不同搭接順序下三層板電阻點焊接頭力學性能

朱 強， 秦 飛， 王武榮， 韋習成

(上海大學 材料科學與工程學院， 上海 200072)

在全球能源匱乏和環(huán)境污染的嚴峻形勢下，輕量化和安全性成為汽車發(fā)展的主要方向.熱成形鋼零件由于強度高(抗拉強度達 1 500 MPa)，能量吸收率高和防撞凹性能好等優(yōu)勢，從而有效實現(xiàn)汽車結構件的輕量化和安全性[1-2].另外，汽車外覆蓋件大多是形狀復雜的空間曲面結構，因此需要鋼板具有極佳的成形性能.冷軋深沖鋼具有優(yōu)良的沖壓成形性能，因而被廣泛地用于汽車覆蓋件[3].如汽車側面碰撞區(qū)域中，A/B/C柱及相關支撐件采用熱成形工藝制作以降低側碰時的乘員空間侵入量，在提高耐撞性的同時降低車身質(zhì)量；而車身外形具有復雜的造型，因此前圍、側圍零件大多采用深沖性能極好的軟鋼沖壓而成.

電阻點焊(RSW)由于低成本、高生產(chǎn)效率、易于實現(xiàn)機械化和自動化生產(chǎn)等優(yōu)點，在汽車結構件的連接中被廣泛采用.研究表明，在汽車車身連接工藝中，90%以上的車身裝配工作是由點焊工藝實現(xiàn)的.通常，一輛汽車白車身大約有 5 000 個焊點，而這些焊點的質(zhì)量直接影響車身的性能[4].

目前國內(nèi)外學者對熱成形鋼和冷軋深沖鋼的電阻點焊焊接性能做了大量的研究[5-7]，均表明采用合理的焊接工藝后熔核良好，焊點拉剪強度滿足實際生產(chǎn)要求.但大多研究局限于兩層板點焊，針對三層板點焊的研究較少.在汽車車身結構中，由于設計的結構工藝性以及車身輕量化后一些重要部位需要設置加強板以提高局部強度，所以在車身中存在大量的三層板或多層板點焊接頭[8]，如車身前縱梁，A/B/C柱等部位.顏福裕等[9]研究了三層板6061鋁合金點焊接頭形式對其力學性能的影響，結果表明不同搭接形式下的點焊接頭具有不同的峰值載荷和斷裂能量.Tavasolizadeh等[10]研究了低碳鋼三層板電阻點焊接頭力學性能，結果表明，三層板點焊熔核形成于接頭幾何中心，三層板界面熔核尺寸大于接頭幾何中心熔核尺寸，而且界面熔核尺寸是影響三層板點焊接頭峰值載荷、斷裂能量以及失效模式的重要因素.以上研究都關注了同種材料的三層板點焊，而忽視了三層板點焊接頭的材料大多為異種高強鋼的實際狀況，因此迫切需要研究異種高強鋼三層板點焊，從而為生產(chǎn)實際提供理論支撐.

本文以B1500HS-1.4 mm、B1500HS-1.6 mm和DC06-0.8 mm 3種差強差厚材料為研究對象，通過改變搭接順序研究了強強弱(B1500HS-1.4 mm/B1500HS-1.6 mm/DC06-0.8 mm)和強弱強(B1500HS-1.4 mm/DC06-0.8 mm/B1500HS-1.6 mm)兩種點焊接頭力學性能的差異，并對這兩種點焊接頭熔核形成過程，熔核區(qū)顯微組織、界面熔核尺寸以及顯微硬度進行了對比分析.

1 試驗材料及方法

試驗材料為寶鋼生產(chǎn)的 1.4 mm及 1.6 mm厚的熱成形22MnB5高硼鋼和 0.8 mm厚的冷軋深沖DC06鋼.22MnB5經(jīng)壓力淬火后，顯微組織主要為分布均勻的板條狀馬氏體，抗拉強度達到 1 542 MPa，屈服強度為 1 142 MPa，斷后延伸率為5%.DC06鋼的顯微組織為典型的鐵素體組織，實測其抗拉強度為277 MPa，屈服強度為135 MPa，斷后延伸率為61%.

將試驗鋼板線切割成尺寸為113 mm×38 mm的試樣，搭接長度取為38 mm.由于點焊接頭拉伸試驗時熔核會發(fā)生旋轉，導致接頭峰值載荷降低，所以在試樣兩端焊接同等厚度的墊片保證拉伸時剪切力位于同一平面上，墊片尺寸為70 mm×38 mm.拉剪試樣接頭設計如圖1所示，分別形成以下4個界面：強強弱三層板上界面(B1500HS-B1500HS)，強強弱三層板下界面(B1500HS-DC06)，強弱強三層板上界面(B1500HS-DC06)，強弱強三層板下界面(DC06-B1500HS).

