高強度鋼板電阻焊研究進展

岑耀東，陳芙蓉

（1.內蒙古工業大學材料科學與工程學院，內蒙古呼和浩特010051；2.包鋼（集團）公司集團管理部，內蒙古包頭014010）

高強度鋼板電阻焊研究進展

岑耀東1，2，陳芙蓉1

（1.內蒙古工業大學材料科學與工程學院，內蒙古呼和浩特010051；2.包鋼（集團）公司集團管理部，內蒙古包頭014010）

高強度鋼板具有高屈服強度、高韌性及較高的能量吸收率和疲勞強度，以及優良的成型性能和高烘烤硬化性能、防撞凹性能等優點，廣泛應用于汽車外殼及車體結構件的制造。高強度鋼板工業生產線的批量生產及汽車組裝過程多采用電阻焊，隨著鋼板強度化的提高，焊接難度加大，限制了高強度鋼板的大范圍應用。從薄板連續退火及連續鍍鋅生產線中的頭-尾連接、汽車用同種鋼板焊接、汽車用異種材質焊接三種不同工藝形式方面闡述了高強度鋼板電阻點焊、縫焊的研究進展，指出異種材質的電阻焊研究及電阻縫焊數值模擬研究還有待加強，同時展望了未來高強度鋼板電阻焊的發展方向。

高強度鋼板；電阻焊；數值模擬；相變誘導塑性鋼；雙相鋼

0　前言

近年來，在國際汽車輕量化大趨勢的影響下，高強度鋼板成為汽車用首選鋼板（結構件）[1]。隨著汽車制造技術的快速發展，高強度鋼板發展迅速[2]，已從普通高強度鋼板（屈服強度180～300 MPa）發展為現在的超高強度鋼板（屈服強度大于等于600MPa）。目前，德國蒂森克虜伯公司已開發出890～1100MPa不同級別系列的高強度鋼板[3]，日本JFE鋼鐵公司已開發出強度級別為580～980 MPa的高強度鋼板，并著力研究與開發1 470 MPa及以上的高強度鋼板[4]。電阻焊與其他焊接方式相比，具有成本低、焊接效率高等優點，一直是汽車用板的最佳焊接方式，廣泛應用于冷軋薄板連續熱鍍鋅、連續退火及冷軋硅鋼等工業生產線中頭和尾的連接及汽車組裝過程中的焊接。但是，目前對高強度鋼板電阻焊的研究遠滯后于對鋼板強度的研究，現有的電阻焊技術越來越難以適應汽車制造產業對高強度鋼板高效率、高質量的焊接發展需求。目前國外已實現了對980 MPa及以下高強度鋼板的電阻焊焊接，而對980 MPa以上高強度鋼板多用脈沖點焊或激光焊的方式，脈沖點焊需對焊縫進行回火處理，工藝較復雜[5]，且作業時間較長，而采用激光焊成本又太高。我國對高強度鋼板研究與開發比國外晚，近5年來鞍鋼、寶鋼等國內較早開發汽車板的大型生產企業已成功研制了980MPa不同類別的高強度鋼板[6]，寶鋼還研究成功了1 180 MPa級雙相鋼板用于國產汽車的制造[7]。但受高強度鋼板焊接難度大、工藝復雜、焊接缺陷不易控制等因素影響，對這類鋼板的電阻點焊、縫焊工藝研究的報道不多見。電阻焊作為當前高強度鋼板的主要焊接方式，研究技術的滯后一定程度上制約了高強度鋼板在汽車制造領域的大規模應用[8]。

在此總結國內外汽車用高強度鋼板電阻點焊、縫焊的研究現狀，指出目前尚不明確仍需研究的內容和方向，以期推動我國高強度鋼板電阻焊技術的發展。

1　高強度鋼板的電阻焊特點

目前，不同的國家和機構對高強度鋼板有不同的定義，大多學者認為抗拉強度為270～700 MPa的鋼板稱為傳統高強度鋼板（HSS），當前先進高強度鋼板（AHSS）和超高強度鋼板（UHSS）的抗拉強度為500～1 600 MPa[9]。高強度鋼板由于具有高的減重潛力、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，能很好地滿足汽車制造用板的各項技術要求，特別是近年來在汽車輕量化趨勢的引導下，高強度鋼板市場需求量大增，發展潛力巨大。近來開發的DP鋼（雙相鋼）和TRIP鋼（相變誘導塑性鋼）強度級別為600～1 180 MPa，TWIP鋼（孿晶誘導塑性鋼）強度級別在1 000 MPa或更高，QP鋼（淬火-配分鋼）強度級別在1 000 MPa以上，已成功用于高端汽車板的生產。

