热镀锌双相钢DP780电阻点焊工艺

供稿|王亚东，王亚芬，张秀香，韩丹，杨天一，陈虹宇 / WANG Ya-dong, WANG Ya-fen,ZHANG Xiu-xiang, HAN Dan, YANG Tian-yi, CHEN Hong-yu

为了满足日益严格的环保法规要求，汽车制造商正在努力减轻汽车车身重量，因为车身越轻燃料消耗和气体排放就越低[1]。先进高强度钢拥有出色的强度，在更轻的车身重量需求下促使先进高强度钢正逐步替代传统碳钢。先进高强度钢，如双相钢、复相钢、相变诱导塑性钢及淬火配分钢等已广泛应用于汽车行业。在汽车车身制造中，焊装包括车身底板、侧围、车架、车身总成等部分，在焊接过程中大量采用电阻点焊工艺，车身上有数千个焊点，由于它们的性能会显著影响车辆的耐用性和耐撞性[2-4]，因此先进高强度钢的电阻点焊性能尤为重要，焊接裂纹、缩孔和飞溅等缺陷均会对点焊接头的机械性能产生不利影响。先进高强度钢焊接过程中其塑性温度区间较窄，与传统低碳钢相比，为获得同样的塑性变形需要较大的电极压力，因此导致焊接窗口变窄，工艺较难控制，容易出现焊接缺陷影响焊接性能[5-6]。先进高强度钢由于碳当量较高，熔核区快速冷却后组织基本为马氏体具有非常高的硬度，在拉伸剪切实验中，材料较高的屈服强度将会在点焊接头边缘产生更大的应力集中，完全钮扣断裂不容易发生，因此焊点机械性能测试过程中可能更容易产生界面或部分界面断裂模式。对于先进高强度钢即使出现这种类型的断裂模式，预期应用的焊接强度仍然可以达到[7-9]，但相对较低。传统的失效模式准则认为熔核直径大于临界值可确保焊接接头以完全钮扣断裂模式失效，临界值仅取决于焊接钢板的厚度，但对于先进高强钢临界熔核直径不仅取决于钢板厚度，还取决于失效部位硬度与焊点熔核硬度的比值，因此传统的失效准则已不足以对其电阻点焊性能进行评价。为了改善先进高强钢的失效模式，提高焊点机械性能，需要对淬火后的硬质马氏体进行软化处理。软化是由于在热影响区中形成回火马氏体，从而提高了焊点吸收能量的能力。为提高热镀锌双相钢DP780电阻点焊性能，在电阻点焊焊接循环后增加回火脉冲，本实验研究了回火脉冲电流和时间对点焊接头性能的影响。

实验材料与方法

实验材料采用C-Si-Mn成分体系设计的热镀锌双相钢DP780，适量添加微合金元素，具体化学成分见表1。使用中频直流电阻点焊机进行焊接，电极为端面直径6 mm的圆顶型电极，材质为铬锆铜。

表1 实验材料的化学成分(质量分数，%)

选择在单脉冲条件下，以拉伸剪切载荷最大且不会发生飞溅的焊接参数为基础增加回火脉冲，实验过程中电极压力固定为4.0 kN。实验中焊后间隔为500 ms，满足使焊点完全转变为马氏体所需的淬火时间。为避免由于水冷铜电极的存在及其淬火效应使点焊接头快速冷却，回火脉冲后的保持时间设置为0，以防止焊点的快速冷却，回火脉冲过程示意图如图1所示。图中，I1：点焊电流，8 kA；I2：回火脉冲，4/5/6 kA；t1：点焊时间，200 ms；t2：焊后间隔，500 ms；t3：脉冲时间，100/200/300 ms。

图1 增加回火脉冲过程示意图

拉伸剪切实验的样品：将长度150 mm、宽度50 mm的钢板以图2所示的方式搭接后进行焊接。在相同的焊接工艺参数条件下进行三次重复焊接，并分别测试拉伸剪切性能。为了在拉伸测试过程中保持对准，在每次测试中都使用由实验材料制造的垫片，其厚度与拉伸剪切实验的样品厚度相同。在电子万能实验机上进行拉伸实验，应变速率为8 mm/min，同时记录载荷-位移曲线，从中提取最大载荷并测量吸收能。

图2 拉伸剪切试样的形状(单位：mm)

通过线切割将焊点从中心切开，制备组织分析试样及硬度测试试样。在室温下进行机械抛光，然后用体积分数为4%的硝酸酒精溶液进行腐蚀并抛光，通过扫描电子显微镜观察微观结构，并分析经单脉冲及不同回火脉冲电流和时间处理后拉伸剪切性能变化。使用维氏显微硬度测试仪测量点焊接头硬度，测试载荷为9.8 N，保持时间为10 s。

实验结果与讨论

金相组织和硬度分析

电阻点焊接头的典型显微组织由三个区域组成，即母材、热影响区和熔核区，在本实验中母材由铁素体和马氏体组成，热影响区显微组织主要由铁素体和呈片状的马氏体组成，由于焊接过程中的热量输入，热影响区的晶粒尺寸要明显大于母材和熔合区的晶粒尺寸，熔核区主要由粗大的板条马氏体组成。图3为单脉冲及增加回火脉冲熔核区的显微组织。从图3可以看出熔核区的组织均由马氏体组成。从图3(b)可以看出，在增加回火脉冲后，组织得到明显的细化，增加回火脉冲之后熔核区的板条马氏体转变为回火马氏体，表现出比较明显的回火特征，马氏体中所含的碳在回火脉冲过程中扩散形成碳化物，当在热影响区中形成回火马氏体时，会发生热影响区软化现象。

图3 单脉冲及增加回火脉冲熔核区显微组织SEM照片

不同工艺下的接头硬度分布如图4所示。从图4可以看出随着回火脉冲电流和时间的增加，熔核区的显微硬度略有下降，在焊接过程中由于熔核区在高冷速下形成板条马氏体使得其显微硬度是母材的两倍多。同时，增加回火脉冲马氏体在一定程度上促进了热影响区进一步完成回火，不同工艺下热影响区均存在一定程度的软化。

图4 不同工艺下的接头硬度分布

力学性能

图5为不同工艺下拉伸剪切载荷及吸收能的变化情况，其中拉伸载荷和吸收能均为三次重复测试的平均值。从图5可以看出，当改变回火脉冲电流和时间时，接头的机械性能变化明显；回火脉冲电流为5 kA、时间为200 ms参数下点焊接头综合性能良好。因增加回火脉冲接头熔核区的马氏体组织得到了细化，因而接头硬度降低，在100和200 ms的回火脉冲时间下，脆硬倾向减小的同时，拉伸载荷明显提高，塑韧性提高，脆硬倾向减小[10]，但回火脉冲时间为300 ms时，回火程度加重导致拉伸剪切载荷较低。通常情况下硬度增加的同时伴随着强度的增加，但是，由于热影响区的脆性马氏体会造成韧性不足，导致界面断裂，因此硬度的增加并不一定导致拉伸强度增加。

图5 不同工艺下拉伸剪切载荷及吸收能变化曲线

结束语

(1)单脉冲条件下，熔核区组织为硬而脆的粗大板条马氏体，增加回火脉冲后，熔核区组织得到细化。

(2)拉伸载荷随着回火脉冲时间的增加而降低，单脉冲条件下拉伸载荷较低且韧性差，随着回火脉冲时间的增加，塑韧性提高，脆硬倾向减小。

(3)回火脉冲电流为5 kA、时间为200 ms参数下点焊接头综合性能良好。