鍍鋅Q&P980鋼電阻點焊接頭液態金屬脆裂紋的形態及分布

孔 諒， 凌展翔， 王 澤， 王 敏, 潘 華， 雷 鳴

(1. 上海交通大學 上海市激光制造與材料改性重點實驗室， 上海 200240；2. 上海交通大學 高新船舶與深海開發裝備協同創新中心， 上海 200240;3. 寶山鋼鐵股份有限公司 寶鋼研究院汽車用鋼研究所， 上海 201900)

電阻點焊是汽車車身制造中應用最為廣泛的一種連接方法，同其它焊接方法一樣，電阻點焊接頭中可能存在各種各樣的缺陷，如變形、縮孔和虛焊等，這些缺陷在不同程度上影響著點焊接頭的質量[1].近年來，在電阻點焊接頭中發現的一種表面裂紋缺陷引起了研究人員的關注.這種表面裂紋多出現在鍍鋅高強鋼，如TWIP鋼、DP鋼和TRIP鋼中.經過研究，確認這種裂紋是由液態金屬脆化機制所引起的[2-4].液態金屬脆化是當某些特定的固態金屬或合金與液態金屬或合金直接接觸時，在拉伸應力的作用下會出現強度與延伸率下降，以致提前失效的現象.鐵在液態鋅中出現液態金屬脆已被很多研究所證實，在鍍鋅鋼的電阻點焊過程中，鍍鋅層會發生熔化并鋪展在鋼材表面，在應力作用下出現了液態金屬脆現象，并以表面裂紋的形式表現出來.

根據車身輕量化的需求，國內某鋼廠在2010年開發出了第3代超高強Q&P(Quenching and Partitioning)鋼，即淬火延性鋼，這種鋼在擁有高強度的同時具備較高的伸長率，適合沖壓成型，因此具有廣闊的應用前景[5].然而，鍍鋅Q&P鋼在電阻點焊過程中也存在著液態金屬脆裂紋的危險.本文通過試驗，證實了鍍鋅Q&P980鋼在電阻點焊過程中會出現液態金屬脆現象，并對電阻點焊接頭中出現的液態金屬脆裂紋的分布及形態進行了初步探索.

1 試驗方法

采用了伺服中頻逆變直流電阻點焊機進行電阻點焊試驗，電極頭為CuCrZr材質的平面電極，電極直徑16 mm，端面直徑6 mm，過渡弧面半徑8 mm，平面電極結構示意圖如圖1所示.試驗時焊接參數控制為電極壓力4 kN，焊接電流9 kA，焊接時間360 ms.試驗材料為鍍鋅Q&P980超高強鋼，其化學成分質量分數：w(Mn)=1.935 2%，w(Si)=1.592 7%，w(C)=0.263%，w(Al)=0.095 4%，w(Cr)=0.047 9%，w(S)=0.036 7%，w(P)=0.018 5%，w(Ni)=0.015 8%，余量為Fe.母材組織為馬氏體+鐵素體+少量殘余奧氏體.鋼板厚度為 1.2 mm，鍍鋅層厚度為10 μm，試樣尺寸為40 mm×125 mm.試驗時將2塊試板重疊在一起進行焊接，焊點間距大于40 mm，如圖2所示.同時，焊接了無鍍層的Q&P980鋼板作為對比試驗.焊接結束后，從焊點位置截取橫截面制備金相試樣，進行標準打磨和拋光程序后，使用3%硝酸酒精對試樣進行腐蝕.使用金相顯微鏡觀察了裂紋出現的位置及裂紋形貌， 使用帶有EDS能譜儀的SEM掃描電鏡對裂紋處的元素進行了分析.

圖1 平面電極結構示意圖(mm)Fig.1 Schematic diagram of the flat electrode (mm)

圖2 焊點位置示意圖(mm)Fig.2 Schematic diagram of the position of spot weld (mm)

圖3 裂紋出現位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the position of cracks

2 試驗結果與分析

2.1 裂紋的位置

焊接結束后，發現部分鍍鋅Q&P980鋼板焊點表面存在裂紋，而無鍍層Q&P980鋼板焊點表面不存在裂紋，這說明鍍鋅層對裂紋的出現起著關鍵作用.對金相試樣的觀察結果表明，鍍鋅板焊點處出現的裂紋主要分布于電極頭壓痕區的臺階及緊鄰壓痕區的外周，如圖3所示.從液態金屬脆現象出現的條件考慮，首先這兩處靠近熔核，焊接時經歷的峰值溫度高于鋅的熔點(419 ℃)，因此鍍鋅層發生熔化并與鋼表面直接發生接觸，其次這兩處靠近壓痕區，在電極頭將其接觸的鋼板壓入一定深度時，其周邊位置有機械拉伸應力的存在，而且由于這兩處不與電極頭直接接觸，冷卻條件也不佳，因此有熱應力的存在.在液態鋅與應力的共同作用下，即可能出現液態金屬脆裂紋[3].而在壓痕區，一方面熔化的鋅層在電極頭壓力的作用下容易排出，而且由于峰值溫度很高，鋅可能會發生蒸發，這些造成了液態鋅在該區域較為缺乏；另一方面該區域在電極壓力的作用下主要受壓應力，所以該區域不具備產生液態金屬脆裂紋的條件.而遠離壓痕區的位置由于峰值溫度不足以熔化鍍鋅層，因此也不具備產生液態金屬脆裂紋的條件.綜上，壓痕區的臺階及外周即成為了可能產生裂紋的敏感區域.