電阻焊具有冶金過程簡單、能量集中、焊接接頭變形小及焊接過程易于操作等特點，非常適合于薄板焊接，其中點焊工藝因成本低及易于實現機械化和自動化等特點，成為當前汽車組裝過程中的主要焊接工藝；縫焊工藝因焊接接頭搭接量少，在碾壓輪作用下焊縫余高小、接頭的應力分布均勻，且焊接效率高，廣泛應用于汽車用冷軋板的連續退火、連續鍍鋅機組中。但是，隨著汽車用高強度鋼板技術的發展，高強度鋼板電阻焊質量問題逐步凸顯出來，這是因為高強鋼中的Si、Mn等合金元素較普通碳素鋼含量高，極易導致焊縫處變硬、變脆。另外，在對高強度鋼板進行電阻焊時，由于所需電流較大，熔化后的金屬粒極容易向外飛濺而掉入焊縫處，影響焊接質量[10]。

2　高強度鋼板電阻焊研究

目前國內外高強度鋼板的電阻焊研究熱點主要是對各種高強度鋼板的可焊性、焊接參數對焊縫組織性能影響的研究，以及焊接工藝優化和焊接質量控制等方面。

2.1高強度鋼板連續退火及連續鍍鋅生產線頭-尾連接

窄搭接焊機是電阻縫焊機的一種，是薄板連續退火、連續鍍鋅及冷軋硅鋼生產機組中的重要設備，它的功能主要是保證開卷機在換卷過程中，在較短的時間內完成先行鋼卷的帶尾與后行鋼卷帶頭的焊接，從而實現機組的連續生產。受生產節奏及焊接時間的限制，搭接焊必須在短時間內焊接成功且符合質量要求，才能不影響機組穩定運行和保證焊縫在后序運行中不至于發生斷帶事故。

為了提高焊接質量及焊縫組織性能，近年來相關專家進行了大量的技術研究。文獻[11]對800 MPa級TRIP鋼窄搭接焊接工藝進行了研究，通過杯凸試驗、表面質量觀察、焊縫金相組織分析，研究工藝參數對焊縫質量的影響規律。采用低電流、低焊接速度的合理匹配，并投入后退火工藝，焊縫熔合線區金相組織為貝氏體，可獲得合格的杯凸試驗結果和優異的焊縫表面質量。文獻[12]對汽車用冷軋高強雙相鋼板（780DP鋼）與深沖用普碳鋼板（DC04鋼）進行窄搭接焊接試驗，分析窄搭接焊接工藝參數對焊接質量的影響規律，認為焊接質量對電極輪壓力最為敏感，對焊接電流和焊接速度的敏感性依次降低，同時，還分析了焊接接頭的顯微組織和力學性能。

由于高強度鋼板含有Mn、Cr、Mo等淬硬性元素，連續退火、連續鍍鋅及冷軋硅鋼生產線中窄搭接焊接的一個重要問題是焊后焊縫存在淬硬線，因淬硬線的熔核組織是高硬度的馬氏體，極易發生脆性斷裂。Jason Dobson[13]采用后加熱工序，通過降低焊縫冷卻速度，有效減少了脆性斷裂。法國學者Mimer M[14]通過試驗提出通過焊后回火工藝來改進高強鋼焊縫性能的方法。伊朗學者Jahandideh[15]對熔核進行通電，使馬氏體組織回火，提高了焊縫的韌性。但通電回火存在的問題是熔核軟化使焊接接頭的剪切拉伸強度下降，為獲得良好的回火效果，文獻[16]在焊后通電前進行1 s左右的冷卻，有效提高了剪切拉伸強度，但同時也延長了焊接時間，并使工序復雜化。日本學者采用脈沖點焊技術[17]，通電時間比通電回火方法短，可以有效提高電阻點焊焊接接頭的十字拉伸強度，且不降低剪切拉伸強度，但能否用于連續退火、連續鍍鋅及冷軋硅鋼生產線中的電阻縫焊，尚需進一步研究。脆性斷裂問題仍然是當前電阻縫焊研究領域亟待解決的難題。

