DP780雙相鋼電阻點(diǎn)焊接頭的顯微組織和力學(xué)性能

張 建，吳青松，鄭江鵬，黃治軍

（1.武漢鋼鐵（集團(tuán)）公司研究院，武漢430080；2.華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢430074）

0 引 言

隨著國民生活水平的大幅提高，汽車需求量逐年攀升，在全球面臨能源匱乏和環(huán)境污染的嚴(yán)重形勢(shì)下，輕量化成為汽車發(fā)展的主要方向。高強(qiáng)鋼板在汽車上的應(yīng)用既可以減輕汽車車身質(zhì)量，同時(shí)又可以節(jié)約燃料，成為在保證汽車安全性前提下實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的首選材料［1-2］。與其它高強(qiáng)鋼相比，在鐵素體基體上分布著馬氏體的雙相鋼以較高的強(qiáng)度、伸長率和初始加工硬化速率等特性，迅速發(fā)展成為當(dāng)今汽車制造業(yè)最有前景的輕量化材料之一［3-4］。

電阻點(diǎn)焊方法具有焊接變形小、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車薄板的焊接中。汽車制造中90%以上的裝配工作量由電阻點(diǎn)焊完成，點(diǎn)焊質(zhì)量的好壞將直接影響汽車的性能。雙相鋼由于強(qiáng)度增高，合金元素含量增加，比普通低碳鋼板的焊接更加困難［5-7］。我國汽車產(chǎn)業(yè)在雙相鋼板的電阻點(diǎn)焊技術(shù)應(yīng)用方面起步較晚，隨著該技術(shù)應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，研究雙相鋼板的點(diǎn)焊接頭性能具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，點(diǎn)焊研究主要集中在600MPa級(jí)的雙相鋼板上，而對(duì)于更高級(jí)別的雙相鋼的點(diǎn)焊研究相對(duì)較少。因此，作者采用電阻點(diǎn)焊對(duì)DP780高強(qiáng)度汽車用冷軋雙相鋼板進(jìn)行了焊接試驗(yàn)，研究了點(diǎn)焊接頭的顯微組織和力學(xué)性能，為雙相鋼點(diǎn)焊工藝確定提供參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為2.0mm厚的DP780高強(qiáng)度汽車用冷軋雙相鋼板，其化學(xué)成分如表1所示，其拉伸性能如表2所示。先將雙相鋼板用酒精超聲清洗后烘干，然后采用DBZ-160型中頻點(diǎn)焊機(jī)進(jìn)行焊接，采用球面型電極，其端部直徑為8mm；焊接工藝參數(shù)如表3所示。

表1 DP780雙相鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of DP780 dual-phase steel（mass） %

表2 DP780雙相鋼的拉伸性能Tab.2 Tensile properties of DP780dual-phase steel

表3 不同點(diǎn)焊焊接參數(shù)下的焊接現(xiàn)象和點(diǎn)焊接頭的拉剪斷裂方式Tab.3 Welding phenomenon and tensile fracture mode of spot welded joint at different spot welding parameters

采用精度為0.02mm的電子讀數(shù)游標(biāo)卡尺測(cè)量焊點(diǎn)熔核的尺寸；采用Z050型電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉剪試驗(yàn)，試樣尺寸為2mm×40mm×160mm，拉伸速度為1mm·min-1；采用AAV-502型顯微硬度計(jì)測(cè)點(diǎn)焊接頭不同區(qū)域的顯微硬度，加載載荷為200N，加載時(shí)間為15s；采用OLYMPUS-GX71型光學(xué)顯微鏡觀察點(diǎn)焊接頭的顯微組織。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 點(diǎn)焊質(zhì)量

