TRIP800鋼板點(diǎn)焊接頭的組織和性能

于 燕，楊海峰，張小盟

（長春工業(yè)大學(xué)先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春130012）

0 引 言

TRIP鋼是目前最具發(fā)展?jié)摿Φ男乱淮囉娩?，具有高的屈服?qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延展性以及沖壓成形能力等優(yōu)點(diǎn)。該鋼用于汽車車身可減輕整車質(zhì)量、降低油耗，同時(shí)該鋼的能量吸收能力強(qiáng)，能夠抵御撞擊時(shí)的塑性變形，有效保障乘員安全，顯著提高汽車的安全等級［1-2］。

在汽車工業(yè)生產(chǎn)中電阻點(diǎn)焊是主要的鋼板連接方法，也是目前車身制造中最重要的連接工藝，占車身裝配工作量的90%以上，所以電阻點(diǎn)焊質(zhì)量的好壞將會直接影響整車的質(zhì)量和性能。TRIP鋼的電阻點(diǎn)焊技術(shù)的研究與開發(fā)，對于節(jié)約資源、降低能耗和可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。然而，TRIP鋼具有較高的碳當(dāng)量，在焊接前就存在非穩(wěn)定組織超級貝氏體（B＋F），易出現(xiàn)焊后硬化現(xiàn)象［3］，而且目前對該鋼點(diǎn)焊接頭性能的研究較少。為此，作者對TRIP800鋼板進(jìn)行了點(diǎn)焊試驗(yàn)，研究了TRIP800鋼板點(diǎn)焊接頭的力學(xué)性能、顯微組織以及斷口形貌，希望能為實(shí)際生產(chǎn)提供參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用待焊材料為板厚1.8mm 的TRIP800鋼板，其顯微組織主要為鐵素體（F）、超級貝氏體（B＋F）和殘余奧氏體（γ），如圖1 所示。試樣尺寸為100mm×25mm×1.8mm，在長度方向搭接25mm進(jìn)行點(diǎn)焊，焊接件形式與尺寸如圖2所示。表1為試驗(yàn)用TRIP800鋼板的化學(xué)成分，表2為其拉伸性能。

焊接試驗(yàn)采用固定式DN-100 型凸點(diǎn)焊機(jī)進(jìn)行，選擇端面直徑6 mm 的錐形電極，對TRIP800鋼板進(jìn)行雙面單點(diǎn)焊接，點(diǎn)焊工藝參數(shù)：電極壓緊力4.0kN，焊接時(shí)間20周波（1周波＝0.02s），焊接電流8.0kA。

圖1 試驗(yàn)用TRIP800鋼的顯微組織Fig.1 Microstructure of tested TRIP800 steel

圖2 試樣的焊接形式與尺寸Fig.2 Welding type and dimenison of samples

表1 試驗(yàn)用TRIP800鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of tested TRIP800steel（mass） %

表2 試驗(yàn)用TRIP800鋼的拉伸性能Tab.2 Tensile properties of tested TRIP800steel

將焊后試樣在WDW-200型萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行剪切試驗(yàn)，拉伸速度為10mm·min-1，斷裂載荷（剪切強(qiáng)度）在每種焊接規(guī)范下取5個試樣的平均值。利用手工鋸將點(diǎn)焊接頭切開，打磨拋光處理后，用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕，然后用NiKonEPIPHOT300型光學(xué)顯微鏡分析點(diǎn)焊接頭的顯微組織；采用FM-700型硬度儀測焊點(diǎn)橫截面的顯微硬度（載荷0.98N，時(shí)間10s）；采用JSM-5600LV 型掃描電鏡觀察剪切斷口的形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 接頭的剪切性能

根據(jù)RWMA［4］焊接標(biāo)準(zhǔn)可以計(jì)算出板料厚度為1.8 mm 時(shí)，即A，B，C 類接頭焊核直徑分別為8.0，7.4，6.7 mm，參 考 剪 切 強(qiáng) 度 分 別 為11.8，10.9，10.2kN。由表3 可知，試驗(yàn)接頭的平均焊核直徑達(dá)到了B類接頭標(biāo)準(zhǔn)，而剪切強(qiáng)度卻超過了A類接頭的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值。這表明，在該工藝條件下TRIP800鋼的點(diǎn)焊接頭能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)中的強(qiáng)度要求。另由表3可以看出，隨著焊核直徑的增大，接頭的剪切強(qiáng)度升高。

表3 試樣的剪切強(qiáng)度和熔核直徑Tab.3 Tensile strength and diameter of nuggets

2.2 接頭的宏觀形貌

由圖3 可以看出，點(diǎn)焊接頭熔核區(qū)域沒有裂紋、縮孔等內(nèi)部缺陷，熔核內(nèi)部質(zhì)量良好；熔核與母材的分界線明顯；熔核沒有發(fā)生偏移，幾乎沒有飛濺。

