烘烤對980 MPa 先進高強鋼RSW 接頭性能的影響

劉立學，孟根巴根，許曉，夏明生，牟永勝，趙光

（1.唐山鋼鐵集團有限責任公司，河北 唐山 063000；2.臨沂市特種設備檢驗研究院，山東 臨沂 276000）

0 前言

隨著汽車輕量化發展和安全性要求的不斷提高，先進高強度鋼應用于汽車輕量化是大勢所趨，也是必然的選擇[1?3]，白車身中980 MPa 的DP 鋼和第三代汽車鋼Q&P 鋼[4]的應用更日益廣泛 。電阻點焊作為車身的主要連接方式[5?7]，一輛白車身通常有3 000～5 000 個電阻點焊接頭[8]，當前對高強鋼的焊接研究也越來越多，如Lei 等學者[9]發現Q&P980 和DP980 鋼板能夠實現焊核尺寸大于4 mm；胡銀輝[10]研究了DP1000 高強鋼的點焊缺陷和斷裂模式，探討了電極壓力、焊接電流、焊接時間對接頭力學性能和微觀組織的影響。電阻點焊工藝是重要的應用數據庫，基于車身需要經過涂裝烘烤工藝，烘烤后的電阻點焊更貼近實際應用，但是當前對于焊接數據的積累大多集中在烘烤前的連接狀態，烘烤對焊點的影響還鮮有研究，980 MPa 先進高強鋼烘烤后的接頭特點缺乏數據支撐。

1 試驗材料及方法

試驗用鋼采用唐山鋼鐵集團有限責任公司生產的DP980 和QP980，2 種冷軋裸板材料，材料厚度為1.2 mm。試樣的化學成分見表1，力學性能見表2。母材微觀組織如圖1～圖2 所示，DP980 的顯微組織由鐵素體（F）和馬氏體（M）組成，而QP980 的顯微組織由鐵素體、馬氏體、貝氏體（B）及殘余奧氏體（RA）組成。

圖1 DP980 微觀組織

圖2 QP980 微觀組織

表1 母材的化學成分（質量分數，%）

表2 母材力學性能

3 種焊接組合分別為DP980-QP980，QP980-QP980，DP980-DP980。點焊設備采用唐山松下產業機器有限公司YR-500SB2HVE 型單相交流電阻焊機，電極頭尺寸為?16 mm×23 mm，電極帽尖端加工成直徑6 mm的端面，電極帽的材料為CrZrCu。電極壓力4.6 kN，測定各組合的焊接窗口，焊接工藝如圖3 所示。通過調整焊接電流，制備單脈沖每種組合的熔核尺寸的焊點，對焊接平行試樣進行烘烤試驗。烘烤條件：烘烤時間20 min，烘烤溫度170 ℃。

圖3 焊接工藝

顯微硬度采用FM300 型顯微硬度儀測量，顯微硬度測試力值取4.9 N（0.5 kgf），顯微硬度點間距為母材0.4 mm，熱影響區0.2 mm，焊縫0.4 mm，熱影響區0.2 mm，母材0.4 mm。母材打3～5 個點即可，顯微硬度測試示意圖如圖4 所示。

圖4 顯微硬度示意圖

焊點經線切割加工截面后研磨拋光，采用4%硝酸酒精侵蝕觀察。

拉伸設備采用Zwick Roell/Z100，進行十字拉伸和拉剪試驗，試樣尺寸如圖5 和圖6 所示。

圖5 拉剪試樣尺寸

圖6 十字拉伸試樣尺寸

2 試驗結果與討論

2.1 烘烤對組織及硬度的影響

材料在焊接熱循環的作用下形成焊接接頭，點焊接頭由熔核區（WNZ）、熱影響區（HAZ）和母材（BM）組成，其中熱影響區根據溫度場的變化又可細分為加熱溫度在Ac3～1 490 ℃范圍的上臨界熱影響區、Ac1～Ac3范圍的臨界熱影響區、Ac1以下的亞臨界熱影響區。

