制造方法，其特点在于，所述方法包括以下步骤：

(d)使至少两块钢工件堆叠经电阻点焊而形成初始焊接接头，在焊点中心沿着钢板的板厚方向切开的截面内包括初始熔化区和初始热影响区；

(e)对初始焊接接头在温度T下热处理并保持时间t，使包括熔化区和热影响区内的一部分马氏体内的碳原子扩散距离达到2nm以上，所述温度T和时间t满足如下公式：

所述时间t的单位为秒；

(f)对热处理后的焊接接头进行冷却处理，直至在焊接接头中心沿着钢板的板厚方向切开的截面内包括焊接母材、熔化区和热影响区，其中母材平均显微维氏硬度为HV1，且300≤HV1≤550，所述的熔化区平均显微维氏硬度为HV2，且0.8≤HV2/HV1≤1.2；所述热影响区的平均显微硬度为HV3，且0.5≤HV3/HV1≤1。

优选地，所述高强度钢其中至少一块的锰含量为4-12％。

优选地，熔化区马氏体的含量不小于90％。

优选地，所述温度T为120-650摄氏度，保温时间t为1-60分钟。

优选地，所述热处理过程是在箱式电阻炉、井式电阻炉、气体渗碳炉和盐浴炉的任一种中完成的。

优选地，所述热处理过程中焊点接头内部具有碳化物析出。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过简单的热处理工艺可以稳定得到接头性能良好的焊点接头，相对现有技术焊点接头拉剪性能得到很大提高，而且方法简单、成本较低。

附图说明

图1所示为本发明所示的焊接示意图；

图2所示为本发明中所得最终焊接接头示意图；

图3所示为本发明中图2所示接头的放大图；

图4为使用本发明方法所得最终焊接接头的横截面图；

图5为使用和未使用本发明方法所得焊点截面的硬度分布比较图；

图6为使用本发明方法和未使用本发明方法所得焊点的力学性能比较；

表1为使用和未使用本发明方法时所得焊点最大力学性能比较。

附图标记：1—第一焊接电极；2—第二焊接电极；3a—第一金属工件；3b—第二金属工件；4—焊接接头；4a—接头热影响区；4b—接头熔化区；5a—接头母材区；5—熔化区内的马氏体；6—碳原子；7—结合界面；8—碳原子迁移方向；

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外，附图为示意图，因此本发明装置和设备的并不受所述示意图的尺寸或比例限制。

需要说明的是，在本专利的权利要求和说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

参考图1，其中1、2分别为第一焊接电极和第二焊接电极，由任何导电和导热材料制成，例如可由铜合金制成，包括铜铬(CuCr)合金、铜铬锆(CuCrZr)合金，添加氧化铝颗粒的铜合金或其他各种的可用作电极材料的铜合金。图中焊接接头是由3a、3b两块金属工件搭接而形成的焊接接头，其中至少一块为锰含量为0.5％-15％质量的高强度钢板，再进一步为锰含量为4％-12％质量的第三代高强钢—中锰钢。值得注意的是，接头也可以是由三块或以上的金属工件搭接而构成，其中至少一块为锰含量为0.5％-15％质量的高强度钢板，而3a、3b的厚度一般为0.3-3mm之间。4为由搭接组合件焊接而形成的焊接接头，如图2所示接头4包含母材5a以及焊接熔化区4a和热影响区4b。焊接熔化区4a主要是由马氏体所构成，其含量为不小于90％，而其余组织常见为冷却过程中的残余奥氏体成分。母材区5a的平均硬度为HV1，300≤HV1≤550；熔化区的平均硬度为HV2，且0.8≤HV2/HV1≤1.2，热影响区的平均显微硬度为HV3，且0.5≤HV3/HV1≤1。

首先对搭接的工件3a、3b进行普通的电阻点焊形成初始焊接接头，然后将该焊接接头置于一定温度范围内保温一定时间，其中温度T为120-650摄氏度；保温时间t为1-60min，且满足

(时间t单位为秒)，并在自然条件下冷却而形成最终的焊接接头4。

如图3所示为熔化区4a的局部放大图，其中5为马氏体，6为马氏体内的碳原子，经过焊接完成后的热处理工序，使马氏体内的碳原子6向马氏体的相互结合界面7扩展，扩展方向为8，其中碳原子的扩展距离至少达到2nm以上。

