780 MPa級DP鋼點(diǎn)焊焊接性能與失效分析

汪小培，張永強(qiáng)，王　威，楊建煒，章　軍

（首鋼技術(shù)研究院，北京100043）

780 MPa級DP鋼點(diǎn)焊焊接性能與失效分析

汪小培，張永強(qiáng)，王威，楊建煒，章軍

（首鋼技術(shù)研究院，北京100043）

高強(qiáng)度DP鋼在汽車制造生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。研究780 MPa級別的DP鋼點(diǎn)焊后焊點(diǎn)的性能，并分析焊點(diǎn)失效情況。結(jié)果表明，1 mm厚的該級別鋼種的焊接窗口為3.4 kA，最優(yōu)焊接電流為11 kA；增加預(yù)熱脈沖后，能夠有效防止和改善高強(qiáng)鋼點(diǎn)焊焊核上的焊接冷裂紋；焊接電流較小時，點(diǎn)焊后的汽車前縱梁容易造成軸向失穩(wěn)，使得其吸收碰撞能量的能力減弱。

DP鋼；點(diǎn)焊；性能；失效

0　前言

隨著能源危機(jī)、石油價格不斷上升以及地球溫室效應(yīng)加重，世界各國對能源和CO2排放引起的環(huán)境問題越加重視，紛紛制定和采取各種嚴(yán)格的措施進(jìn)行控制。在汽車領(lǐng)域，應(yīng)對環(huán)境問題和提高沖撞安全性成為最常見的關(guān)鍵詞。在減少燃油消耗、減低廢氣排放的諸多措施中，降低車重效果最明顯。資料表明，車重減輕10％可節(jié)省燃油3％～7％[1-2]。

滿足汽車行業(yè)更安全、更輕量化、更環(huán)保以及更經(jīng)濟(jì)油耗的需求，AHSS（Advanced High Strength Steel先進(jìn)高強(qiáng)度鋼）一直是材料研發(fā)工作的重點(diǎn)。20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的雙相（DP）鋼是一類新鋼種，也是開發(fā)較早的汽車先進(jìn)高強(qiáng)鋼，因其制造工藝和方法較為容易，產(chǎn)品系列較為齊全，在汽車加強(qiáng)件、防撞件及結(jié)構(gòu)件等方面得到了廣泛的應(yīng)用[3-4]。

在此研究780 MPa級別的DP鋼點(diǎn)焊后焊點(diǎn)的焊接性能，以及焊接工藝對焊點(diǎn)質(zhì)量的影響，并分析焊點(diǎn)的失效情況。

1　實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)使用的材料為高強(qiáng)度熱鍍鋅雙相鋼，鋼板厚度1.0 mm。鋼板的主要化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1、表2所示。

表1　鋼板的化學(xué)成分％

表2　鋼板的力學(xué)性能

1.2試驗(yàn)設(shè)備

焊接試驗(yàn)使用設(shè)備是OBARA DB-220型固定式逆變點(diǎn)焊機(jī)，標(biāo)稱功率220kVA，電極頭直徑6mm。點(diǎn)焊接頭試樣焊接成形后，取點(diǎn)焊接頭焊點(diǎn)的最大橫截面制備標(biāo)準(zhǔn)金相試樣，試樣腐蝕液為4％硝酸酒精溶液，使用型號為Leica DMI5000M的金相顯微鏡和Hitachi S-3400NⅡ型的掃描電子顯微鏡觀察微觀組織形貌，使用型號為Leica HXHXD-1000TM的顯微硬度測試儀測量顯微硬度，選用型號為Zwick-Z100的剪切拉伸設(shè)備測試抗剪性能。

2　試驗(yàn)方法

采用40 mm×150 mm標(biāo)準(zhǔn)試樣片進(jìn)行點(diǎn)焊試驗(yàn)，焊后通過剝離試驗(yàn)將焊點(diǎn)撕裂。試驗(yàn)中最小焊接電流是指最小焊核直徑所對應(yīng)的電流，最大焊接電流是指產(chǎn)生飛濺時所對應(yīng)的電流，通過計(jì)算可知最小焊接直徑為4.0mm。通過點(diǎn)焊試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，該鋼板的最小焊接電流為7.8kA，最大焊接電流為11.2kA，最優(yōu)焊接電流為11 kA，具體焊接參數(shù)和試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3　焊接參數(shù)和試驗(yàn)結(jié)果

3　分析和討論

3.1焊點(diǎn)的組織與性能

鋼板在最優(yōu)焊接電流（11.0 kA）下的金相組織如圖1所示，基體組織為鐵素體+馬氏體組織，焊縫組織為馬氏體+少量貝氏體組織。

圖1　焊點(diǎn)微觀組織形貌

在最優(yōu)焊接電流（11.0 kA）下，焊點(diǎn)的剪切拉伸力學(xué)性能如圖2所示。從圖中兩次抗剪試驗(yàn)的拉伸曲線可以看出，在最優(yōu)焊接電流下焊點(diǎn)的最大抗剪力約為16.5 kN。

圖2　剪切拉伸試驗(yàn)曲線

在最優(yōu)焊接電流（11.0 kA）下，對焊點(diǎn)進(jìn)行顯微硬度分析，結(jié)果如圖3所示。圖中反映的是從母材到熱影響區(qū)到焊縫，再到熱影響區(qū)到母材，焊點(diǎn)的顯微硬度變化情況。母材的硬度約為250 HV，焊縫硬度的平均值約為430 HV。