經過烘烤后，DP980 和QP980 材料相當于低溫回火。鐵素體和馬氏體軟硬相界面上的殘余應力降低，鐵素體中位錯分布從高度不均狀態變為均勻組態，甚至會有碳化物析出；馬氏體低溫回火，碳原子重新分配并向位錯和晶界聚集，在馬氏體島的晶界上滲碳體以薄膜形式析出[11]。馬氏體在低溫回火時，體積會收縮，強度會降低。圖7 為烘烤前后RSW 接頭顯微組織。通過SEM 觀察，DP980 和QP980 母材經烘烤造成馬氏體中C 擴散，使馬氏體島清晰的邊緣開始變得模糊。3 種組合焊點的熔核區均為柱狀凝固的板條馬氏體，上臨界熱影響區也為單一的馬氏體組織，在遠高于Ac3溫度的粗晶區能看到原位奧氏體晶界，晶界內為馬氏體板條群。這些板條馬氏體經烘烤后，從整體上看仍是馬氏體板條形態，但是在馬氏體板條間隙開始有微小的滲碳體析出。

3 種組合RSW 接頭形貌及顯微硬度如圖8～圖9所示。烘烤前QP980-QP980 熔核的硬度約為498 HV，明顯高于DP980-DP980 熔核硬度（382 HV），DP980-QP980 異種材質的熔核硬度約為448 HV，介于QP980-QP980 和DP980-DP980 熔核硬度之間，且硬度分布相對均勻。DP980-QP980 熔核DP 側和QP 側的硬度沒有出現明顯的變化，說明QP980 和DP980 異種材質焊接熔核的成分均勻性較好。QP980-QP980 和DP980-DP980 經烘烤后的熔核硬度分別為487 HV 和374 HV，略有降低，但并不顯著。對于母材來說，由于沒有進行預變形，烘烤后沒有形成柯氏氣團，同時伴隨著馬氏體回火、殘余奧氏體分解和內應力釋放的共同作用，硬度沒有呈現增大的現象。

圖8 3 種組合RSW 接頭形貌

圖9 3 種組合RSW 接頭顯微硬度

上臨界熱影響區的晶粒生長受焊接時的最高加熱溫度及在奧氏體化溫度以上所用的時間影響。DP980-DP980 和QP980-QP980 組合的上臨界熱影響區硬度分布均是從粗晶區向細晶區逐漸升高。相比于熔核區，上臨界熱影響區的馬氏體尺寸較小，其硬度高于熔核區，且隨著晶粒尺寸的不斷減小而升高，直到熱影響區峰值溫度略高于Ac3的細晶熱影響區達到最大值，這一點與田飛等學者[12]研究的QP980 焊縫硬度最高值出現在細晶區一致。DP980-QP980 異種材質接頭的上臨界熱影響區與熔核的成分有顯著的差異，在QP980 側和DP980 側的粗晶區發生硬度的跳變。

臨界熱影響區在升溫過程中DP980 和QP980 母材的馬氏體及少量貝氏體組織轉變為奧氏體。由于在奧氏體化過程中碳的重新分配，使得該區域所形成奧氏體的淬硬性高于母材，在電阻點焊較快的冷卻條件下，奧氏體在冷卻過程中可以轉變為馬氏體、鐵素體等組織結構，硬度較細晶熱影響區有明顯的下降。

峰值溫度低于奧氏體化溫度Ac1的區域與母材的組織變化并不明顯，為亞臨界熱影響區，母材中馬氏體發生回火形成回火馬氏體，出現軟化現象。該區域的峰值溫度約為600～700 ℃，其強度弱于母材，更容易發生失效。