2.2 裂紋的形貌

通過對金相剖面觀察可以發現，裂紋的深度跨度較大，約幾微米到幾百微米不等，為方便后文表述，將深度d<50 μm的裂紋定義為淺裂紋，將d>100 μm的裂紋定義為深裂紋，50 μm≤d≤100 μm的裂紋定義為中裂紋.

淺裂紋主要分布于壓痕區的臺階處，在大部分的鍍鋅鋼試樣中均有發現.單個臺階處裂紋數量為1～10條不等，裂紋群聚在一起，且一般不會布滿整個臺階，大多分布于臺階上半部，較少裂紋分布于臺階下半部.整個區域裂紋深度不一致，存在一定的跨度.淺裂紋的典型形貌如圖4所示，其大致呈現出樹枝狀、樹突狀或網狀特征.樹枝狀裂紋為鋼板表面單一裂紋源開動，并沿著單一路徑向深度方向擴展而產生的.樹突狀裂紋為鋼板表面單一裂紋源開動，在擴展過程中出現多個取向而產生的.網狀裂紋為鋼板表面相鄰的多個裂紋源開動，在擴展過程中擴展路徑纏結在一起而產生的.從金相圖中可以看出，裂紋均為沿晶界開裂，這與液態金屬脆的普遍特性是一致的.有理論分析認為，液態金屬脆出現的原因是液態金屬吸附于基材晶界導致晶界凝聚力降低，從而導致沿晶開裂[6].

圖4 淺裂紋的典型微觀形貌Fig.4 Typical microstructure of superficial crack

深裂紋主要分布于緊鄰壓痕區的外周，并且深裂紋一般孤立存在，其周圍不存在其它深裂紋，這可能是由于深裂紋的出現使得裂紋處及其周邊區域的應力得到釋放.深裂紋只出現在少量鍍鋅鋼試樣中，這說明深裂紋出現的條件較為嚴苛，需要熱量和應力條件均滿足的情況下才會出現.深裂紋的典型微觀形貌如圖5所示.由圖可見，裂紋在源頭處較寬，隨著裂紋的擴展其寬度逐漸變窄，且裂紋在向試樣厚度方向擴展的過程中會出現轉向，逐漸向偏離試樣厚度的方向進行擴展.中裂紋出現的頻率較低，其在壓痕區臺階及外周均有可能出現，形貌與深裂紋較為類似，可以看作是未完全擴展的深裂紋.圖6所示為同一試樣中同時出現淺裂紋、中裂紋和深裂紋的對比圖.

圖5 深裂紋的典型微觀形貌Fig.5 Typical microstructure of deep crack

圖6 3種不同裂紋的形貌Fig.6 Microstructure of three different cracks

2.3 裂紋處的元素組成

通過SEM掃描電鏡對疑似充滿鋅元素的裂紋進行元素成分面掃描分析和線掃描分析，結果如圖7所示.其中：圖7(a)是對裂紋進行線掃描后的Fe-Zn元素強度峰值圖，可以看到在裂紋處的Fe含量非常少，而Zn含量急劇上升；圖7(b)和圖7(c)顯示的是裂紋處的面掃描元素分布圖，可以看到Zn元素的在裂紋位置處大量分布.以上表明了鍍鋅Q&P980鋼板在電阻點焊試驗中出現的裂紋內部填滿大量的鋅元素，是電阻點焊過程中表面鍍鋅層在高溫下熔化并隨著裂紋擴展不斷滲入的結果.由于在無鍍層Q&P980鋼電阻點焊接頭中未發現裂紋，因此裂紋處被鋅元素填充進一步說明了鍍鋅Q&P980鋼電阻點焊中出現的表面裂紋是由于鋅元素浸濕造成的，為液態金屬脆裂紋.

圖7 裂紋處元素成分分析Fig.7 EDS analysis at the location of crack

3 結論

(1) 鍍鋅Q&P980鋼電阻點焊中出現的裂紋主要分布于電極壓痕區的臺階及外周，這2個位置在電阻點焊過程中均被液態金屬鋅覆蓋，且存在一定的拉伸應力.

(2) 電阻點焊試樣中出現的裂紋深度跨度較大，根據裂紋深度的不同可將裂紋分為淺裂紋、深裂紋和中裂紋.淺裂紋主要分布在壓痕區的臺階處，且具有群聚性，深裂紋主要分布在壓痕區外周，且具有孤立性.中裂紋出現的頻率較低.

(3) 對裂紋位置處進行元素掃描發現裂紋處填充了鋅金屬，由于無鍍層Q&P980鋼電阻點焊過程中不會出現裂紋，因此可以證實裂紋為液態金屬脆裂紋.