НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

УДК 621.791.763

Россия, МГТУ им. Н.Э. Баумана

jastreb777@gmail.com

Введение

Тенденция повышение прочности конструкций и одновременно пассивной безопасности автомобилей привела к появлению новых высокопрочных материалов. Но даже сегодня сталь является основной составляющей при создании каркаса безопасности. Повышенный спрос к таким материалам со стороны автомобилестроения привел к появлению большого многообразия проката на мировом рынке (рис.1).

Рис. 1. Классификация автосталей [1].

Каждый тип проката имеет свои особенности и используется лишь при изготовлении деталей с узко заданными эксплуатационными свойствами. Особое внимание на сегодняшний день уделяют вопросам сварки высокопрочных материалов, одним из представителей которых является сталь с остаточным аустенитом, известная в международной практике как TRIP (TransformationInducedPlasticity) – сталь. Эта сталь имеет многофазную структуру, состоящую из феррита, бейнита, остаточного аустенита и мартенсита (рис. 2).

Рис. 2. Типовая микроструктура TRIP-стали [2].

Главной особенностью данного материала является наличие TRIP-эффекта, который проявляется в трансформации кубической гранецентрированной решётки аустенита в объемно-центрированную решётку мартенсита в результате коллективного сдвига плоскостей при приложении нагрузки. Описанный эффект сопровождается повышением прочности и пластичности материала и позволяет эффективно поглощать энергию удара. Поэтому эта сталь востребована при изготовлении элементов каркаса безопасности, которые отвечают за защиту пассажиров от бокового и лобового удара. Примерами таких элементов являются передние и средние боковые стойки автомобиля. Стойки изготавливают из штампованных деталей, которые соединяют между собой и с другими элементами каркаса с помощью контактной сварки.

В отечественной практике также существуют стали с TRIP-эффектом, так называемые ПНП (Пластичность Наведённая Превращением) - стали. В качестве примера можно привести 30Х9Н8М4Г2С2 и 25Н25М4Г1. Но широкого применения отечечтвенные ПНП-стали не получили в связи с их высокой степенью легирования, необходимостью использования мощного оборудования для деформации при сравнительно низких температурах и трудности сварки [3].

Современные TRIP-стали изготавливаются с добавлением марганца (до 2,5 %), кремния (до 2,2 %) и/или алюминия (до 2,0 %) в качестве основных легирующих элементов с целью контроля процесса трансформации. Содержание углерода для улучшения свариваемости составляет не более 0,3 % [1, 4]. Получение многофазной структуры достигается путём использования контролируемой прокатки. В связи с появлением на рынке современных TRIP-сталей, обладающих хорошей штампуемостью, менее легированных, чем их предшественники, стала актуальна задача использования новых и совершенствования традиционных технологий сварки.

В статье рассматривается контактная точечная сварка низкоуглеродистой среднелегированной оцинкованной стали HCT690T+Z, производимой металлургическим концерном Voestalpine. Химический состав и механические свойства приведены в табл. 1 и 2 соответственно.

Таблица 1

Химический состав стали HCT690TD+Z

Таблица 2

Механические свойства стали

Обзор литературных данных [5, 6, 7, 8, 9] и предварительные эксперименты показали, что данная сталь склонна к закалке при любом одноимпульсном режиме контактной сварки и при испытаниях одноточечных соединений наблюдают обычно хрупкое граничное разрушение[5, 6]. Изготавливаемые из этой стали детали отвечают за пассивную безопасность в автомобиле в момент соударения, поэтому важно сохранить в полной мере все эксплуатационные свойства элементов пассивной безопасности, слабыми местами в которых являются места соединения деталей между собой и другими элементами каркаса. В связи с этим целью данной работы является повышение пластичности при сохранении прочностных свойств сварных соединений в элементах каркаса безопасности, выполненных из TRIP-стали.

            Одним из путей достижения поставленной цели является использование дополнительного импульса подогрева и оптимизация его параметров. Применение высокоскоростной термической обработки в электродах контактной машины посредством пропускания электрического тока через сварную точку на стадии охлаждения с определенной паузой между основным и подогревающим импульсом позволит смягчить структуру литой зоны и повысить пластичность. Повышение пластичности в этом случае будет обеспечено за счет частичного распада мартенсита уже на стадии нагрева, которое сопровождается изменением его тетрагональности за счёт выделения углерода по границам зерен в виде карбидов, в частности в виде цементита. При этом температуры, достигаемые при нагреве дополнительным импульсом тока, не должны превышать начала фазового перехода в аустенит, чтобы не вызвать повторной закалки при охлаждении, скорость которого даже с использованием дополнительного импульса подогрева остаётся выше критической.

