高强度钢22MnB5螺母凸焊的储能焊工艺特性研究

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螺母凸焊是汽车焊装工艺中的一项关键技术,其焊接质量的好坏与稳定性的高低直接影响产品质量、零件装配精度乃至整车的可靠性与安全性,因此,研究汽车钢板螺母凸焊工艺具有重要的应用价值与工程意义。本文以M8六角法兰焊接螺母和高强度钢22MnB5为研究对象,根据螺母凸焊的生产现状与焊接质量问题,研究了螺母凸焊工艺的储能焊工艺特性,为解决汽车钢板螺母凸焊质量不稳定的焊接难题,提供了一种较为可靠的方法与途径。本文研究了焊接参数对螺母凸焊接头力学性能与熔核尺寸的影响,结果表明,随着电极压力的增大,螺母顶出力与熔核尺寸呈现先增大后减小的趋势;随着焊接电压的增大,螺母顶出力与熔核尺寸呈现先增大后减小的趋势;随着电容容量的增大,螺母顶出力与熔核尺寸呈现增大趋势,电容容量对焊接时间有直接影响,当电容容量不小于36 mF时,焊接时间达到饱和时间26 ms。焊接参数推荐范围为电极压力等于11 kN~13 kN、焊接电压等于390 V~420 V、电容容量等于36 mF~40 mF。分析了典型螺母凸焊接头显微组织结构特点,结果表明,接头区域可分为熔核区(FZ)、热影响区(HAZ)与母材区(BM),22MnB5钢板侧热影响区可细分为完全淬火区(HAZ1)与不完全淬火区(HAZ2)。熔核区组织均为粗大的板条状马氏体,熔核中心线附近存在未熔Al-Si涂层,螺母侧热影响区由铁素体、细小马氏体以及絮状珠光体组成,22MnB5钢板侧完全淬火区由细小马氏体组成,不完全淬火区由铁素体与贝氏体组成,不完全淬火区韧性、强度与硬度都较低,是凸焊接头组织的一个薄弱区域。研究了螺母凸焊接头断裂模式、断裂机制及断口形貌特征,结果表明,凸焊接头存在三种断裂模式,即界面断裂、部分熔核拔出断裂与完全熔核拔出断裂,其中界面断裂表现出微弱的韧性断裂特征,未熔的Al-Si涂层是造成界面断裂的主要原因,裂纹沿着熔核中心线扩展,直至贯穿整熔核;部分熔核拔出断裂不同区域具有不同的断裂形式,包括准解理断裂、解理断裂与韧性断裂,断裂形式呈现出明显的过渡态特征,裂纹沿着不完全淬火区或不完全淬火区与钢板母材区的交界面扩展,之后在某一位置突然撕裂并形成残留空穴;完全熔核拔出断裂方式为沿晶脆性断裂,裂纹沿着不完全淬火区或不完全淬火区与钢板母材区的交界面不断扩展,并转向钢板底部,直到拉穿板材。采用多元回归法,并通过遗传算法优化,建立了焊接参数对焊接质量影响的三元三次非线性回归数学模型,从显著性F检验、相关性检验、试验验证等不同角度对模型的可信度进行了检验,结果表明,模型具有较高的可信度。基于ANSYS对螺母凸焊过程进行了有限元数值模拟,结果表明,预压阶段最大等效接触应力出现在贴合面的两端位置,最小等效接触应力出现在贴合面的中部位置;通电阶段最高温度始终出现在贴合面上,通电阶段第一阶段主要发生弹塑性变形,可视为凸点压溃阶段,第二阶段是熔核形成与长大阶段,通电结束后,形成的熔核深度大约为0.93 mm,与真实试验结果相差不大,表明数值模拟结果具有一定的可信度。
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