為保證焊點和整車焊點一致，焊接在整車試制車間進行.采用電流頻率為 1 kHz的直流高頻電阻點焊機，電極為銅-鉻-鋯合金球形電極，電極頭端面直徑為6 mm，采用兩個脈沖進行焊接.具體焊接參數(shù)為：預壓時間100 ms；預熱電流 4.5 kA；焊接電流 8.5 kA；電極壓力300 MPa；預壓時間100 ms；焊接時間400 ms；維持時間500 ms.焊接前超聲清洗試樣表面油污.

點焊試驗完成后，采用線切割的方法沿著垂直于焊接接頭中心切開，鑲嵌后進行打磨、拋光，最后采用體積分數(shù)為4%硝酸酒精溶液進行腐蝕，采用NikonMA-100倒置式金相顯微鏡觀察焊點的顯微組織，采用VHX-1500超景深顯微鏡觀察點焊接頭的宏觀形貌，采用MH-3型顯微硬度計沿熔核對角線方向測試焊點處的顯微硬度，試驗加載載荷為 2.94 N，載荷保持時間為5 s，測試點間距為 0.50 mm.采用CMT5105萬能材料試驗機對點焊試樣進行拉剪試驗，加載速度為10 mm/min.采用SORPAS軟件分析強強弱和強弱強兩種點焊接頭熔核的形成過程.

圖1 不同搭接順序下的三層板點焊連接界面

2 結果與討論

2.1 剪切拉伸試驗

由文獻[1]可知，搭接順序為強強弱的三層板上界面(B1500HS-B1500HS)和下界面(B1500HS-DC06)點焊接頭抗剪峰值載荷(L)分別為 27.284 kN和 4.477 kN(見圖2).搭接順序為強弱強的三層板上界面(B1500HS-DC06)和下界面(DC06-B1500HS)點焊接頭抗剪峰值載荷分別為 19.000 kN和 19.004 kN，雖然其抗剪載荷比強強弱組合上界面降低了 30.4%，但比強強弱組合下界面提高了 3.2 倍.搭接順序為強強弱的三層板上界面(B1500HS-B1500HS)點焊接頭斷裂能量(Q)最高為 37.211 J，該焊接組合下界面(B1500HS-DC06)點焊接頭斷裂能量最低為 11.502 J，與抗剪峰值載荷有著一致的規(guī)律.而搭接順序為強弱強的三層板上界面(B1500HS-DC06)和下界面(DC06-B1500HS)點焊接頭斷裂能量比較接近，分別為 17.749和 20.002 J.雖然搭接順序為強強弱的三層板上界面(B1500HS-B1500HS)點焊接頭抗剪峰值載荷和斷裂能量遠高于其他組合點焊接頭，但其焊接組合下界面(B1500HS-DC06)點焊接頭抗剪峰值載荷和斷裂能量過低，碰撞時很容易造成從該界面失效產(chǎn)生裂紋導致整體焊點開裂失效；而強弱強組合兩個界面的抗剪載荷比較均衡，在碰撞結構力的影響下，其焊點所能承受的失效載荷遠高于強強弱組合，因而提高了整體耐撞性能.因此在車身耐撞設計中，當兩個強板與一個弱板搭接時，應盡量避免弱板在外側.以A柱側撞區(qū)前圍橫梁、A柱斜支撐和前圍板為例，傳統(tǒng)結構設計為前圍橫梁和前圍板在外側，A柱斜支撐在中間的強強弱搭接順序.通過結構優(yōu)化可將此處的三層板搭接順序設計為：前圍橫梁最外側，前圍板在中間，內(nèi)側為A柱斜支撐(見圖3)，從而有效提升碰撞中的焊點抗剪失效能力.