Методы исследований

Эксперименты по контактной точеной сварке проводились на инверторной машине типа PPN 135 с выпрямлением тока во вторичной цепи. Параметры режима устанавливались с помощью программы PegasusVersion 1.2r10. Для сварки использовались электроды ISO 5821-F1-16-20-50-5,5 из сплава БрХЦр. Испытания сварных соединений на срез и отрыв проводил на машине ZwickZ250 с программой управления TestXpertII, а измерения твёрдости - на Micro-Duromat 4000E.

Результаты исследований и их обсуждение

В соответствии с выбранной концепцией повышения пластичности были проведены эксперименты с использованием двухимпульсного режима сварки по циклограмме, представленной на рис. 3.

Рис. 3. Циклограмма процесса контактной сварки с термообработкой в электродах контактной машины.

Прежде чем были оптимизированы и исследованы параметры термообрабатывающего импульса: время дополнительного подогрева t_доп, ток дополнительного подогрева I_доп, а также время паузы между импульсами t_п – были подобраны параметры основного сварочного импульса, обеспечивающие необходимые минимальные размеры литого ядра в соответствии с ГОСТ 15878-79. При подборе параметров сварки учитывалось не только достижение необходимых прочностных свойств, но и обеспечение минимального выгорание цинка с поверхности сварного соединения.. В результате подбора параметров сварочного импульса необходимая сила тока составила I_св = 9,0 кА, время его действия  t_св= 0,2 с и сила сжатия электродов F_св = 7 кН. Время предварительного сжатия деталей t_ни время проковки t_н составили 0,5 с.

На первом этапе исследований была проведена оптимизация длительности паузы t_п. При этом во всех опытах сила тока термообработки I_доп = 5,0 кА и время t_доп = 0,8 с устанавливались в соответствии с рекомендациями [10,11,12,13]. Было проведено 5 серий опытов, в каждой из которых длительность паузы t_п варьировалась от 0,2 с до 1 с с шагом 0,2 с.

Оценка степени влияния t_п на отпуск сварной точки проводилась по результатам измерения микротвёрдости HV 0,1 (с шагом измерения более трёх диагоналей отпечатка) металла поперечных шлифов зоны сварки и механических испытаний одноточечных образцов на срез в соответствии с ENISO 14273-2001. Результаты измерений приведены на рис. 4.

Рис. 4. Микротвёрдость литой зоны и прочность сварных соединений на срез в зависимости от времени паузы t_p.

Из диаграммы рис. 4 видно, что с увеличением времени паузы изменяется прочность и твёрдость. Со временем паузы t_п ≥ 400 мс литое ядро охлаждается до температуры начала мартенситного превращения, что приводит к образованию частичной или полной мартенситной структуры, отпуск которой происходит во время действия второго импульса тока. О чём свидетельствует снижение твёрдости в литой зоне с 500 до 350HV в интервале значений паузы t_п = 400-800 мс. Дальнейшее увеличение паузы (1000 мс) приводит к повышению твёрдости, что связано с большим охлаждением металла ядра к моменту включения второго импульса тока и недостаточному нагреву этой зоны.

Дальнейшие эксперименты проводил с оптимальным временем паузы t_п=0,7 c, которое позволяет сохранить достаточно высокую силу на срез одноточечного соединения и одновременно повысить пластичность соединения (рис. 5).

Рис. 5. Диаграмма испытания одноточечных образцов при варьировании времени паузы

На втором этапе проводилась оптимизация величины тока дополнительного нагрева при фиксированной оптимальной паузе t_п. Ток дополнительного нагрева изменялся в пределах от 0,4 до 0,9 I_св. Результаты механических испытаний семи серий образцов показывают на возможность достижения оптимальной пластичности для данной стали при варьировании силы тока дополнительного нагрева в указанных пределах (рис. 6).

Рис. 6. Микротвёрдость литой зоны и прочность сварных соединений на срез в зависимости от тока дополнительного нагрева I_доп.

