B1500HS熱成形鋼與DP鋼的點(diǎn)焊接頭拉剪性能

孫浩， 劉成杰, 2， 畢文珍, 2， 郭亞洲， 王武榮， 韋習(xí)成

(1.上海大學(xué)，上海 200444；2.寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院，汽車用鋼開(kāi)發(fā)與應(yīng)用技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(寶鋼)，上海 200126；3.上海汽車集團(tuán)股份有限公司乘用車公司，上海 201804)

0 前言

電阻點(diǎn)焊(RSW)因其成本低、性能好、操作方便而成為汽車車身的主要焊接技術(shù)[1]。隨著輕量化技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)高強(qiáng)度鋼(AHSS)的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化而不降低安全性有效途徑之一[2]。熱成形鋼具有超高抗拉強(qiáng)度(一般≥1 500 MPa)和較好成形性，廣泛應(yīng)用于車身的防撞結(jié)構(gòu)件，如A柱、B柱和防撞梁等[3]。隨著車身AHSS鋼應(yīng)用比例日益增長(zhǎng)，熱成形鋼零件與不同強(qiáng)度級(jí)別的雙相鋼(DP)零件的RSW接頭量也同步增加，其接頭強(qiáng)度必然會(huì)影響車身質(zhì)量和安全性。因此，研究RSW接頭性能和失效特征，對(duì)提高車輛的耐久性和安全性具有重要意義。

Tamizi等人[4]對(duì)熱成形鋼RSW接頭拉剪斷裂行為的研究表明，接頭的斷裂起源于嚴(yán)重軟化的亞臨界熱影響區(qū)(SCHAZ)，且對(duì)接頭強(qiáng)度有重要影響。對(duì)1 500 MPa級(jí)熱成形鋼[5-6]點(diǎn)焊接頭的硬度分布結(jié)果顯示，熱成形鋼側(cè)SCHAZ的硬度比基體的降低約35%～40%。Baltazar等人[7-8]采用納米壓痕試驗(yàn)研究了DP980電阻點(diǎn)焊熱影響區(qū)(HAZ)的軟化特性。其軟化主要發(fā)生在SCHAZ，硬度下降約10%。Xia等人[9]的研究表明，DP鋼的軟化程度與基體中馬氏體體積分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)的線性關(guān)系。雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)熱成形鋼的RSW接頭進(jìn)行了大量研究[10-12]，但大多是對(duì)自連接的AHSS點(diǎn)焊接頭組織性能的研究，對(duì)其與異種材料連接接頭的對(duì)比研究相對(duì)較少[13-14]。

對(duì)此，文中以B1500HS分別與DP780，DP980，DP1180組成的RSW接頭為研究對(duì)象，在研究其抗拉強(qiáng)度基礎(chǔ)上，對(duì)接頭的組織、硬度分布及軟化機(jī)理進(jìn)行了比較研究，以期指導(dǎo)熱成形鋼的工程應(yīng)用。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)所用材料為寶鋼B1500HS熱成形鋼和DP780鋼、DP980鋼和DP1180鋼。B1500HS鋼厚度均為1.6 mm，DP780鋼的厚度為1.2 mm，DP980鋼和DP1180鋼的為1.4 mm，其化學(xué)成分和力學(xué)性能見(jiàn)表1。圖1為4種鋼板材料的金相組織。B1500HS壓淬后的組織為全馬氏體，DP780，DP980和DP1180的組織為馬氏體+鐵素體。

表1 板材的化學(xué)成分及力學(xué)性能

圖1 鋼板金相照片

1.2 試驗(yàn)方法與設(shè)備

在THP01-500A四柱單動(dòng)高速壓力機(jī)上，采用平板淬火模具及冷卻系統(tǒng)，模擬B1500HS的熱成形過(guò)程。試驗(yàn)用加熱爐為HT-1800M高溫爐(最高加熱溫度1 800 ℃)。參數(shù)如下：加熱溫度930 ℃，保溫時(shí)間4 min，下壓速度90 mm/s，保壓時(shí)間15 s，保壓噸位130 t。

點(diǎn)焊試驗(yàn)在寶鋼的梅達(dá)DM150工頻交流點(diǎn)焊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，電極材料為CrCu合金、端部直徑6 mm，點(diǎn)焊使用雙脈沖電流方式進(jìn)行。由于研究主要聚焦于與實(shí)際生產(chǎn)相結(jié)合的點(diǎn)焊接頭性能，故研究的焊接工藝直接選用實(shí)際生產(chǎn)的成熟工藝。主要焊接參數(shù)為焊接電流7.5 kA，焊接時(shí)間分2個(gè)周波各10 cyc，2個(gè)周波之間間隔1 cyc，電極壓力3.6 kN。根據(jù)通用標(biāo)準(zhǔn)GWS-5A《Test procedures resistance spot welding of steel》，由2塊150 mm×50 mm的矩形鋼板搭接焊接而成，重疊部分為50 mm×50 mm，熔核在重疊部分中心位置，如圖2所示。由于拉剪試樣搭接后的不對(duì)稱，為消除因夾持不居中造成點(diǎn)焊接頭在拉剪試驗(yàn)中板材附加彎矩，在試樣兩側(cè)夾持部位添加與該側(cè)母材等厚的墊片。接頭的拉剪試驗(yàn)在MTS C45-305拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸速率10 mm/min，試驗(yàn)數(shù)據(jù)為至少3次試驗(yàn)結(jié)果的平均值。

