雙相鋼DP590點焊沖擊性能研究

任 虎，張曉鵬，王連軒，操志博

(河鋼集團邯鋼公司技術中心，河北 邯鄲 056015)

隨著市場和環境的變化，在實現車身輕量化的情況下保證車身的安全性能已成了當前汽車制造的核心問題之一。目前以雙相鋼(DP)等為代表的先進高強鋼種在汽車上的應用逐步增多，如門檻梁、側圍支柱、防撞梁等[1-5]。汽車安全性一方面取決于汽車零部件材料本身的強度，另一方面則取決于零件之間的連接質量。點焊是目前汽車制造應用最廣泛的連接工藝，據統計，目前普通乘用車身上點焊數量大約有 3000～6000 個[6]，因此點焊的質量對汽車安全性將產生顯著影響。基于當前汽車行業安全性設計需求，近年來針對點焊沖擊性能的研究已成為國內外汽車連接技術領域的研究熱點之一。本文以雙相鋼DP590為研究對象，對其點焊沖擊性能進行了研究和探討。

1 試驗材料、裝備及方法

1.1 試驗鋼種牌號、規格及狀態

本文研究對象鋼種信息如下表1。

表1 試驗材料信息

1.2 試驗設備及工裝

本試驗選用中頻逆變式點焊機作為試驗設備，型號為MDZ-32(如圖1)。此外，采用標準的Φ16 mm×20 mm電極頭作為焊接工裝(如圖2)，電極頭前端直徑設計為Φ6 mm。

圖1 MDZ-32型中頻逆變式點焊機及選用電極頭

本試驗機系統主要由試驗機本體、擺錘、沖擊夾具、輔助裝置、數據采集系統、數據處理系統以及計算機控制系統構成。圖2是點焊沖擊試驗機的實物照片，為了適應點焊薄板試樣的沖擊實驗，將標準的沖擊試驗機的擺錘和夾具進行改造。在本體的擺錘轉軸上增加編碼器，用于測量擺錘的角度，實現對試驗機的控制以及沖擊功的計算。

圖2 點焊動態沖擊性能試驗機及相關工裝

1.3 試樣尺寸規格

本試驗試樣為拉伸剪切試樣，具體試樣結構和尺寸如圖3。

圖3 點焊沖擊試驗試樣尺寸

1.4 沖擊試驗流程

本試驗機的測試和數據采集處理過程如下：

(1)試驗機的取擺機構將擺錘舉升到初始仰角位置，安全銷伸出，防止擺錘意外落下；

(2)將點焊試樣與活動夾具在安裝夾具上裝配在一起，然后再安裝到沖擊夾具上；

(3)釋放安全銷；

(4)釋放擺錘，當擺錘擺到垂直位置時與沖擊夾具的活動鉗口發生碰撞，對焊點接頭施加拉伸沖擊載荷，使焊點破壞。焊點破壞斷裂后，擺錘繼續擺動至最大剩余擺角位置，然后開始回擺。同時，活動鉗口以及與活動鉗口相連接的試樣金屬片、壓板和壓緊螺栓以一定速度被拋出；

(5)擺錘回擺到一定角度后被取擺機構二次提升到初始仰角位置，等待下一次沖擊實驗；

(6)沖擊過程中系統測量并保存焊點所受的沖擊力、擺錘擺動角度、角速度和試樣金屬片的彈性應變；

(7)數據處理系統計算并給出擺錘初始仰角、最大剩余擺角、沖擊速度、最大沖擊力、最大沖擊力對應的試樣自由端位移、最大沖擊力對應的沖擊吸收功、總沖擊能量、沖擊力-速度曲線、沖擊力-位移曲線；

(8)停止測試。

1.5 沖擊數據處理方法

點焊沖擊試驗最主要的試驗結果參數是沖擊載荷力、沖擊位移量、沖擊吸收功，其中最主要的輸出數據就是沖擊力-位移曲線、沖擊功-位移曲線。本試驗針對 DP590，設定電極壓力(4.0 kN)、焊接時間(500 ms)，僅僅改變焊接電流，范圍從 3.0～7.0 kA，步進值設定為0.5 kA。在每個工藝參數條件下重復試驗 3 次，取平均值。針對沖擊吸收功的判定，參照一般材料力學性能測試準則(載荷力越過峰值后，焊點出現開裂即認定失效)，以最大峰值載荷力對應的載荷-位移量曲線積分值為焊點沖擊吸收的能量值(如圖4)。