另外值得注意的是，上述提到的热处理过程可以是利用整体热处理或局部热处理的方法，例如将整个焊接件至于具有气体氛围的炉、液体氛围炉或是将其接头局部通过高频加热、感应加热等方式实现，一般地，所采用的热处理设备可以是箱式电阻炉、井式电阻炉、气体渗碳炉和盐浴炉的任一种，还包括例如汽车制造过程中的烘烤工艺，焊接完成后与点焊设备为一体的再加热装置，总之使接头置于满足上述条件具有一定温度的氛围中保持一定时间即可。

如图4所示为本发明中的一个实施例，其中焊接工件3a、3b均为1.5mm厚的第三代高强钢，其锰含量为7％，先对其进行电阻点焊，然后将其置于具有170摄氏度的温度气氛的热处理炉中保持20min而得到最终的焊接接头。如图4所示为接头的截面金相图。图5所示为经过热处理和未经过热处理的接头显微硬度，其中母材平均硬度为HV490，未经过热处理的熔化区的平均硬度值为HV520，波动范围HV500-540，经过热处理后的平均值为HV510，波动范围为HV460--500，可以看出经过热处理后熔化区的硬度发生明显的降低，使组织软化而具有更好的韧性，如图5所示为分别对经过热处理和未热处理时，接头抗拉剪性能，可以看出经过热处理后接头性能由原来的15000N提升到超过25000N，并且延伸率得到大幅提升，因此本发明可以充分的提升焊接接头性能。附表1所示为使用本发明所得焊点接头在不同的热处理条件下所得到的接头性能，其中热处理时间和温度满足

由下表可知，通过本发明可充分提高焊接接头性能。

编号	热处理温度℃	热处理时间min	最大拉剪力KN
				对比例	0	0	14.13
实施例1	170	1	17.75
				实施例2	170	5	18.35
实施例3	170	6	23.4
				实施例4	170	10	25.45
实施例5	170	20	25.71
				实施例6	170	60	27.15
实施例7	120	20	15.08
				实施例8	135	20	18.94
实施例9	250	20	27.68
				实施例10	350	20	17.85
实施例11	500	20	23.38
				实施例12	650	20	26.89

Claims

1.一种点焊接头，其特征在于：所述点焊接头是通过多块钢板搭接点焊而形成的点焊接头，所述钢板中的至少一块为锰含量为0.5％-15％质量的高强度钢板，在焊点中心通过沿着钢板的板厚方向切开的截面内包括焊接母材、熔化区和热影响区，所述的焊接母材平均显微维氏硬度为HV1，且300≤HV1≤550，所述的熔化区平均显微维氏硬度为HV2，且0.8≤HV2/HV1≤1.2；所述热影响区的平均显微硬度为HV3，且0.5≤HV3/HV1≤1。

2.如权利要求1所述点焊接头，其特征在于：所述高强度钢其中至少一块的锰含量为4-12％。

3.如权利要求1所述点焊接头，其特征在于：所述熔化区马氏体的含量不小于90％。

4.如权利要求1所述点焊接头，其特征在于：所述的点焊接头内部具有碳化物析出物。

5.一种点焊接头的制造方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(a)使至少两块钢工件堆叠经电阻点焊而形成初始焊接接头，在焊点中心沿着钢板的板厚方向切开的截面内包括初始熔化区和初始热影响区；

(b)对初始焊接接头在温度T下热处理并保持时间t，使包括熔化区和热影响区内的一部分马氏体内的碳原子扩散距离达到2nm以上，所述温度T和保温时间t满足如下公式：

所述时间t的单位为秒；

(c)对热处理后的焊接接头进行冷却处理，直至在焊接接头中心沿着钢板的板厚方向切开的截面内包括焊接母材、熔化区和热影响区，其中母材平均显微维氏硬度为HV1，且300≤HV1≤550，所述的熔化区平均显微维氏硬度为HV2，且0.8≤HV2/HV1≤1.2；所述热影响区的平均显微硬度为HV3，且0.5≤HV3/HV1≤1。

6.如权利要求5所述方法，其特征在于：所述温度T为120-650摄氏度，保温时间t为1-60分钟。

7.如权利要求5所述方法，其特征在于：所述热处理过程是在箱式电阻炉、井式电阻炉、气体渗碳炉和盐浴炉的任一种中完成的。

8.如权利要求5所述方法，其特征在于：所述热处理过程中焊点接头内部具有碳化物析出。