2.2汽車用同種高強度鋼板焊接

汽車用同種高強度鋼板的電阻焊工藝，在保證獲得要求的熔核直徑和接頭強度的同時，還需要求焊接過程的穩定性（robustness）。日本學者[18]Otani，Tadayuki等人系統研究了超細晶粒高強度鋼的電阻點焊特性，發現由于高強度鋼在高溫下的電阻率和強度不同于低碳鋼，在電阻點焊時獲得同樣大小的熔核尺寸需要的焊接電流比低碳鋼板更大；并且研究發現[19]，這種鋼板的碳當量很低，雖然焊后熔核的主要組織是馬氏體，但由于低碳成分限制了熔核硬化，因此這種材料的點焊接頭不經過回火就能得到高的拉剪強度和垂直拉伸強度。文獻[20]針對超高強度熱成形鋼板，利用SORPAS軟件建立了描述點焊熔核形成過程的軸對稱有限元模型，通過數值模擬研究，揭示了熱成形鋼點焊過程中溫度場、熔核直徑等變化規律。但總體來說，對高強度板的數值模擬研究較少，特別是縫焊方面。

在汽車鋼板向高強度化發展的同時，鋼板組合也出現多樣化，有時部件還需要板厚差異化焊接。由于在不同厚比的高強鋼板組合焊接時，為獲得厚板-薄板間要求的熔核，一般需采用較大的焊接電流，這時產生的焊接飛濺物易附著在焊縫處，影響焊縫質量。針對不同厚比鋼板組合焊接時存在的厚板-薄板間熔核難于形成的問題，文獻[21]研究了差厚差強三層鋼板（DC04、DP600、DP780）電阻點焊與膠接的復合連接工藝過程，通過建立熔核形成過程的有限元模型，揭示了差強差厚三層鋼板熔核形成機理及熔核偏移的內在原因。文獻[22]提出了一種智能點焊技術，可以對過去不能焊接的大厚比鋼板組合進行焊接，并且放寬了板厚比的限制，減少了焊接次數，在板厚比規定的范圍內，不需要采用大電流就可以獲得厚板-薄板間要求的熔核，能有效抑制飛濺的發生。

在高強度鋼板焊接時都不可避免地碰到焊接熱影響區軟化問題，如雙相鋼是由低碳鋼或低碳微合金鋼通過兩相區的熱處理或控軋控冷得到，這是在焊接過程中由于焊接熱輸入而使馬氏體回火分解所造成[23]。熱影響區軟化使焊接接頭的剪切拉伸強度下降，而且焊接接頭容易產生裂紋缺陷，相對于電阻點焊，電阻縫焊的這種熱影響區軟化問題更加顯著。文獻[24]采用氬弧焊修復裂紋缺陷，使超高強度鋼電阻縫焊單點抗剪低問題及裂紋缺陷得到有效控制。

2.3汽車用高強異種材質電阻焊研究

近年來國內外對于汽車用高強鋼的電阻焊研究主要集中在同種高強鋼之間，隨著汽車制造技術的發展，市場對異種材質的焊接產品的需求量越來越大。目前，應用范圍較廣、且比較典型的異種材質焊接主要是對鍍鋅層鋼板的電阻焊接。

近幾年來，隨著汽車制造產業對鋼板耐腐蝕性能要求的不斷提高，耐腐蝕性優良且成本低廉的鍍鋅板逐漸成為汽車行業普遍采用的板材，因此，為了適應市場需求，不論何種高強度鋼板，其化學成分都應滿足表面鍍層處理的基本要求。由于表面鍍鋅層的物理性能和電阻率不同于碳鋼基板，所以鍍鋅層鋼板的電阻焊性能與同種無鍍層鋼板的電阻焊性能相比有較大的區別，特別是基板為高強度鋼板的鍍鋅層鋼板，其焊接難度遠大于無鍍層高強度鋼板。

目前，對鍍鋅層普通低碳鋼板的電阻焊研究日趨成熟，但對高強度鍍鋅層鋼板電阻焊的焊接性研究仍是一個難點，近年來各國焊接工作者針對高強鍍鋅鋼板的焊接性，從焊接工藝參數、組織性能及質量缺陷方面進行了大量的研究。文獻[25]對比分析了熱鍍鋅雙相鋼與熱鍍鋅普通低碳鋼板的電阻點焊工藝區別；文獻[26]研究DP590GA熱鍍鋅雙相鋼電阻點焊接頭組織性能，并分析焊接接頭正拉強度和拉剪強度隨焊接電流的變化規律；文獻[27]對580 MPa高強鍍鋅鋼板電阻點焊的可焊性進行了研究，分析焊接接頭裂紋缺陷的產生原因；文獻[28]還研究了超高強度硼鋼板與鍍鋅雙相鋼板的電阻點焊接頭質量缺陷及其產生原因；文獻[29]研究了汽車油箱用電鍍鋅鋼板的電阻縫焊過程中晶粒尺寸大小與焊縫脆性斷裂的關系。