При силе тока I_доп равной 3,6 кА (0,4 I_св) не наблюдается существенного изменения микротвёрдости литого ядра и силы на срез по отношению к сварному соединению, сваренному одним импульсом тока без термообработки в электродах контактной машины. Увеличение тока I_доп до 4,5 кА (0,5 I_св) приводит к существенному снижению микротвёрдости сварного соединения c 500 HV до 400 HV при сохранении величины силы разрушения на срез, что свидетельствует о состоянии отпуска сварной точки и повышении пластичности соединения. Дальнейшее увеличение силы тока до 5,4 кА приводит к резкому падению механических свойств сварного соединения (разрушающая сила на срез снижается на 27 %). Это связано не только с отпуском литой зоны до 400 HV, но и существенным понижением микротвёрдости зоны термического влияния до 300-350 HV. I_доп ≥ 6,3 кА вызывает повышение твёрдости литого ядра и существенное повышение разрушающей силы при испытаниях на срез одноточечных образцов, что связано с частичным или полным расплавлением сварной точки, увеличением её диаметра с 5,6 до 6,9 мм при повышении силы тока дополнительного нагрева с 6,3 до 8,1 кА, а также с остыванием при скоростях выше критической скорости образования мартенсита для данной стали.

При проведении механических испытаний на отрыв с оптимальными параметрами (t_п=700 мс; I_доп=5,0 кА; t_доп=800 мс) высокоскоростной термической обработки в электродах контактной машины было установлено повышение силы отрывы не менее, чем в 1,5 раза по сравнению с образцами, сваренными одним импульсом тока (см. табл. 3)

Таблица 3

Среднее значение сил среза и отрыва сварной точки

Заключение

1.     Высокоскоростная термическая обработка в электродах контактной машины позволяет повысить пластичность сварного соединения не менее чем в 1,5 раза с сохранением разрушающей силы среза и увеличением разрушающей силы отрыва не менее чем в 1,5 раза.

2.     При подборе оптимальных параметров для термической обработки необходимо руководствоваться не только значением микротвёрдости, но и механическими показателями качества, такими как сила среза, сила отрыва и их отношение.

Список литературы

1.               Шахпазов Е.Х., Родионова И.Г. Развитие проката повышенной прочности для автомобилестроения // Проблемы черной металлургии и материаловедения. 2007. № 1. С. 47-52.

2.               Advanced High Strength Steel (AHSS) Application Guidelines Version 3. International Iron & Steel Institute. Committee on automotive applications, 2006.

3.               ЛахтинЮ.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение. 1990. 528 с.  

4.               Смирнов И.В. Сварка специальных сталей и сплавов: учеб. пособие. 2-е изд., испр. и доп. СПб.: Издательство «Лань», 2012. 272 с. (Учебник для вузов. Специальная литература).

5.               Shi G., Westgate S.A. Techniques for improving the weldability of TRIP steel using resistance spot welding // 1^st International Conference Super-High Strength Steels. Rome, Italy, 2-4 November 2005.

6.               Khan M.I., Kuntz M.L., Zhou Y. Effects of weld microstructure on static and impact performance of reistance spot welded joints in advanced high strength steels // Science and Technology of Welding & Joining. 2008. Vol. 13, № 3. P. 294-304.

7.               Khan M.I., Kuntz M.L., Biro E., Zhou Y. Microstructure and Mechanical Properties of Resistance Spot Welded Advanced High Strength Steels // Materials transaktions .The Japan Institute of Metals and Materials, 2008. Vol. 49, № 7. P. 1629-1637. http://dx.doi.org/10.2320/matertrans.MRA2008031

8.               Maggi S., Scavino G. Fatigue characterization of automotive steel sheets // 11th   international Conference on Fracture. Vol. 1. Torino, Italy, 2005. P. 522-1-522-6.

9.               Ohse P. Versagensverhalten von Widerstandspunktpunkt-Schweißverbindungen höherfester Stahlwerkstoffe : Dissertation… Dr.-Ing. Technische Universität Aachen, 2008. 158 s.

10.            Технологияиоборудованиеконтактнойсварки: учебникдлямашиностроительныхвузов / Б.Д. Орлов, А.А. Чакалев, Ю.В. Дмитриевидр.; под общ ред. Б.Д. Орлова. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1986. 352 с.

11.            Сварка. Резка. Контроль: Справочник. В 2 т. Т. 1 / Н.П. Алешин, Г.Г. Чернышов, Э.А. Гладков и др.; под общ. ред. Н.П. Алёшина, Г.Г. Чернышова. М.: Машиностроение, 2004. 624 с.

12.            Чулошников П.Л. Точечная и роликовая электросварка легированных сталей и сплавов. М.: Машиностроение, 1968. 200 с.

13.            Гуляев А.И. Технология точечной и рельефной сварки сталей (в массовом производстве). М.: Машиностроение, 1978. 246 с.