圖3 點(diǎn)焊接頭焊核的宏觀形貌Fig.3 Macrograph of spot welded nugget

2.3 接頭的顯微組織

在點(diǎn)焊試樣通電后焊核的升溫過程中，其貝氏體組織首先奧氏體化，形成細(xì)小的奧氏體，而后鐵素體融入奧氏體中。雖然點(diǎn)焊加熱溫度高，但加熱時(shí)間很短，所以奧氏體來不及長大粗化，加之點(diǎn)焊施壓發(fā)生塑性變形引發(fā)了再結(jié)晶，使晶粒細(xì)化。停止升溫后，熔核受周圍母材和空氣的冷卻，冷速較大，加之鋼板中含有較多的穩(wěn)定過冷奧氏體的合金元素錳和硅，所以冷卻后形成了板條馬氏體組織。

由圖4可以看到，點(diǎn)焊接頭熔合區(qū)均為板條狀馬氏體，組織較均勻，這使得接頭具有很高的強(qiáng)度；熱影響區(qū)也有板條馬氏體組織，但還有鐵素體及貝氏體高溫回火組織。雖然熱影響區(qū)的加熱溫度較焊合區(qū)的低，但因該區(qū)域未受到塑性變形再結(jié)晶細(xì)化晶粒的影響，因而該區(qū)域中的奧氏體晶粒較熔合區(qū)的粗大。

圖4 點(diǎn)焊接頭的顯微組織Fig.4 Microstructure of spot welded joint：（a）fusion zone and （b）heat affected zone

2.4 接頭的硬度分布

從圖5可以看出，熔合區(qū)和熱影響區(qū)的硬度比母材的高出很多。這是因?yàn)門RIP800鋼的母材顯微組織為硬度較低的鐵素體（F）、超級貝氏體（B＋F）和奧氏體（A），而熔合區(qū)和熱影響區(qū)中存在板條馬氏體。熱影響區(qū)包括焊接加熱后完全奧氏體化的A＋F溫度區(qū)和A1以下回火溫度區(qū)，它們在焊后的顯微組織分別為板條馬氏體、鐵素體＋板條馬氏體和原鋼板貝氏體回火組織，因此其硬度逐漸降低；當(dāng)焊接熱影響區(qū)的溫度不足以使貝氏體回火分解降低硬度時(shí)，硬度不再降低，而且又恢復(fù)到原鋼板的硬度。熔合區(qū)硬度均勻，說明其顯微組織很均勻。

圖5 點(diǎn)焊接頭的顯微硬度分布Fig.5 Microhardness distribution of spot welded joint

2.5 接頭的斷口形貌

從圖6可見，試驗(yàn)鋼接頭的剪切斷口上布滿了韌窩，屬于韌性斷裂。其中圖6（a）存在大孔洞痕跡，附近韌窩尺寸也較大，且均為等軸韌窩，說明此處可能為斷裂源。裂紋擴(kuò)展區(qū)表現(xiàn)為整齊的晶面斷口形貌。這是由于裂紋在擴(kuò)展過程中遇到了大的鐵素體晶粒，沿晶界發(fā)生了轉(zhuǎn)折，因此表現(xiàn)出局部的沿晶斷裂形貌；另一方面TRIP800鋼較純凈，并且形變硬化指數(shù)低，這也使得其相對于一般鋼種來說能產(chǎn)生更大更深的韌窩。另外，從圖6（b）中可以看到沿軋制方向擴(kuò)展形成的兩條微裂紋，這可能是鋼板生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的軋制條帶中的夾雜物引起的，裂紋形成機(jī)制為典型的微孔聚集型。

圖6 點(diǎn)焊接頭剪切斷口的SEM形貌Fig.6 SEM morphology of shear fracture of spot welded joint：（a）crack source zone and （b）crack propagation zone

3 結(jié) 論

（1）在試驗(yàn)焊接工藝條件下對TRIP800 鋼板進(jìn)行點(diǎn)焊接時(shí)幾乎沒有飛濺，能獲得質(zhì)量較好的點(diǎn)焊接頭，未發(fā)現(xiàn)明顯的缺陷，且點(diǎn)焊接頭的剪切強(qiáng)度能滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。

（2）TRIP800鋼板點(diǎn)焊接頭熔合區(qū)為板條狀馬氏體組織，熱影響區(qū)為馬氏體、鐵素體及貝氏體高溫回火組織；熔合區(qū)和熱影響區(qū)的硬度比母材硬度高出很多。

（3）TRIP800鋼點(diǎn)焊接頭的剪切斷口為韌性斷裂，裂紋形成機(jī)制為典型的微孔聚集型，鋼中的夾雜物是裂紋產(chǎn)生的主要因素。

［1］SUN X，STEPHENS E V，KHALEE1 M A.Effectsof fusion zone size and failure mode on peak load and energyabsorption of advanced high strength steel spot welds underlap shear loading conditions［J］.Engineering Failure Analysis，2007，136：1-12

［2］葉平，沈劍平，王光耀，等.汽車輕量化用高強(qiáng)度鋼現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢［J］.機(jī)械工程材料，2006，30（3）：4-7.

［3］中國機(jī)械工程學(xué)會焊接學(xué)會.焊接方法與設(shè)備焊接手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002：328.

［4］SUEHIRO M，KUSUM I K，MIYAKOSHI T.Properties of aluminum coated steels for hot forming［J］.Nippon Steel Technical Report，2003，88：16-21.