熱沖壓成形鋼與雙相鋼點焊接頭組織及顯微硬度分析

孟根巴根，趙 光，許 曉，林 果

(唐山鋼鐵集團有限責任公司，河北 唐山 063016)

近年來，隨著人們對能源和環境危機的重視，作為國民經濟支柱產業的汽車工業發展遇到了新的瓶頸，輕量化作為降低油耗和廢氣排放的主要措施應運而生。作為輕量化的有效手段，各種成形性佳、強度高的先進高強鋼受到廣泛關注[1-2]。

熱成形鋼因其超高強度、極佳塑性成形性、高能量吸收率和高尺寸精度的優點已為成為提高汽車碰撞性能和車身減輕的主要應用材料，也是目前汽車車身所用強度最高的材料。現有數據來看，熱成形鋼在汽車車身制造中的應用比例逐漸增多，用量還有持續增強的趨勢[3-5]。

汽車白車身制造過程中各個零部件間的最主要連接方式是電阻點焊，一輛汽車上5000～6000個焊點質量的好壞直接影響車身的各項性能[6-7]。承載汽車安全性的主要結構件的材料為熱成形超高強度鋼，與其連接的材料多為雙相鋼。熱沖壓成形用鋼的內部組織為細小的板條馬氏體，因此其強度和硬度都很高，但由于其碳當量較高，因此在焊接過程中會遇到一系列問題。本文以1.8 mm厚T1500HS熱成形鋼和1.3 mm 厚DP600雙相鋼焊點為研究對象，分析了不同焊接工藝下點焊接頭的組織及顯微硬度變化，以期為科技研究和生產加工提供理論支撐和經驗參考。

1 試驗材料及焊接工藝

1.1 試驗材料

本研究所采用的試驗材料為河鋼唐鋼生產的熱成形鋼T1500HS和冷軋退火雙相鋼DP600，其主要成分和拉伸性能分別列于表1和表2中。從中可以看出兩個鋼種的化學成分和力學性能存在較大差異，因而其點焊連接存在一定的挑戰性。

表1 試驗鋼種的化學成分(wt%)

表2 試驗鋼種的拉伸性能

1.2 焊接工藝

電阻點焊的工藝參數如表3所示，參數中電極壓力、焊接時間、冷卻時間、保持時間和脈沖數保持不變，而僅改變焊接電流的大小。焊點接頭由線切割沿橫截面加工后鑲嵌為測試樣品，宏觀形貌由Axio Scope A1體視顯微鏡觀察，顯微組織由 Axio-Lab.A1-W-1金相顯微鏡測試并采用Tukon2500 硬度計測試焊點接頭的顯微硬度。

表3 焊接工藝參數

2 試驗結果和分析

2.1 接頭顯微組織特征

兩種不等厚異種鋼板使用電阻點焊方式進行連接，通過分析焊接接頭的組織特征和性能來評價其焊接性。焊點接頭由焊核區(FZ)、熱影響區(HAZ)和母材區(BM)三個區域構成，其中焊核為母材金屬在焊接過程中受熱熔化再經冷卻凝固形成，熱影響區經歷的熱循環低于金屬熔點，但組織較母材已發生了改變，母材區未經歷焊接熱循環，組織未發生轉變。圖1為焊點接頭T1500HS側宏觀形貌，同雙相鋼DP600比，熱成形鋼T1500HS具有更高的電阻率和熱導率，所以其熱影響區寬度更大。

熱成形鋼T1500HS母材淬火后為完全的馬氏體組織(M)(圖1b和圖2a)。而熱影響區根據焊接過程中經歷的不同熱循環分為 HAZ1、HAZ2、HAZ3三個區域(圖1中c、d、e)。靠近母材的熱影響區HAZ1(圖1c和圖2b)在焊接過程中所經歷的峰值溫度低于Ac1，組織未達到奧氏體狀態，僅發生回火轉變形成回火馬氏體。與其相鄰的熱影響區HAZ2(圖1d和圖2c)經歷熱循環的最高溫度則處于Ac1～ Ac3兩相區之間，部分馬氏體轉變為奧氏體，冷卻后形成鐵素體和馬氏體的混合組織，鐵素體在光學顯微鏡下顏色較亮，在圖1d區域的熱影響區HAZ2同其他區域可以很容易區分開來。靠近焊核區的熱影響區HAZ3焊接熱循環的最高值則高于Ac3而低于金屬的熔點，該區組織在焊接時會完全奧氏體化，并在隨后的快速冷卻過程中轉變為細小的馬氏體組織(圖1e和圖2d)。至于焊核區(圖1f和圖2e)，組織熱循環溫度高于金屬熔點，焊接過程中組織轉變為液態，隨后冷卻形成典型的柱狀晶結構[8]。