圖2 兩種點焊接頭不同搭接順序下的剪切試驗峰值載荷和斷裂能量對比

圖3 汽車A柱區(qū)域前圍橫梁、前圍板與A柱斜支撐(強弱強)搭接結構

2.2 顯微組織分析

圖4為采用SORPAS軟件模擬強強弱(B1500HS-1.4 mm/B1500HS-1.6 mm/DC06-0.8 mm)和強弱強(B1500HS-1.4 mm/DC06-0.8 mm/B1500HS-1.6 mm)兩種點焊接頭熔核形成過程.當焊接時間為55 ms時，強強弱點焊接頭兩個界面處的熔核形成不均勻，而強弱強點焊接頭兩個界面處的熔核形成非常均勻；同時可以看出強強弱點焊接頭B1500HS-B1500HS界面處的熔核體積遠大于其他組合界面處的熔核體積.這主要是由于B1500HS-B1500HS界面處的接觸電阻高于B1500HS-DC06界面，根據(jù)焦耳定律可知接收的熱量較多，使得板材熔化后形成的熔核體積較大.當焊接時間達到85 ms時，三層板點焊兩個界面處的小熔核開始匯合到一起，強強弱點焊接頭熔核分布依然不均勻，而強弱強點焊接頭近似形成一個分布均勻的橢圓形熔核.當焊接時間進行到850 ms時，熔核體積進一步增大達到峰值，最終兩種點焊接頭均形成以軸向為短軸，徑向為長軸的橢圓形熔核，如圖4(c)所示.另外，強強弱點焊接頭外側DC06鋼產(chǎn)生翹曲，從而導致強強弱點焊接頭B1500HS-DC06界面力學性能下降.因此，異種高強三層板點焊熔核形成機理為：三層板點焊先從上下兩個界面開始形成熔核，隨著焊接時間的增加，液態(tài)熔核直徑持續(xù)增大，隨后兩個界面處的小熔核熔合后形成一個完整的熔核，之后熔核進一步長大直至達到最大值.

3種材料不同搭接順序下的點焊接頭顯示出不同的抗剪能力，其原因和其熔核形成過程中的顯微組織緊密相關.為方便對比，將文獻[1]中強強弱搭接順序下點焊接頭熔核區(qū)微觀組織的顯微照片(見圖5)和本文中強弱強搭接順序下點焊接頭熔核區(qū)微觀組織的顯微照片(見圖6)進行對比，由圖中可以看出，兩種點焊接頭熔核微觀組織主要由粗大的板條馬氏體、少量的鐵素體和珠光體混合組成.另外，熔核區(qū)均呈現(xiàn)柱狀晶的形態(tài)，點焊接頭熔核區(qū)柱狀晶形成過程如下：焊接時，點焊接頭通電后，由于電阻熱的作用產(chǎn)生大量的熱量，使板材內(nèi)部處于過熱的狀態(tài)，同時電極作用方向為熔核區(qū)溫度梯度最大的方向，從宏觀上看熔核區(qū)具有典型的粗大的柱狀樹枝晶特點，并且柱狀樹枝晶沿著垂直于板材結合面方向生長.

對比圖5和圖6熔核區(qū)白色鐵素體組織可以看出，DC06側熔核區(qū)鐵素體含量明顯高于B1500HS-1.4 mm和B1500HS-1.6 mm側熔核區(qū)鐵素體含量，熔核區(qū)組織分布不均勻.主要原因是該點焊接頭熔核形成位置基本位于接頭幾何中心，而鐵素體鋼DC06位于點焊接頭的外側，導致熔核形成時DC06鋼熔化后元素擴散較少，最終使得熔核區(qū)DC06側鐵素體含量高于B1500HS側熔核區(qū).而從圖6中可以看出，3種鋼板處的熔核顯微組織分布均勻，主要原因是點焊接頭熔核形成位置位于接頭幾何中心，鐵素體鋼DC06位于兩個熱成形鋼之間，熔核形成時，DC06鋼熔化后元素向兩側擴散直至整個熔核區(qū)，最終整個熔核區(qū)顯微組織分布均勻.

Pouranvari[11]在研究中發(fā)現(xiàn)，在三層板電阻點焊中，點焊接頭力學性能與三層板界面與界面之間的熔核尺寸(d)有關，界面熔核尺寸越大，點焊接頭力學性能越好.圖7所示為兩種點焊接頭界面熔核尺寸，搭接順序為強強弱的三層板點焊接頭上界面(B1500HS-B1500HS)熔核尺寸最大為 7.04 mm，此搭接順序下點焊接頭下界面(B1500HS-DC06)熔核尺寸最小為 5.91 mm[1].搭接順序為強弱強的三層板點焊接頭上界面(B1500HS-DC06)和下界面(DC06-B1500HS)熔核尺寸分別為 6.54 mm和 6.94 mm.由此對應的搭接順序為強強弱的三層板上界面點焊接頭強度最高，然后依次為強弱強下界面點焊接頭，強弱強上界面點焊接頭，接頭強度最低的為強強弱下界面點焊接頭.