圖2 拉剪試樣的形狀和尺寸

采用尼康MA100金相顯微鏡(OM)觀察板材和點(diǎn)焊接頭顯微組織。使用VHX-1500超景深顯微鏡觀察焊縫宏觀形貌。使用ZEISS SIGMA300掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)HAZ的顯微組織和成分進(jìn)行觀察和分析，使用SEM觀察點(diǎn)焊接頭斷口形貌。點(diǎn)焊接頭顯微硬度測(cè)試在MH-3型顯微硬度計(jì)上進(jìn)行，加載載荷2.94 N，保持時(shí)間10 s。根據(jù)通用標(biāo)準(zhǔn)GWS-5A進(jìn)行點(diǎn)焊接頭顯微硬度的測(cè)試，顯微硬度沿熔核對(duì)角線方向測(cè)試，如圖3所示。

圖3 顯微硬度分布示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 B1500HS/DP1180接頭的組織

圖4為B1500HS/DP1180點(diǎn)焊接頭熱影響區(qū)宏觀組織，其中上部為B1500HS，下部為DP1180。圖5和圖6為B1500HS/DP1180點(diǎn)焊接頭熱影響區(qū)不同區(qū)域顯微組織。圖5為B1500HS側(cè)HAZ微觀組織。根據(jù)HAZ的峰值溫度的影響，將HAZ可分為粗晶熱影響區(qū)(CGHAZ，圖5a)、細(xì)晶熱影響區(qū)(FGHAZ，圖5b)、臨界熱影響區(qū)(ICHAZ，圖5c)和亞臨界熱影響區(qū)(SCHAZ，圖5d)4個(gè)部分。CGHAZ和FGHAZ屬于完全淬火區(qū)，兩者其峰值溫度在Ac3以上，組織為全馬氏體；與FGHAZ相比，CGHAZ馬氏體板條較粗大，因?yàn)槠浜腿酆藚^(qū)相鄰，峰值溫度高，馬氏體形核驅(qū)動(dòng)力較大；ICHAZ屬于不完全淬火區(qū)，其峰值溫度在Ac1和Ac3之間，組織呈鐵素體(α)+馬氏體(M)兩相組織；SCHAZ屬于回火區(qū)域，峰值溫度小于Ac1，組織僅發(fā)生回火轉(zhuǎn)變，電阻點(diǎn)焊過(guò)程中加熱時(shí)間極短，時(shí)間可以忽略，屬于非等溫回火[8]。此外，從圖4e可見(jiàn)大量細(xì)小的碳化物顆粒沿著原奧氏析晶界、馬氏體塊邊界等位置彌散析出。與文獻(xiàn)[4, 8]對(duì)馬氏體鋼和雙相鋼焊接接頭的非等溫回火的研究結(jié)果一致。

圖4 宏觀組織

圖5 B1500HS側(cè)HAZ微觀組織

圖6是DP1180側(cè)HAZ微觀組織。其組織演變規(guī)律與B1500HS側(cè)相似，圖6a是CGHAZ的SEM照片，圖6b是FGHAZ的SEM照片，圖6c是ICHAZ的SEM照片，圖6d是SCHAZ的SEM照片。在ICHAZ中，白色塊狀鐵素體在原DP1180馬氏體邊界生成。而在SCHAZ，白色亞微米碳化物顆粒可以沿著原奧氏體晶界，馬氏體板條塊等位置析出[8]。因此，DP1180側(cè)ICHAZ和SCHAZ組織形貌的相似度較高。

圖6 DP1180側(cè)HAZ微觀組織

B1500HS/DP780和B1500HS/DP980點(diǎn)焊接頭的HAZ組織演變情況和B1500HS/DP1180的相似，此處不再贅述。

2.2 3種點(diǎn)焊接頭的拉剪性能及斷裂模式

圖7為3種點(diǎn)焊接頭拉剪斷裂的峰值力。DP780，DP980和DP1180與B1500HS的點(diǎn)焊接頭最大拉剪力平均值分別為22.62 kN，23.92 kN和24.04 kN。三者差值較小，最大差值不足5%。說(shuō)明文中研究的3種DP鋼的強(qiáng)度對(duì)接頭的拉剪強(qiáng)度影響較小。

