600MPa級高AI冷軋雙相鋼的點焊工藝研究

龔 濤，繆 凱，王 輝，黃治軍，林承江，胡家國

(武漢鋼鐵(集團)公司 研究院，湖北 武漢 430080)

焊接工藝

600MPa級高AI冷軋雙相鋼的點焊工藝研究

龔 濤，繆 凱，王 輝，黃治軍，林承江，胡家國

(武漢鋼鐵(集團)公司 研究院，湖北 武漢 430080)

基于600 MPa級高Al冷軋雙相鋼WHT600DP的點焊工藝和力學性能試驗，以及接頭的宏觀金相分析，研究了焊接電流、焊接時間等工藝參數變化對點焊接頭壓痕深度、焊核直徑、焊透率以及拉剪強度等性能指標的影響規律，進而得到了WHT600DP鋼的焊接工藝窗口圖。研究結果表明：在焊接時間變化較大的情況下，WHT600DP鋼的可焊電流范圍均大于3 kA，而且在較大的焊接電流范圍(平均2.0 kA)內，焊點熔核直徑均大于6.0 mm。此外，相對于普通低碳鋼，WHT600DP鋼的焊接工藝窗口略向低電流方向偏移。

高Al雙相鋼；電阻點焊；焊接規范

0 前言

隨著全球環境和能源危機的日益加劇，節能減排逐漸成為新一代轎車設計和制造面臨的重要問題。減輕汽車自身質量是降低燃油消耗和溫室氣體排放的最有效措施，汽車輕量化不僅是提高汽車動力性、舒適性和競爭力的必須，同時也是社會發展的需要。在這一理念的引導下，高強度汽車板的研究開發逐漸成為汽車板發展的熱點和主要方向，除了普通高強鋼外，DP鋼、TRIP鋼、MART鋼、TWIP鋼及熱成形鋼等強度大于550 MPa的先進高強鋼(AHSS)也陸續開發成功[1-2]。這類鋼板具有高的減重潛力、高的碰撞吸收能、高的疲勞強度、高的成形性和低的平面各向異性等優點，應用前景良好。

低成本、高效率的電阻點焊方法是車身裝配的重要工藝之一，主要應用在車身底板、側圍、車架、車頂、車門和車身總成等部分的裝配焊接中，約占車身裝配90%的工作量。因此，點焊性能的好壞在很大程度上影響著先進高強鋼在汽車制造領域的應用。先進高強鋼通常因為碳含量和合金元素含量較高而影響可焊性，在焊接中容易出現熱影響區軟化和焊點界面斷裂等問題[3－4]。因此，先進高強鋼的焊接技術一直被汽車廠商密切關注，成為國內外焊接學術界和工程人士所關注的研究課題[5－6]。

在此對武鋼開發的600 MPa級高Al冷軋雙相鋼WHT600DP的電阻點焊工藝進行了研究，探討焊接工藝參數變化對點焊接頭性能的影響規律，進而確定WHT600DP鋼的焊接工藝窗口，并對WHT600DP的焊接工藝適應性進行了分析。

1 試驗材料及設備

1.1 試驗材料

高Al冷軋雙相鋼WHT600DP的化學成分和力學性能如表1、表2所示。該鋼種在成分設計上以C、Mn為強化基礎，采用封閉奧氏體相區的元素Al代替傳統雙相鋼中主要成分Si，并添加少量其他合金元素，保證鋼種具有優良的力學性能。試驗用鋼板厚度為1.4 mm。

表1 WHT600DP化學成分 %

表2 WHT600DP力學性能

1.2 試驗設備及試驗方法

點焊機型號TZ－3×40，為三相次級整流直流焊機；采用DEP－100S編程器設置焊接參數。本研究采用單脈沖規范進行點焊工藝試驗。

采用線切割將點焊焊件沿過焊點中心的直線切割斷面，隨后將焊點斷面試片經鑲嵌后進行研磨，用10%硝酸酒精溶液進行腐蝕，在低倍電鏡下測量焊點的熔核直徑和焊透率。用尖頭千分尺測量試樣的壓痕深度。

