DP780雙相鋼電阻點焊接頭的顯微組織和力學性能

張 建，吳青松，鄭江鵬，黃治軍

（1.武漢鋼鐵（集團）公司研究院，武漢430080；2.華中科技大學材料科學與工程學院，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境污染的嚴重形勢下，輕量化成為汽車發展的主要方向。高強鋼板在汽車上的應用既可以減輕汽車車身質量，同時又可以節約燃料，成為在保證汽車安全性前提下實現汽車輕量化的首選材料［1-2］。與其它高強鋼相比，在鐵素體基體上分布著馬氏體的雙相鋼以較高的強度、伸長率和初始加工硬化速率等特性，迅速發展成為當今汽車制造業最有前景的輕量化材料之一［3-4］。

電阻點焊方法具有焊接變形小、生產效率高等特點，廣泛應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焊完成，點焊質量的好壞將直接影響汽車的性能。雙相鋼由于強度增高，合金元素含量增加，比普通低碳鋼板的焊接更加困難［5-7］。我國汽車產業在雙相鋼板的電阻點焊技術應用方面起步較晚，隨著該技術應用范圍的擴大，研究雙相鋼板的點焊接頭性能具有重要的現實意義。目前，點焊研究主要集中在600MPa級的雙相鋼板上，而對于更高級別的雙相鋼的點焊研究相對較少。因此，作者采用電阻點焊對DP780高強度汽車用冷軋雙相鋼板進行了焊接試驗，研究了點焊接頭的顯微組織和力學性能，為雙相鋼點焊工藝確定提供參考。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為2.0mm厚的DP780高強度汽車用冷軋雙相鋼板，其化學成分如表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型中頻點焊機進行焊接，采用球面型電極，其端部直徑為8mm；焊接工藝參數如表3所示。

表1 DP780雙相鋼的化學成分（質量分數）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 不同點焊焊接參數下的焊接現象和點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的電子讀數游標卡尺測量焊點熔核的尺寸；采用Z050型電子萬能試驗機進行拉剪試驗，試樣尺寸為2mm×40mm×160mm，拉伸速度為1mm·min-1；采用AAV-502型顯微硬度計測點焊接頭不同區域的顯微硬度，加載載荷為200N，加載時間為15s；采用OLYMPUS-GX71型光學顯微鏡觀察點焊接頭的顯微組織。

2 試驗結果與討論

2.1 點焊質量

由表3可知，DP780雙相鋼板較佳的點焊工藝參數為：焊接電流9～10.5kA，焊接時間320～400ms，焊接壓力5kN。當焊接電流超過10.5kA或焊接時間超過400ms時，點焊過程會產生飛濺，點焊接頭的工藝性能下降，點焊接頭的拉剪斷裂方式為界面撕裂，點焊質量不合格。分析認為，當焊接電流較小或焊接時間較短時，焊接時產生的熱量低，點焊接頭形成的熔核較小；隨著焊接電流增大或焊接時間延長，熱輸入量增加，熔核直徑增大；進一步增大焊接電流或延長焊接時間，試樣表面的電極壓痕較大，變形較大，并有飛濺產生，接頭質量也會下降。

由圖1（a）可知，當焊接壓力為3.5kN時，點焊接頭的熔核中心出現了未熔合缺陷（縮孔）。在點焊過程中，熔核內部的液態金屬從母材界面向內凝固結晶，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充，導致熔核中心處沒有熔合。當焊接壓力增大至5kN時，如圖1（b）所示，接頭中未熔合的缺陷消失。但當焊接壓力過大時，接頭易產生飛濺，也會導致缺陷形成。由于未熔合和點焊飛濺均會對接頭的質量不利。因此，在對DP780雙相鋼板進行點焊時應選擇合適的焊接壓力。