2.2 烘烤對性能的影響

3 種組合的拉剪性能如圖10 所示，3 種組合熔核尺寸為時的剪切拉伸吸收能量如圖11 所示，烘烤前后的拉剪性能參數見表3。DP980-DP980 焊點的熔核尺寸能夠滿足汽車廠關于高強鋼抗剪切拉伸載荷不低于16 kN 的要求，經烘烤后抗拉剪峰值載荷進一步提升，提高了7.81%。DP980-QP980 和QP980-QP980 抗拉剪峰值載荷經過烘烤后都有一定程度的提高。在拉剪試驗中，最大剪切力下的吸收能量表征了焊點對沖擊載荷的吸收能力，吸收能量值越高越有利于車輛碰撞的安全性。吸收能量值為拉伸曲線、位移軸、最大力至位移軸的垂線之間的面積。烘烤后的吸收能量都明顯高于烘烤前，提升幅度都在10%以上，其中DP980-DP980 提升了22.16%，QP980-QP980 提升了22.04%。焊點拉剪試驗中產生最大剪切力時的位移表征了焊點開裂前的變形能力，3 種組合同尺寸的熔核經過烘烤后，最大位移均有所提升。DP980-DP980 界面斷裂模式的位移較小，變形能力最弱。在烘烤后，3 種組合的接頭剪切拉伸達到極限載荷所吸收的能量均有較為明顯的提高，可見烘烤可以改善3 種接頭組合的接頭韌性，提高強度，提高吸收能量。

圖10 烘烤前后拉剪位移載荷曲線

圖11 烘烤前后拉剪能量吸收對比

表3 烘烤前后的拉剪性能參數

通過十字拉伸性能對比如圖12～圖13 所示，烘烤前后的十字拉伸性能參數見表4。在熔核尺寸為時，未進行烘烤接頭的十字拉伸強度從高到低依次為DP980-DP980，DP980-QP980，QP980-QP980；烘烤后DP980-DP980 組合的十字拉伸峰值載荷和能量吸收變化不是很明顯，而DP980-QP980 和QP980-QP980組合的十字拉伸峰值載荷則有顯著的提高，均提升了50%以上，且3 種接頭經烘烤后具有相近的能量吸收。由于烘烤回火后消除了殘余應力，焊點的韌性得到改善，接頭十字拉伸性能得到提升。

圖12 烘烤前后十字拉伸位移載荷曲線

圖13 烘烤前后十字拉伸能量吸收對比

表4 烘烤前后的十字拉伸性能參數

2.3 失效模式分析

圖14 接頭拉剪斷裂圖

圖15 為DP980-DP980 焊點發生界面撕裂失效模式接頭的宏觀斷口和微觀斷口形貌。界面斷裂區宏觀斷口平齊而明亮，且有金屬光澤。裂紋的萌生始于從焊核結合面外側缺口，然后平行于試件加載的方向向焊核內部擴展，焊核的抗剪能力不足導致界面斷裂。界面失效一般發生在熔核中心的凝固線，凝固線是焊點凝固過程中的最后凝固位置，容易產生元素偏析，并可能存在縮孔、縮松等缺陷，屬于熔核的薄弱區域。從微觀斷口形貌看，失效界面斷口主要為平順的解理斷裂，在靠近焊核中心區域所受切應力相比焊核邊緣小，受力時間長，具有少量的淺韌窩狀。

圖15 DP980-DP980 界面斷裂失效的斷口

焊核拔出失效是較為理想的焊點斷裂方式，其裂紋擴展路徑較界面斷裂模式更為復雜。焊點超過臨界熔核直徑時，從板料結合面焊點尖端缺口處產生的裂紋，未能沿界面擴展。由于熱影響區的組織不均勻，存在回火的軟區和熔池邊緣固液兩相熔合線2個薄弱環節，在應力集中的作用下這2 條擴展路徑呈競爭模式。在力的作用下，裂紋在熱影響區沿板厚方向和熔合線方向繼續擴展，最后發生焊核拔出失效。DP980 和QP980 的母材硬度相近，都存在斷裂的可能性，但是在DP980 一側斷裂的更多，這與QP980側熱影響區的硬度更高有一定關系，DP980 側的軟化區。DP980-QP980 和QP980-QP980 在的熔核尺寸條件下，焊核拔出失效微觀斷口形貌如圖16～圖17所示，區域具有宏觀解理特征，在解理面的周圍也分布著細小的韌窩。