由表3可知，DP780雙相鋼板較佳的點(diǎn)焊工藝參數(shù)為：焊接電流9～10.5kA，焊接時(shí)間320～400ms，焊接壓力5kN。當(dāng)焊接電流超過10.5kA或焊接時(shí)間超過400ms時(shí)，點(diǎn)焊過程會(huì)產(chǎn)生飛濺，點(diǎn)焊接頭的工藝性能下降，點(diǎn)焊接頭的拉剪斷裂方式為界面撕裂，點(diǎn)焊質(zhì)量不合格。分析認(rèn)為，當(dāng)焊接電流較小或焊接時(shí)間較短時(shí)，焊接時(shí)產(chǎn)生的熱量低，點(diǎn)焊接頭形成的熔核較小；隨著焊接電流增大或焊接時(shí)間延長，熱輸入量增加，熔核直徑增大；進(jìn)一步增大焊接電流或延長焊接時(shí)間，試樣表面的電極壓痕較大，變形較大，并有飛濺產(chǎn)生，接頭質(zhì)量也會(huì)下降。

由圖1（a）可知，當(dāng)焊接壓力為3.5kN時(shí)，點(diǎn)焊接頭的熔核中心出現(xiàn)了未熔合缺陷（縮孔）。在點(diǎn)焊過程中，熔核內(nèi)部的液態(tài)金屬從母材界面向內(nèi)凝固結(jié)晶，由于焊接壓力太小，金屬凝固收縮后形成的孔洞未能得到足夠的補(bǔ)充，導(dǎo)致熔核中心處沒有熔合。當(dāng)焊接壓力增大至5kN時(shí)，如圖1（b）所示，接頭中未熔合的缺陷消失。但當(dāng)焊接壓力過大時(shí)，接頭易產(chǎn)生飛濺，也會(huì)導(dǎo)致缺陷形成。由于未熔合和點(diǎn)焊飛濺均會(huì)對(duì)接頭的質(zhì)量不利。因此，在對(duì)DP780雙相鋼板進(jìn)行點(diǎn)焊時(shí)應(yīng)選擇合適的焊接壓力。

圖1 不同焊接壓力下點(diǎn)焊接頭的宏觀形貌（焊接電流9.5kA，焊接時(shí)間400ms）Fig.1 Macrographs of spot welded joint under different welding pressures（welding current of 9.5kA and welding time of 400ms）

2.2 顯微組織

由圖2可以看出，在合適的點(diǎn)焊工藝參數(shù)下，點(diǎn)焊接頭可以明顯地分為三個(gè)區(qū)域：母材區(qū)（BM）、熱影響區(qū)（HAZ）和熔核區(qū)（FZ）。母材區(qū)主要為鐵素體和馬氏體，熔核區(qū)主要為馬氏體，熱影響區(qū)主要由尺寸較小的馬氏體、鐵素體和貝氏體組成。由于電阻點(diǎn)焊的冷卻速率遠(yuǎn)大于馬氏體轉(zhuǎn)變的臨界速率，故熔核區(qū)在冷卻過程中形成了粗大的板條狀馬氏體。圖2（a）中的Ⅰ區(qū)為靠近母材區(qū)的熱影響區(qū)，該區(qū)距熱源較遠(yuǎn)，奧氏體長大時(shí)間有限，冷卻時(shí)形成的馬氏體組織較小；Ⅱ區(qū)為靠近熔核區(qū)的熱影響區(qū)，該區(qū)距熱源較近，形成了較為粗大的馬氏體組織。

圖2 在較佳點(diǎn)焊工藝參數(shù)下點(diǎn)焊接頭的顯微組織Fig.2 Microstructure of spot welded joint at the relatively good spot welding parameters：（a）whole view；（b）zoneⅠand（c）zoneⅡ