圖1 不同焊接壓力下點焊接頭的宏觀形貌（焊接電流9.5kA，焊接時間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，在合適的點焊工藝參數下，點焊接頭可以明顯地分為三個區域：母材區（BM）、熱影響區（HAZ）和熔核區（FZ）。母材區主要為鐵素體和馬氏體，熔核區主要為馬氏體，熱影響區主要由尺寸較小的馬氏體、鐵素體和貝氏體組成。由于電阻點焊的冷卻速率遠大于馬氏體轉變的臨界速率，故熔核區在冷卻過程中形成了粗大的板條狀馬氏體。圖2（a）中的Ⅰ區為靠近母材區的熱影響區，該區距熱源較遠，奧氏體長大時間有限，冷卻時形成的馬氏體組織較小；Ⅱ區為靠近熔核區的熱影響區，該區距熱源較近，形成了較為粗大的馬氏體組織。

圖2 在較佳點焊工藝參數下點焊接頭的顯微組織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

根據焦耳定律，點焊熱輸入量與焊接電流的平方成正比，與焊接時間成正比，因此焊接電流對點焊接頭性能的影響最大。由圖3可知，隨焊接電流增大，點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，當焊接時間為400ms、焊接電流為9.5kA時，點焊接頭的剪切力和熔核直徑均達到最大，分別為32.58kN和7.9mm。這是因為，隨著焊接電流增大或焊接時間延長，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；當焊接電流或焊接時間增加到一定值時，板間翹離會限制熔核長大；當焊接電流過大時，熔核的生長速率超出了塑性環的擴張速度，液態金屬飛出產生塑性環，點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，隨著焊接時間延長，點焊接頭的剪切力和熔核直徑均先增大后減小。對比焊接時間分別為300ms和400ms時接頭的剪切力和熔核直徑可以看出，焊接時間為400ms時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，但焊接時間不宜過長，否則會導致發生飛濺，影響接頭的質量。

圖3 焊接電流和時間對點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，點焊接頭熔核區（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，點焊熱輸入量增加，熔核區過冷度較小，熔核區的馬氏體粗化，顯微硬度降低。故而，焊接電流為8kA時熔核區的顯微硬度高于10kA焊接電流時熔核區的顯微硬度，但高硬度區域的寬度變窄，這表明焊接電流為8kA時，熔核直徑較小。

圖4 不同焊接電流下點焊接頭的顯微硬度（焊接時間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 論

（1）DP780雙相鋼較佳的點焊工藝參數為焊接壓力5kN，焊接電流9～10.5kA，焊接時間320～400ms；在此參數范圍內，接頭的焊接質量良好，熔合區主要為馬氏體，熱影響區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間延長，DP780雙相鋼板電阻點焊接頭的熔核直徑和剪切力均呈先增大后減小的趨勢；當焊接電流為9.5kA、焊接時間為400ms、焊接壓力為5kN時，點焊接頭的熔核直徑和剪切力均達到最大，分別為7.9mm和32.58kN。

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

［1］孫林，趙志毅，林瑋，等.回火工藝對熱軋低碳馬氏體高強鋼板殘余應力的影響［J］.金屬熱處理，2014，39（3）：45-48.

［2］何文，張維剛，鐘志華.汽車碰撞仿真研究中點焊連接關系的有限元模擬［J］.機械工程材料，2005，41（9）：73-77.

［3］葉平，沈劍平，王光耀，等.汽車輕量化用高強度鋼現狀及其發展趨勢［J］.機械材料工程，2006，30（4）：427-431.

［4］DONG D Y，LIU Y，YANG Y L，et al.Microstructure and dynamic tensile behavior of DP600dual phase steel joint by laser welding［J］.Materials Science and Engineering：A，2014，594：17-25.

［5］于燕，張小盟，楊海峰，等.汽車用TRIP600高強鋼板的點焊工藝［J］.機械工程材料，2013，37（8）：68-71.

［6］王敏，吳毅雄，潘華，等.母材成分對DP590鋼電阻點焊接頭性能的影響［J］.焊接學報，2010，31（2）：33-36.

［7］陶博浩，李紅，宋永倫，等.電阻點焊冷軋DP600雙相鋼焊接接頭性能的正交試驗分析［J］.焊接學報，2013，34（6）：81-84.