圖4 強強弱和強弱強兩種點焊接頭熔核形成過程對比

圖5 B1500HS-1.4 mm/B1500HS-1.6 mm/DC06-0.8 mm 點焊接頭熔核區(qū)顯微組織[1]

圖6 B1500HS-1.4 mm/DC06-0.8 mm/B1500HS-1.6 mm點焊接頭熔核區(qū)顯微組織

圖7 兩種點焊接頭不同界面熔核尺寸

2.3 顯微硬度

圖8 兩種三層板點焊接頭熔核顯微硬度分布

圖8所示為B1500HS-1.4 mm/B1500HS-1.6 mm/DC06-0.8 mm和B1500HS-1.4 mm/DC06-0.8 mm/B1500HS-1.6 mm兩種點焊接頭橫截面顯微硬度(維氏硬度)分布對比示意圖，圖中D為距焊點中心的距離.從圖中可以看出， B1500HS-1.4 mm/B1500HS-1.6 mm/DC06-0.8 mm點焊接頭熔核區(qū)(FZ)顯微硬度大約為500，B1500HS母材(BM)硬度大約為460，DC06母材硬度大約為93，B1500HS-1.4 mm熱影響區(qū)(HAZ)存在一個明顯的軟化區(qū)，最低硬度達到383，靠近熔核區(qū)的DC06鋼側熱影響區(qū)存在一個硬化區(qū)，最高硬度可達到128；B1500HS-1.4 mm/DC06-0.8 mm/B1500HS-1.6 mm點焊接頭熔核區(qū)顯微硬度大約為425，B1500HS母材硬度大約為455，熱影響區(qū)軟化部位顯微硬度為370左右.B1500HS側熱影響區(qū)出現(xiàn)軟化區(qū)是由于該區(qū)域遠離熔核中心，溫度相對較低，母材中的馬氏體受熱發(fā)生回火轉變，形成回火馬氏體，造成該區(qū)域發(fā)生軟化.而DC06側熱影響區(qū)出現(xiàn)硬化區(qū)是由于該區(qū)域靠近熔核區(qū)，接收的熱量較多，低碳鋼DC06在高的焊接熱量影響下奧氏體晶粒過度長大，然后在快速的冷卻條件下形成一種特殊的過熱針狀鐵素體組織——魏氏組織，從而使得該區(qū)域硬度上升.另外，B1500HS-1.4 mm/DC06-0.8 mm/B1500HS-1.6 mm點焊接頭熔核區(qū)顯微硬度明顯小于B1500HS-1.4 mm/B1500HS-1.6 mm/DC06-0.8 mm點焊接頭熔核區(qū)的顯微硬度，前者熔核區(qū)顯微硬度比后者將近低了15%.由前面分析知道，B1500HS-1.4 mm/DC06-0.8 mm/B1500HS-1.6 mm點焊接頭熔核區(qū)鐵素體含量高于B1500HS-1.4 mm/ B1500HS-1.6 mm/DC06-0.8 mm點焊接頭熔核區(qū)鐵素體含量，而鐵素體屬于軟韌相，因此B1500HS-1.4 mm/DC06-0.8 mm/B1500HS-1.6 mm點焊接頭熔核區(qū)顯微硬度相對較低.

3 結論

本文基于汽車車身中典型的差強差厚三層板點焊結構，通過對強強弱(B1500HS-1.4 mm/B1500HS-1.6 mm/DC06-0.8 mm)和強弱強(B1500HS-1.4 mm/DC06-0.8 mm/B1500HS-1.6 mm)兩種不同搭接順序下的點焊接頭進行焊接試驗，并對兩種點焊接頭力學性能及顯微組織進行了對比研究，具體結論如下：

(1) 不同搭接順序下的三層板點焊接頭具有不同的抗剪峰值載荷和斷裂能量.在汽車耐撞結構設計中，當兩層強板與一層弱板進行搭接時，應將弱板放在中間.最后通過對A柱區(qū)域強弱強合理搭接設計有效地提高焊點耐剪性能，從而提高車身整體耐撞性.

(2) B1500HS-1.4 mm/DC06-0.8 mm/B1500HS-1.6 mm(強弱強)點焊接頭熔核區(qū)鐵素體含量明顯高于B1500HS-1.4 mm/B1500HS-1.6 mm/DC06-0.8 mm(強強弱)點焊接頭.產(chǎn)生差異的主要原因是不同搭接順序下的點焊接頭熔核形成過程中板材熔化后元素擴散的程度不同導致的.

(3) B1500HS-1.4 mm/DC06-0.8 mm/B1500HS-1.6 mm(強弱強)點焊接頭熔核區(qū)顯微硬度比B1500HS-1.4 mm/B1500HS-1.6 mm/DC06-0.8 mm(強強弱)點焊接頭低了將近15%.這主要是由于強弱強點焊接頭熔核區(qū)鐵素體含量高于強強弱接頭，而鐵素體屬于軟韌相，所以強弱強點焊接頭熔核區(qū)硬度相對較低.