點焊接頭強度一般采用拉伸剪切強度(TSS)和十字拉伸強度(CTS)來評定。本研究主要對焊點的拉伸剪切強度(TSS)進行研究。拉剪試樣的制備按照JIS Z3136中的規定，試樣尺寸40mm×125mm×1.4mm。拉伸剪切試驗按照JIS Z 2241規定的裝置和方法進行。按規定的夾持間隔(100 mm)把試片夾在試驗機上，以10 mm／min速度逐漸拉伸，直至試片斷裂，測量到試片斷裂時止的最大拉伸載荷。

2 結果與討論

2.1 焊接電流對焊點質量的影響

通過前期正交試驗，綜合考慮焊點表面質量和力學性能，選擇工藝試驗的電極壓力為4.5 kN。為考察焊接電流對焊點質量的影響，分別設定焊接時間為200 ms、300 ms、400 ms，在每組焊接時間下，分別測量不同焊接電流下點焊接頭的壓痕深度、焊核直徑、焊透率和拉剪強度，并對試驗數據進行非線性回歸分析，從而得出接頭特性隨焊接電流變化的規律曲線，如圖1所示。

從圖1中可以看出，焊點的熔核直徑、焊透率以及拉剪強度隨焊接電流的變化規律基本相似，即隨著焊接電流的逐漸增加，焊點的熔核直徑、焊透率和拉剪強度都呈現出上升趨勢，當達到最大值以后，如果繼續增加焊接電流，上述指標又開始下降。產生這種現象的原因主要是：當焊接電流較小時，隨著焊接電流的增加，焊接的熱輸入量逐漸增大，焊件接觸面金屬熔化的效率更高，這使得熔核直徑增加，試樣在厚度方向上的焊透率也增大，焊點的拉剪強度等力學性能顯著提高。而當焊接電流過大時，電流的增加容易導致焊點內部的熔融金屬過熱，熔核的生長速度超過了約束熔核的塑性環的生長速度，熔融金屬容易噴出產生飛濺，使得熔核直徑變小，焊透率下降，同時焊點內部產生縮孔、裂紋等缺陷，影響焊點質量，從而降低了焊點的力學性能。

此外，通過對比還可以發現：焊點的壓痕深度隨焊接電流的變化規律與其他三個指標明顯不同，即隨著焊接電流的增大呈現出近似線性增加的趨勢。這主要是因為隨著焊接電流的增加，焊點中熔融金屬的范圍逐漸增大，熔核周圍軟化區的范圍也相應擴大，這使得在壓力作用下電極壓入更加容易，尤其是隨著電流過大產生飛濺，一部分熔融金屬被擠出熔核，焊點的壓痕深度增加更為顯著。

2.2 焊接時間對焊點質量的影響

為研究焊接時間對焊點質量的影響，在焊接電極壓力4.5kN下分別選取焊接電流為10.5kA、8.5 kA、7.5 kA，在每組焊接電流下分別測量不同焊接時間下點焊接頭的壓痕深度、熔核直徑、焊透率以及拉剪強度，并對試驗數據進行非線性回歸分析，從而得出接頭特性隨焊接時間變化的規律曲線，如圖2所示。

圖1 焊點壓痕深度、熔核直徑、焊透率及拉剪強度隨焊接電流的變化規律

焊接時間對焊點壓痕深度、熔核直徑以及拉剪強度的影響規律與焊接電流相似。從圖2中可以看出，隨著焊接時間從200 ms增加到400 ms，焊點壓痕直徑、熔核直徑以及拉剪強度的增加幅度明顯變緩。這是因為隨著焊接時間的增加，焊點的熱輸入量變大，與增加焊接電流具有相似的效果；而當焊接時間過長，焊點熱輸入量過大時，容易出現壓痕深度過深、飛濺等現象，將會影響焊點的質量。