總體來說，目前各國對高強鍍鋅鋼板的電阻焊研究大多停留在對電阻點焊的研究上，對于電阻縫焊的研究報道并不多見。國際上對高強鍍鋅鋼板的電阻縫焊研究尚存在一些問題需要解決，如焊接過程中產生飛濺或滾輪電極與鋼板、鋅粘連，以及滾輪電極的使用壽命等。進一步的研究方向可在對電阻點焊的研究工作基礎上進行拓展，例如在電阻點焊方面，部分焊接研究人員通過對電極的低溫處理[30]或采用彌散強化銅合金等措施[31]來提高電極的使用壽命，取得了一定的成效，但能否用于電阻縫焊相關問題的解決，需要進一步研究。

除此之外，對異種材質的電阻焊還包括異種鋼的焊接、異種金屬的焊接。對異種鋼的電阻焊研究主要集中在不銹鋼和低碳鋼之間[32-34]，或高強度鋼與較低強度鋼之間[35]；對異種金屬的電阻焊研究主要集中在高強度鋼和有色金屬之間，目前研究較熱的是對高強度鋼板與鋁合金板的焊接，由于異種金屬之間的物理性能及電阻率存在顯著的差異，特別是在對高強度鋼和鋁合金電阻焊接時，因Fe在Al中的固溶度極低，導致焊接性變差，焊接接頭中容易產生硬脆的金屬間化合物并伴隨有縮孔、裂紋等缺陷，使得焊接接頭的力學性能降低，這一問題成為當前制約高強度鋼板與鋁合金板電阻焊工藝在汽車制造中廣泛應用的主要技術瓶頸之一。文獻[36]較為系統地研究了高強度鋼板和鋁合金板電阻點焊過程中電流大小、焊接時間和電極壓力等參數對焊接接頭組織及力學性能的影響規律，認為高強度鋼板與鋁合金熔合區存在厚度不均勻的金屬間化合物層界面，而且在界面區硬度的分布也是不均勻的。文獻[37]還采用三相次級整流電阻焊機對鎂和高強度鋼進行了電阻點焊，研究確定工藝參數范圍和最佳數值，并觀察顯微組織特征，分析焊接接頭的組織性能，認為鋼側最高硬度出現在鋼板的中心，而鎂側離熔合線越近硬度越高。

3　結論

（1）解決高強度鋼板搭接焊脆性斷裂這一關鍵技術問題，是今后電阻焊重要的研究方向。

（2）對高強度鋼板的電阻焊數值模擬技術研究較少，應大力開發對高強度鋼板電阻焊特別是電阻縫焊方面的數值模擬研究。

（3）板厚比差較大的電阻焊接及異種材質的電阻焊技術研究還有待加強。

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Research development in resistance welding of high strength steel sheet

CEN Yaodong1，2，CHEN Furong1
（1.Institute of Materials Science and Engineering of Inner Mongolia University of Technology，Inner Mongolia Hohhot 010051，China；2.Group management department of Baotou Steel（Group）Corp.，Baotou 014010，China）

High strength steel plate，is widely used in manufacturing car shell and its body structure，with advantages of high strength and formability，super energy absorption and fatigue strength，good bake hardening property and great anti-collision concave performance. The resistance welding technology is used in batch production of industrial production line of high strength steel plates and assembly process of cars.A wide range of application of high strength steel plates is restricted since the higher strength of steel plates，the more difficult of welding.In this paper，three different process forms in continuous annealing and continuous galvanizing line of sheets are analyzed：head-end connections，the same plate welding of cars and different material of steel plate welded of cars.The paper expounds the research progress of resistance seam welding of high strength steel plates，indicates that it remains to be strengthened of numerical simulation research of resistance seam welding and the welding research of different materials,prospects the direction development of resistance welding of high strength steel plates in the future.

high strength steel sheet；resistance welding；numerical simulation；trip steel；dual phase steel

TG453+.9

C

1001－2303（2016）04－0067-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.04.14

2015-07-19；

2015-10-20

岑耀東（1982—），男，內蒙古土默特左旗人，工程師，博士，主要從事焊接工藝及性能的研究。