3.2預(yù)熱對焊接冷裂紋的影響

在焊接熱循環(huán)的作用下，焊縫及熱影響區(qū)由于組織、性能發(fā)生變化，加之受焊接應(yīng)力作用以及擴(kuò)散氫的影響，可能產(chǎn)生冷裂紋。冷裂紋在高強(qiáng)鋼焊接中是最為常見的缺陷，這種缺陷的發(fā)生往往具有延遲性并且危害很大。為了消除焊接冷裂紋的影響，在焊接電流之前，增加一個預(yù)熱電流，進(jìn)行了如表4所示的兩組對比試驗(yàn)，在較大電流下使用不同的焊接工藝進(jìn)行點(diǎn)焊試驗(yàn)。1#樣中只有一個焊接電流，在2#樣中加入了一個預(yù)熱電流，研究焊前預(yù)熱對焊點(diǎn)質(zhì)量的影響。

圖3　焊點(diǎn)顯微硬度變化曲線

表4　焊接工藝參數(shù)

分別觀察兩組試樣的微觀形貌，分析焊點(diǎn)截面的裂紋情況，各組試樣的微觀形貌如圖4、圖5所示。在1#樣中，焊核上表面存在一條微裂紋，由圖4可知，裂紋起源于焊核表面，隨著距表面距離的增大，裂紋逐漸減弱，裂紋向焊核內(nèi)部擴(kuò)展，屬于焊接冷裂紋。

圖4　焊核截面微觀形貌（1#試樣）

圖5　焊核截面微觀形貌（2#試樣）

2#試樣在焊接脈沖之前，增加了一個預(yù)熱脈沖，其焊核截面微觀形貌如圖5所示。2#樣在預(yù)熱后進(jìn)行焊接，焊核熔合情況良好，表面無明顯微裂紋。由此可見，在焊接電流之前，增加一個預(yù)熱電流，能有效改善焊核上的冷裂紋。

3.3焊點(diǎn)高速碰撞性能分析

汽車的前縱梁是由高強(qiáng)鋼通過電阻點(diǎn)焊結(jié)合形成的，是汽車在高速碰撞下吸收碰撞能量的主要部件，而焊點(diǎn)質(zhì)量是影響其防撞能力的重要因素。為了研究高速碰撞過程中焊點(diǎn)的失效情況，使用之前所述的高強(qiáng)度DP鋼加工成汽車前縱梁部件，通過電阻點(diǎn)焊焊合后，進(jìn)行壓潰試驗(yàn)，試驗(yàn)情況如圖6所示。

圖6　進(jìn)行壓潰試驗(yàn)后的試樣

焊接電流較小時，在高速碰撞情況下，試樣容易造成軸向失穩(wěn)，使得其吸收碰撞能量的能力變?nèi)酢Ｔ诤附与娏鹘咏娏鞔翱谏舷迺r，試樣是呈層狀被壓縮的，能夠充分吸收碰撞的能量，提高汽車的安全性能。

焊接電流較小時，由于焊核較小，鋼板焊接結(jié)合處的強(qiáng)度較低，在碰撞過程中易在焊點(diǎn)處出現(xiàn)開裂，引起母材被撕裂，如圖7所示。

圖7　試樣破壞形貌

4　結(jié)論

（1）厚1.0 mm的780 MPa級DP鋼焊接窗口為3.4kA，最小焊接電流7.8kA，最大焊接電流11.2kA；在11.0kA下，焊點(diǎn)最大抗剪力16.5kN，焊縫硬度430HV。

（2）在焊接脈沖前進(jìn)行一個預(yù)熱脈沖，能夠有效防止和改善高強(qiáng)鋼點(diǎn)焊焊核上的焊接冷裂紋。

（3）汽車前縱梁點(diǎn)焊焊合處，焊接電流較小時，容易造成軸向失穩(wěn)，減弱其吸收碰撞能量的能力。

[1]康永寧.汽車輕量化先進(jìn)高強(qiáng)鋼與節(jié)能減排[J].鋼鐵，2008，43（6）：1-7.

[2]李揚(yáng)，劉漢武，杜云慧，等.汽車用先進(jìn)高強(qiáng)鋼的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展方向[J].材料導(dǎo)報，2011，25（7）：101-104.

[3]劉超，王磊，劉楊.汽車用先進(jìn)高強(qiáng)鋼的發(fā)展及其在車身設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].特鋼技術(shù)，2012，18（2）：1-4.

[4]張志勤，黃維，高真鳳.汽車用第3代先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的研發(fā)進(jìn)展[J].特殊鋼，2013，34（1）：16-20.

Spot welding properties and failure analysis of 780 MPa grade DP steel

WANG Xiaopei，ZHANG Yongqiang，WANG Wei，YANG Jianwei，ZHANG Jun
（Shougang Research Institute of Technology，Beijing 100043，China）

High strength DP steel has been widely used in auto manufacture.The spot welding properties of 780 MPa grade DP steel and the failure of the welds are studied.The results show that the welding lobe of the steel with 1mm thick is 3.4 kA，and the optimal welding current is 11 kA.The welding cold crack in weld nugget can be prevented or improved by preheating treatment.The front rail is likely to cause axial instability in low welding current，which decreases the ability to absorb impact energy.

DP steel；spot welding；properties；failure

TG457.11

A

1001－2303（2016）04－0075-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.04.16

2015-12-07；

2015-12-21

汪小培（1987—），男，湖北人，碩士，主要從事材料焊接性和焊接工藝的研究工作。。