此外，焊點的焊透率隨焊接時間的變化規律與其他三個指標稍有差別，即隨著焊接時間的延長，焊點焊透率只是緩慢增加，而且增加的幅度很小。這是因為電極的強制冷卻作用使得熔核在板厚方向的生長速度要明顯慢于直徑方向，因此焊透率隨焊接時間的增長速度要明顯慢于熔核直徑。

2.3 合理的焊接工藝規范

通過研究焊接工藝參數對焊點質量的影響，綜合考慮焊點壓痕深度、焊核直徑等影響焊點質量的因素，選取4.5 kN為最佳電極壓力，確定WHT600DP的焊接工藝窗口如圖3所示，熔核直徑5.0 mm為JIS Z3140要求達到的最小值，6.0mm為JIS Z3140要求達到的熔核直徑平均值。

從圖3可知，在焊接時間變化較大時，WHT600DP鋼的可焊電流范圍均大于3 kA，而且在較大的焊接電流范圍(平均2.0 kA)內，焊點熔核直徑均大于6.0 mm，說明該鋼種具有良好的焊接工藝適應性。此外，相對于普通低碳鋼，WHT600DP鋼的焊接工藝窗口略向低電流方向偏移，即在較低的焊接電流下就能獲得質量良好的焊點，這與WHT600DP鋼較高的電阻率有一定的關系。

3 結論

(1)系統研究了600MPa A級高Al冷軋雙相鋼的WHT600DP點焊工藝，得到了焊接電流和焊接時間對壓痕深度、熔核直徑、焊透率以及拉剪強度等焊點性能的影響規律。

(2)通過研究WHT600DP鋼的焊接工藝窗口發現，WHT600DP鋼具有良好的焊接工藝適應性，可焊電流范圍大于3 kA，而且在較大的焊接電流范圍(平均2.0 kA)內，焊點熔核直徑均大于6.0 mm。

圖2 焊點壓痕深度、熔核直徑及拉剪強度隨焊接時間的變化規律

圖3 焊接工藝窗口

(3)該項研究對于實際生產中制定合理的焊接規范，保證點焊質量具有重要意義。

[1] Zrnik J.Recent progress in high strength low carbon steels[J].METALURGIJA，2006，45(4)：323－331.

[2]Youichi MUKAl.Development of New High-strength Steel Sheets for Automobiles[J].Kobe Steel Engineering，2005，55(2)：30－35

[3] Marya M，Gayden X Q.Development of requirements for resistance spot welding dual phase(DP600)steels[J].Welding Journal，2005(11)：172－182.

[4] Marya M，Gayden X Q.Development of requirements for resistance spot welding dual phase(DP600)steels[J].Welding Journal，2005(12)：197－204.

[5]高建紅，王 敏，伍青青，等.TRIP590高強鋼板的點焊工藝性能研究[J].電焊機，2008，38(11)：27－31.

[6]徐士航，王 敏，施天寅，等.DP590GA熱鍍鋅雙相鋼電阻點焊接頭性能[J].電焊機，2009，39(10)：70－73.

Research on resistance spot welding technology for 600 MPa high aluminum dual phase steel

GONG Tao，MIAO Kai，WANG Hui，HUANG Zhi-jun，LIN Cheng-jiang，HU Jia-guo
(Research and Development Center，Wuhan Iron＆Steel(Group)Corp.，Wuhan 430080，China)

The effects of welding parameters on the weld qualities for 600 MPa high aluminum dual phase steel WHT600DP were revealed，such as press depth，nugget diameter，penetration rate and tensile shear strength，based on the welding experiment，mechanical test and macroscopic metallurgical analysis.The weld lobe diagram of WHT600DP was also plotted.The results show that a minimum 3 kA weld lobe current range can be met under a large variety of welding time and the nugget diameter is larger than 6 mm in a large weld lobe current range of about 2 A.Moreover，the welding lobe diagram of WHT600DP moves slightly to the lower current in contrast to the mild steel.

high aluminum dual phase steel；resistance spot welding；welding parameters

TG453+.9

A

1001-2303(2011)04-0065-04

2010-12-04

龔 濤(1979—)，男，湖北張家界人，工程師，博士，主要從事汽車車板焊接技術的研究工作。