圖7 不同DP鋼與B1500HS點(diǎn)焊接頭在拉剪測(cè)試中的斷裂力

圖8為拉剪斷裂試樣的宏觀照片。可以看到，3組點(diǎn)焊接頭斷裂方式均為半界面斷裂。對(duì)于B1500HS/DP780(圖8a,)而言，焊核被從DP780側(cè)拔出；B1500HS/DP980和B1500HS/DP1180的焊核被從B1500HS側(cè)拔出(圖8b和圖8c)。這說(shuō)明在B1500HS/DP780的拉剪過(guò)程中，接頭的失效首先起源于DP780一側(cè)，其斷裂模式與DP780側(cè)的HAZ組織和性能密切相關(guān)。而對(duì)另外2種接頭而言，其失效則起源于B500HS側(cè)，接頭強(qiáng)度應(yīng)取決于B1500HS的HAZ組織和性能。

圖8 拉剪斷裂試樣宏觀形貌

圖9為3種點(diǎn)焊接頭拉剪斷口截面形貌。從圖9a可見(jiàn)，焊核從DP780側(cè)撕裂，留在B1500HS側(cè)。拉剪過(guò)程中，DP780側(cè)SCHAZ最先開(kāi)始出現(xiàn)頸縮，隨后出現(xiàn)裂紋直至焊核完全拔出。該區(qū)域組織經(jīng)歷了高溫回火，且DP780基體強(qiáng)度遠(yuǎn)小于B1500HS基體強(qiáng)度，成為了點(diǎn)焊接頭最薄弱處。相反，由于缺口的應(yīng)力集中效應(yīng)，最終焊核拔出并不與初始斷裂位置對(duì)稱，而是在熔核區(qū)和HAZ之間的過(guò)渡區(qū)域。綜上，點(diǎn)焊接頭中，SCHAZ由于回火引起的嚴(yán)重軟化和熔核區(qū)和HAZ之間過(guò)渡區(qū)的缺口應(yīng)力集中效應(yīng)而成為點(diǎn)焊接頭薄弱處。圖9b和圖9c分別是B1500HS/DP980和B1500HS/DP1180的拉剪斷口截面形貌。可見(jiàn)2組焊點(diǎn)斷裂方式與B1500HS/DP780的相同，均為紐扣斷裂，但其熔核從B1500HS側(cè)拔出，分別留在DP1180和DP980側(cè)。這說(shuō)明B1500HS為點(diǎn)焊接頭中的薄弱方，點(diǎn)焊接頭失效從B1500HS開(kāi)始，點(diǎn)焊接頭強(qiáng)度取決于B1500HS。因此，為提高汽車的安全性，在研究RSW接頭斷裂行為時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注這些區(qū)域的組織和硬度變化。

圖9 拉剪斷裂截面形貌

2.3 斷裂機(jī)理分析

2.3.1點(diǎn)焊接頭硬度分布

圖10為3種點(diǎn)焊接頭的顯微硬度分布。對(duì)B1500HS/ DP780而言，B1500HS側(cè)熔核區(qū)與HAZ之間的過(guò)渡區(qū)域有輕微硬度下降趨勢(shì)，Eller等人[15]的研究中也觀察到這種現(xiàn)象。Sherepenko等人[16]發(fā)現(xiàn)，碳偏析的影響可以解釋熔融邊界的軟化。起源于液相或γ相的高溫δ鐵素體在加熱過(guò)程中在熔融邊界形成。在隨后的快速冷卻過(guò)程中，它可能會(huì)限制碳的重新分配。B1500HS側(cè)CGHAZ的馬氏體板條粗大(圖5b)，硬度值略有上升，最大達(dá)466.0 HV0.3。在ICHAZ中，該區(qū)域形成了α+M兩相組織，硬度開(kāi)始快速下降。在SCHAZ中，回火導(dǎo)致碳化物析出(圖5a)，馬氏體過(guò)飽和度下降，但少量碳化物的析出不足以彌補(bǔ)因回火導(dǎo)致的硬度降低，硬度值最低達(dá)297.4 HV0.3，較基體硬度(420 HV0.3)下降約29%，軟化嚴(yán)重。DP780側(cè)的SCHAZ硬度值為268.7 HV0.3，和其基體硬度(273 HV0.3)相比，無(wú)明顯軟化現(xiàn)象。

圖10 3種點(diǎn)焊接頭的硬度分布

在B1500HS/DP980組中，B1500HS側(cè)CGHAZ硬度上升，最大值為515.9 HV0.3，SCHAZ硬度最小值為303.7 HV0.3，較其基體硬度470 HV0.3下降約35%。