圖1 點焊接頭T1500HS側宏觀形貌

焊點雙相鋼DP600側各區域宏觀形貌如圖3所示。DP600的母材組織為鐵素體和馬氏體混合組織(圖3b和圖4a)。其熱影響區與T1500HS一側類似，也分為HAZ1、HAZ2和HAZ3三個區域，只是各個區域的組織構成和形貌有所差別。靠近母材的HAZ1熱影響區熱循環最高溫度低于Ac1，組織中馬氏體發生回火轉變，鐵素體變化不大，最終組織為鐵素體+回火馬氏體的混合組織(圖3c和圖4b)。熱循環最高溫度處于Ac1～Ac3之間的熱影響區HAZ2(圖3d和圖4c)一部分組織發生了相變重結晶，成為晶粒細小的鐵素體和馬氏體，而另一部分鐵素體未被奧氏體化，受熱成長為粗大的鐵素體。所以該區域晶粒大小不一組織不均勻。靠近焊核的熱影響區HAZ3(圖3e和圖4d)熱循環最高溫度高于Ac3，組織完全奧氏體化后，快速冷卻為細小的馬氏體和少量鐵素體組織。而高于金屬熔點的焊核區域(圖3f和圖4e)組織則為熔化后快速凝固形成的粗大板條馬氏體。

(a)母材 (b)HAZ1

(c)HAZ2 (d)HAZ3

(e)熔合區圖2 點焊接頭T1500HS側顯微組織

2.2 接頭顯微硬度分析

焊點接頭的顯微硬度測試位置如圖5中的綠色虛線所示，選取1#、2#、3#和4#四個不同工藝條件下的焊點來表征焊接參數變化對接頭顯微硬度分布的影響，各個焊點顯微硬度分布曲線見圖6-焊點顯微硬度分布曲線。

圖3 點焊接頭DP600側宏觀形貌

(a)母材 (b)HAZ1

(c)HAZ2 (d)HAZ3

(e)熔合區圖4 點焊接頭DP600側顯微組織

圖5 焊點顯微硬度測試位置

從圖6中可以看出，在焊點的熱成形鋼一側，不同的焊接電流情況下，焊核區域和母材的硬度值均在470 HV左右，無明顯差異，這是由于兩個區域都為相同的馬氏體組織結構。但是在四種不同的焊接電流下焊點的焊核區顯微硬度值有明顯的變化，在四種電流參數下，隨著焊接電流的增加焊核區硬度也增大。這是由于材料凝固收縮不一樣導致產生了焊核偏移到熱成形鋼側，而且在焊接熱輸入較大的情況下，馬氏體組織的顯微硬度主要受碳當量的影響，焊核處形成了晶粒粗大的板條馬氏體，因此造成了電流越大焊核區硬度越高。

所有焊接工藝條件下T1500HS一側的熱影響區均出現了明顯的軟化區域，其硬度均值在320 HV左右，明顯低于其母材金屬的470 HV。根據B. WANG 等人研究，熱成形鋼軟化區形成的主要原因是該區馬氏體組織回火和不完全的奧氏體冷卻形成的鐵素體所致[9-10]，由圖2中的b和c可以看出，T1500HS的熱影響區HAZ1和HAZ2分別出現了回火馬氏體和馬氏體+鐵素體的混合組織，所以可以判定焊點T1500HS一側的熱影響區軟化發生在這兩個區域。而靠近焊核的 HAZ3 區域形成了細小均勻的馬氏體組織，所以其硬度較母材有了大幅提升，也成為整個接頭中硬度最高的區域。靠近熱影響區的焊核部位由于冷速很快形成了粗大的板條馬氏體，碳元素基本固溶于其組織中，所以其顯微硬度稍高于母材，而接近焊核中心部位的焊核區金屬由于和DP600成分混合碳當量下降，所以其硬度也有所降低。

在焊點的DP600雙相鋼一側，其顯微硬度自母材、熱影響區到焊核逐漸增大。母材的組織為鐵素體和馬氏體混合組織，因而其硬度較低(僅為220 HV左右)，越靠近焊核中心，熱影響區組織在焊接過程中經歷的最高熱循環物濃度越大，轉變后的組織馬氏體含量越多，因而硬度也越高。

圖6 顯微硬度分布

3 結論

1)焊點自母材、熱影響區到焊核區域，T1500HS一側的顯微組織依次為：馬氏體(BM)、回火馬氏體(HAZ1)、鐵素體+馬氏體(HAZ2)、細晶馬氏體(HAZ3)、板條狀馬氏體(FZ)；DP600一側依次為：鐵素體+少量馬氏體(BM)、鐵素體+馬氏體(HAZ1)、細小鐵素體+馬氏體(HAZ2)、馬氏體+少量鐵素體(HAZ3)、板條狀馬氏體(FZ)；

2)焊點DP600一側的顯微硬度自母材、熱影響區到焊核中心，顯微硬度逐漸增大，而在T1500HS一側則呈現先減小后升高再下降的趨勢，熱影響區出現了明顯軟化現象，焊核中心部位由于和DP600成分混合硬度值也較母材有所下降。