圖4 點焊沖擊吸收功定義示意圖

2 試驗結果及分析

2.1 沖擊性能結果

表2為DP590點焊沖擊性能測試試驗結果。表中焊點失效模式“IF”表示界面分離， “PF”表示焊核拔出。

表2 點焊沖擊試驗結果(DP590)

從圖5可以看出，隨著焊接電流增大，DP590焊點沖擊載荷力與吸收功均增加，但是當焊接電流增大到一定程度后，沖擊載荷與吸收功又有所降低，這主要是焊點飛濺導致焊點強度降低，這一點與靜態力學性能測試結果完全一致，說明飛濺不僅影響焊點的靜態強度，也會對焊點在實際碰撞過程中體現出來的吸能效果等產生不良影響。如圖6所示，相比于同一焊接參數條件下的靜態拉伸性能值，DP590的動態峰值沖擊載荷力明顯要高，這與金屬材料特有的應變速率敏感性有關，隨著加載速率的提升，焊點“脆性”增強。由圖6還可以看出當焊點直徑較小時(對應小電流)，焊點沖擊性能值與其靜態拉伸性能值間差異性不大，大尺寸的焊點其沖擊峰值載荷力相比于靜態載荷力增加更為明顯，說明其具有更高的應變速率敏感性。

圖5 沖擊性能vs. 焊接電流

圖6 靜態、沖擊態性能vs. 焊接電流

如圖7，對DP590靜、動態力學性能數據進行公式擬合。由擬合結果可知：DP590焊點靜、動態力學性能之間保持了一定的指數函數關系(擬合相關度≥90%)。因此可以認為針對DP鋼，在一定誤差范圍內，可根據焊點的靜態力學性能，對其沖擊性能值進行預測。圖8為DP590點焊沖擊載荷力與對應的沖擊吸收功之間的關系，可以看出：隨著沖擊載荷力增長，焊點的吸收功也隨之增大，二者也近似呈現出顯著指數函數關系。

圖7 靜、動態沖擊性能擬合曲線

圖8 沖擊載荷力-沖擊功擬合曲線

2.2 沖擊斷裂

如圖9所示，在沖擊態條件下隨著焊接電流的增加，焊點的失效模式與靜態模式下的變化規律類似，即當焊點直徑較小(小電流)時，以界面分離模式失效；隨著焊點直徑增加(電流增加)，失效模式逐漸向紐扣拔出、母材撕裂等模式轉變，對應的焊點極限載荷和極限載荷吸收功也增加。

(a)界面分離 (b)紐扣拔出

(c)母材撕裂

圖10為本試驗DP590在同樣點焊工藝參數條件下得到的試樣在靜態及沖擊態兩種加載條件下的斷口形貌，可以看出在靜態條件下斷口表現為韌性斷裂特征，而在沖擊條件下斷口呈現出更為顯著的準解離斷裂形貌特征，這也是造成沖擊載荷下焊點趨于脆性的原因。

(a)靜態 (b)沖擊

3 結論

(1)隨著焊接電流增加，DP590焊點沖擊載荷與吸收功均增加，但是當焊接電流增大到一定程度后，沖擊載荷與吸收功又有所降低，這主要是焊點飛濺導致焊點強度降低，這一點與靜態力學性能測試結果完全一致；

(2)焊接電流相同時，DP590焊點沖擊載荷要高于靜態載荷，且在大電流時兩者差距更為明顯，說明大電流時焊點具有更高的應變速率敏感性；

(3)DP590點焊焊點在沖擊時焊點的失效模式與靜態受力時變化規律類似，即當焊接電流較小時(焊點直徑小)，以界面分離模式失效；但是隨著焊接電流增加(焊點直徑增加)，失效模式逐漸向紐扣拔出、母材撕裂等模式轉變，其斷口形貌在靜態下呈韌性斷裂特征，沖擊態下則表現為準解離斷裂特征。