Resistance Spot Welding of AlSi-coated Ultra High Strength Steel : An experimental study

The automotive industry of today faces ever harder requirements from regulatory bodies to increase the fuel efficiency, reduce the carbon footprint and increase the safety of their vehicles. The problem is being tackled in different ways; one of them being the use of innovative materials to reduce the overall weight while improving the crash safety of the vehicle. One such material is 22MnB5, an ultra-high strength (UHS) boron-alloyed steel, capable of reaching tensile strength of 1900 MPa. The weldability is a vital factor for applying boron steel in an efficient way into a vehicle construction. Resistance spot welding (RSW) is, among the different welding methods, the primary joining methods used within the automotive industry. The main challenges with RSW of UHS boron steel is the narrow welding window and increased risk of expulsion compared to conventional automotive steel. The aim of this thesis was evaluating how the weldability of three-sheet UHS boron steel combinations could be improved by applying different innovative welding methods. The methods investigated where; three-pulsed welding, two-pulsed welding with force profile and using hollow-cone electrodes instead of regular electrodes. The different methods where evaluated with welding experiments and analysis of the nugget diameter, vicker hardness comparison and tensile strength test of welding nugget. The results from this thesis shows that the current window of three-sheet combinations with UHS boron steel can be significantly improved by using hollow-cone electrodes in RSW. The results also showed that the width of the current window varied depending on the depth of the hole in the electrode, a deeper hole improved the current window but also increased the oxide build-up. Applying a force profile with lowered electrode force during the welding sequence provided an improved process window compared to the constant electrode force when welding a three-sheet combination containing AlSi-coated boron steel. A three-pulse welding sequence performed better than the reference two-pulse welding schedule but still not good enough to meet VCC acceptance criteria. Bilindustrin står idag inför allt hårdare krav från tillsynsmyndigheter förbättra bränsleeffektiviteten, minska koldioxidavtrycket och öka säkerheten på deras fordon. Problemet angrips från ett flertal olika vinklar. varav en ökad användning av innovativa material för att minska den totala vikten samtidigt som fordonets kraschsäkerhet bibehålls eller ens förbättras. Ett sådant material är 22MnB5, ett höghållfast (UHS) borstål, kapabelt att uppnå brottgränser på 1900 MPa. Svetsbarheten är en vital faktor för att kunna applicera borstål på ett effektivt sätt i en fordonskonstruktion. Inom bilindustrin är motståndspunksvetsning (RSW) den dominanta svetsmetoden. De största utmaningarna med att punktsvetsa höghållfast AlSi-belagt borstål är det har ett generellt smalare svetsfönstren, samt den ökade risken för sprut under svetsprocessen, jämfört med konventionella stål. Målet med denna avhandling var att utvärdera hur svetsbarheten av tre-plåtskombinationer med höghållfast AlSi-belagt borstål kunde förbättras genom att applicera innovativa svetsmetoder. De utvärderade metoderna var; tre-pulsad svetsning, två-pulsad svetsning med applicerad kraftprofil, samt användning av ihåliga elektroder istället för vanliga elektroder. Metoderna utvärderades genom svetsexperiment och analys av svetslobens storlek, vicker hårdhets mätning samt brottgränsmätning av svetsloben. Resultaten från denna avhandling visar att svetsbarheten för tre-plåts kombinationer med UHS borstål kan förbättras avsevärt genom att använda ihåliga elektroder för punktsvetsning. Resultaten pekar också på att förbättringen beroende på hålets djup i elektroden. Ett djupare hål gav större förbättringar men ökade också uppbyggnaden av oxid och restmetall i elektroden. Genom att applicera en kraftprofil, där elektrodkraften sänktes under svetsprocessen kunde svetsbarheten förbättras för två-puls svetsning, jämfört med att ha konstant elektrodkraft, vid svetsning av en tre-plåtskombination innehållande höghållfast AlSi-belagt borstål. En tre-puls svetssekvens utförde bättre än referenspulssvetsschemat men fortfarande inte tillräckligt bra för att uppfylla VCC-acceptkriterierna