圖17 QP980-QP980 烘烤前后焊核拔出失效模式

十字拉伸的失效模式在烘烤前后均為焊核拔出斷裂，且DP980-QP980 的十字拉伸斷裂位置多出現在QP980 一側，如圖18 所示。為進一步確定DP980-DP980，DP980-QP980，QP980-QP980 點焊十字拉伸接頭失效路徑，采用線切割制作失效截面進行微觀金相分析，如圖19 所示。DP980-DP980，DP980-QP980，QP980-QP980 組合的十字拉伸斷裂起始位置基本都是從應力最大的焊點兩側的板料之間，破壞塑性環形成初始裂紋，沿結合面擴展至熔核邊緣。QP980 的含碳量更高，其粗晶熱影響區具有更高的淬硬性，且在熔核區與熱影響區的熔合線位置存在一段比DP980更寬的過渡區?部分熔化區，其溫度界于固相線與液相線之間，屬于固液兩相區，凝固過程中冷裂紋傾向于在此處萌生[13]。結合面的起始裂紋遇到熔核后受阻，在正向拉伸作用下，母材與焊點之間出現較大角度的偏轉，而QP980 粗晶熱影響區與熔核之間的交界熔合線位置的裂紋敏感性更強，隨著拉伸過程中角度的偏轉，部分熔化區的剪切載荷快速提升，比DP980 的近似區域更早產生微裂紋，之后迅速沿熔核與粗晶熱影響區交界面的固液兩相熔合線或經軟化區沿板厚方向擴展直到被拉斷。在十字拉伸過程中，QP980-QP980 組合的裂紋擴展路徑更傾向于沿熔核與粗晶熱影響區之間的熔合線，而DP980-DP980更傾向于向硬度迅速降低的軟區擴展，DP980-QP980則出現了大部分在QP980 側開裂的現象。

圖18 接頭十字拉伸斷裂圖

圖19 十字拉伸焊核拔出失效截面圖像

烘烤后對于QP980 部分熔化區（熔合線）的裂紋敏感性有所改善，裂紋沿熔合線擴展的傾向有所減緩，呈現如圖20 所示的裂紋擴展由A→C→B 變化的趨勢。這也是造成烘烤后DP980-QP980 和QP980-QP980十字拉伸強度提升的原因。

圖20 十字拉伸裂紋擴展示意圖

3 結論

（1）烘烤對焊點的金相組織結構沒有顯著影響，組織呈現一定的回火特性；烘烤使熔核硬度有一定的降低，但是并不顯著。

（2）烘烤提升接頭拉剪強度和接頭吸收能量，對拉剪失效模式沒有顯著影響，熔核直徑條件下，烘烤前后DP980-DP980 的拉剪斷裂模式均為界面斷裂，DP980-QP980 和QP980-QP980 為焊核拔出；DP980-QP980 異種材料組合點焊的失效開裂多出現在DP980 一側。熔核尺寸為時，未進行烘烤接頭的十字拉伸強度從高到低的組合依次為DP980-DP980，DP980-QP980，QP980-QP980；烘烤提升十字拉伸接頭強度和吸收能量，對烘烤工藝的敏感性由高到低依次為QP980-QP980，DP980-QP980，DP980-DP980；對于DP980-QP980 和QP980-QP980 接頭，烘烤提升十字拉伸強度分別為56%和63%，吸收能量分別為27%和67%；烘烤后3 種組合具有相近的能量吸收。

（3）在十字拉伸過程中，在拉力作用下裂紋起始于焊點兩側的板料之間，破壞塑性環形成初始裂紋。裂紋沿結合面擴展至熔核邊緣，然后垂直于板料擴展，直至熔核拔出。DP980-DP980 的失效模式在烘烤前后沒有顯著變化，DP980-QP980 的QP980 側熔核被拔出，QP980 側的裂紋擴展路徑烘烤后呈現從熔合線向母材偏移的的趨勢。與DP980 相比，QP980 碳含量更高，焊縫和熱影響區生成的馬氏體更加硬脆，回火促進了碳擴散和接頭應力釋放，改善了接頭強韌性。