2.3 剪切力和熔核直徑

根據(jù)焦耳定律，點(diǎn)焊熱輸入量與焊接電流的平方成正比，與焊接時(shí)間成正比，因此焊接電流對(duì)點(diǎn)焊接頭性能的影響最大。由圖3可知，隨焊接電流增大，點(diǎn)焊接頭的剪切力和熔核直徑均先增大后減小；在焊接壓力為5kN的情況下，當(dāng)焊接時(shí)間為400ms、焊接電流為9.5kA時(shí)，點(diǎn)焊接頭的剪切力和熔核直徑均達(dá)到最大，分別為32.58kN和7.9mm。這是因?yàn)椋S著焊接電流增大或焊接時(shí)間延長，焊接熱輸入量增加，焊件接觸面上的金屬熔化速率更快，熔核直徑增大，接頭的剪切力增大；當(dāng)焊接電流或焊接時(shí)間增加到一定值時(shí)，板間翹離會(huì)限制熔核長大；當(dāng)焊接電流過大時(shí)，熔核的生長速率超出了塑性環(huán)的擴(kuò)張速度，液態(tài)金屬飛出產(chǎn)生塑性環(huán)，點(diǎn)焊接頭的熔核直徑減小，剪切力降低。

此外，由圖3還可以看出，隨著焊接時(shí)間延長，點(diǎn)焊接頭的剪切力和熔核直徑均先增大后減小。對(duì)比焊接時(shí)間分別為300ms和400ms時(shí)接頭的剪切力和熔核直徑可以看出，焊接時(shí)間為400ms時(shí)接頭的剪切力和熔核直徑較大，與增加焊接電流具有相同的效果，但焊接時(shí)間不宜過長，否則會(huì)導(dǎo)致發(fā)生飛濺，影響接頭的質(zhì)量。

圖3 焊接電流和時(shí)間對(duì)點(diǎn)焊接頭剪切力和熔核直徑的影響（焊接壓力為5kN）Fig.3 Effects of welding current and time on shear force（a）and nugget diameter（b）of spot welded joint（welding pressure of 5kN）

2.3 顯微硬度

由圖4可知，點(diǎn)焊接頭熔核區(qū)（FZ）的顯微硬度最大，約為399.3HV，母材的顯微硬度最低，約為238HV。這是由于熔核區(qū)的馬氏體含量高于母材中的，而材料的顯微硬度主要取決于組織中馬氏體的含量，馬氏體含量越多，顯微硬度越大。隨著焊接電流增大，點(diǎn)焊熱輸入量增加，熔核區(qū)過冷度較小，熔核區(qū)的馬氏體粗化，顯微硬度降低。故而，焊接電流為8kA時(shí)熔核區(qū)的顯微硬度高于10kA焊接電流時(shí)熔核區(qū)的顯微硬度，但高硬度區(qū)域的寬度變窄，這表明焊接電流為8kA時(shí)，熔核直徑較小。

圖4 不同焊接電流下點(diǎn)焊接頭的顯微硬度（焊接時(shí)間400ms，焊接壓力5kN）Fig.4 Microhardness of spot welded joints at different welding currents（welding time of 400ms and welding pressure of 5kN）

3 結(jié) 論

（1）DP780雙相鋼較佳的點(diǎn)焊工藝參數(shù)為焊接壓力5kN，焊接電流9～10.5kA，焊接時(shí)間320～400ms；在此參數(shù)范圍內(nèi)，接頭的焊接質(zhì)量良好，熔合區(qū)主要為馬氏體，熱影響區(qū)主要由尺寸較小的馬氏體、鐵素體和貝氏體組成。

（2）隨著焊接電流增大或焊接時(shí)間延長，DP780雙相鋼板電阻點(diǎn)焊接頭的熔核直徑和剪切力均呈先增大后減小的趨勢(shì)；當(dāng)焊接電流為9.5kA、焊接時(shí)間為400ms、焊接壓力為5kN時(shí)，點(diǎn)焊接頭的熔核直徑和剪切力均達(dá)到最大，分別為7.9mm和32.58kN。

（3）DP780雙相鋼板點(diǎn)焊接頭熔核區(qū)的顯微硬度最高；隨著焊接電流增大，熔核區(qū)的顯微硬度減小。

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