DP980側(cè)SCHAZ硬度最小值為273.6 HV0.3，基體硬度為330 HV0.3，硬度較基體下降約17%。在B1500HS/DP1180組中，B1500HS側(cè)CGHAZ硬度上升，最大值為537.3 HV0.3，SCHAZ硬度最小值為302.4 HV0.3，較其基體硬度470 HV0.3下降約36%。在DP1180側(cè)，CGHAZ硬度無(wú)明顯上升，SCHAZ硬度最低，其值為301.3 HV0.3，較其基體硬度400 HV0.3下降約25%。表2對(duì)3種點(diǎn)焊接頭B1500HS和DP鋼側(cè)熱影響區(qū)硬度最大值、最小值和軟化率進(jìn)行了對(duì)比。

表2 3組點(diǎn)焊接頭熱影響區(qū)硬度最大值、最小值和軟化率 HV0.3

2.3.2點(diǎn)焊接頭SCHAZ組織分析

為了研究接頭軟化與組織的關(guān)系，對(duì)3種接頭的SCHAZ組織進(jìn)行了分析。圖11為3種接頭B1500HS側(cè)和DP鋼側(cè)SCHAZ的SEM照片，對(duì)應(yīng)3種接頭首先出現(xiàn)頸縮的部位。B1500HS側(cè)SCHAZ大量細(xì)小的亞微米級(jí)碳化物沿原奧氏體晶界、馬氏體塊邊界和馬氏體板束等位置析出，馬氏體過(guò)飽和度下降。在3種DP鋼的SCHAZ中，隨著DP鋼強(qiáng)度上升，鐵素體量下降，回火馬氏體量增加，相應(yīng)的軟化程度增大。相反，DP鋼強(qiáng)度級(jí)別越高，對(duì)應(yīng)的基體硬度越高，接頭的SCHAZ軟化越嚴(yán)重。雖然3種接頭DP鋼側(cè)的軟化程度不同，但其SCHAZ的硬度接近(268.7 HV0.3，273.6 HV0.3和301.9 HV0.3)，三者的SCHAZ硬度差值遠(yuǎn)小于其基體的硬度差(273 HV0.3，330 HV0.3和400 HV0.3)，見(jiàn)表2。

圖11 3種點(diǎn)焊接頭SCHAZ組織

對(duì)于B1500HS/DP780，由于DP780的HAZ無(wú)明顯軟化現(xiàn)象，且其基體硬度較低，導(dǎo)致在拉剪試驗(yàn)過(guò)程中最終從該側(cè)HAZ斷裂(圖9a)。對(duì)于B1500HS/DP980和B1500HS/DP1180，B1500HS的HAZ表現(xiàn)出更嚴(yán)重的軟化現(xiàn)象，且CGHAZ和SCHAZ之間的硬度梯度較大(表2)，導(dǎo)致B1500HS側(cè)HAZ首先開(kāi)始頸縮(圖9b和圖9c)。因此，在B1500HS與異種鋼的焊接中，也應(yīng)該關(guān)注對(duì)焊DP鋼的強(qiáng)度。隨著DP鋼強(qiáng)度的上升(主要是馬氏體含量增加)，焊核拔出位置會(huì)由DP鋼側(cè)轉(zhuǎn)變到B1500HS側(cè)。

3 結(jié)論

(1)根據(jù)HAZ的峰值溫度的影響, 可以將HAZ分為粗晶HAZ，細(xì)晶HAZ，臨界HAZ和亞臨界HAZ。其中粗晶HAZ和細(xì)晶HAZ屬于完全淬火區(qū)，組織為馬氏體；臨界HAZ屬于不完全淬火區(qū)，組織為鐵素體+馬氏體；亞臨界HAZ經(jīng)歷回火轉(zhuǎn)變，馬氏體過(guò)飽和度下降，板條分解，有細(xì)小的碳化物析出。

(2)3種點(diǎn)焊接頭強(qiáng)度最大拉剪力平均值分22.62 kN，23.92 kN和24.04 kN，三者差值較小，最大差值不足5%。對(duì)于B1500HS/DP780，焊核從DP鋼側(cè)拔出；而對(duì)于B1500HS/DP980和B1500HS/DP1180，焊核從B1500HS側(cè)拔出。初始斷裂位置在亞臨界HAZ，最終斷裂位置在熔核區(qū)和HAZ之間的過(guò)渡區(qū)域。

(3)B1500HS側(cè)亞臨界HAZ軟化嚴(yán)重，較基體硬度下降約29%～36%，而DP780無(wú)明顯軟化現(xiàn)象，DP980和DP1180側(cè)的亞臨界HAZ軟化率分別為17%和25%。隨著DP鋼強(qiáng)度的上升，焊核拔出位置會(huì)由DP鋼側(cè)轉(zhuǎn)變到B1500HS側(cè)。