基于正交試驗法研究DP590點焊工藝

周磊磊

（攀鋼集團研究院有限公司，四川攀枝花617000）

基于正交試驗法研究DP590點焊工藝

周磊磊

（攀鋼集團研究院有限公司，四川攀枝花617000）

通過正交試驗法研究DP590冷軋板電阻點焊性能。以剪切載荷為評價指標，通過極差分析和方差分析，研究工藝參數(shù)影響點焊接頭拉剪載荷的顯著程度，并獲得DP590冷軋板的最優(yōu)工藝參數(shù)，測量接頭的熔核直徑并分析其失效模式，觀察接頭顯微組織。結(jié)果表明，焊接電流對剪切載荷的影響最為顯著，其次為焊接時間，電極壓力影響較??；最優(yōu)工藝參數(shù)為：焊接電流8.5kA，焊接時間360ms，電極壓力3.6kN；當焊接電流大于5.5 kA時，接頭失效模式均為熔核剝離失效；熔核區(qū)顯微組織為板條狀馬氏體和貝氏體，熱影響區(qū)組織為細小馬氏體。

DP590；電阻點焊；正交試驗；失效模式；顯微組織

0 前言

全球范圍內(nèi)汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢傾向于汽車輕量化，汽車輕量化對節(jié)能降排、改善性能、推進汽車產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展都具有重要意義，是現(xiàn)代汽車工業(yè)技術(shù)發(fā)展的方向[1-5]。中國作為全球第一大汽車產(chǎn)銷國，近年來汽車保有量逐年遞增，隨之帶來的環(huán)境污染與能源消耗問題也越來越嚴重[6]。為了實現(xiàn)汽車輕量化，國內(nèi)各大汽車廠商先后采用先進高強鋼替代普通汽車用鋼的方式以達到整車減重的目的。DP590因其強度高、延性好、加工性能優(yōu)異、抗碰撞性能高等特點，已成功應用于車身制造[7-9]。

汽車制造過程中，應用最廣泛的焊接方法依然是電阻點焊。電阻點焊成本較低、機械化和自動化程度高，可以大大提高汽車的生產(chǎn)效率。點焊接頭的機械性能決定著汽車的整體安全性能，提高接頭強度，可以提升汽車整體性能[10-12]。

在此通過正交試驗法研究DP590冷軋板的點焊工藝，分析工藝參數(shù)對接頭剪切載荷的影響程度，給出試驗條件下的最優(yōu)點焊工藝參數(shù)，并分析點焊接頭顯微組織、熔核直徑與失效模式，綜合評價DP590冷軋板的點焊性能，為DP590進一步推廣和應用提供技術(shù)支持。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

試驗材料為DP590冷軋板，厚度1.2 mm，母材化學成分和力學性能如表1和表2所示。母材顯微組織形貌如圖1所示。

按照GB/T2651-2008《焊接接頭拉伸試驗方法》[13]中規(guī)定的拉剪試樣尺寸，將試樣切割為120mm×24mm規(guī)格。為了保證試驗的準確性，避免出現(xiàn)因雜質(zhì)引起的飛濺等現(xiàn)象，試驗前使用砂紙打磨試樣并用丙酮進行清洗。由圖1可知，母材顯微組織由馬氏體和鐵素體構(gòu)成，馬氏體保證了DP590冷軋板的高強度，而鐵素體的存在賦予DP590良好的延展性，這種特殊的雙相組織為DP590的廣泛應用奠定了基礎(chǔ)。

表1 DP590冷軋板化學成分% Table 1 Chemical composition of DP590 cold-rolled sheet

表2 DP590冷軋板力學性能Table 2 Mechanical properties of DP590 cold-rolled sheet

圖1 母材顯微組織Fig.1 Microstructure of base metal

1.2 試驗設(shè)備

試驗設(shè)備采用由DZ-63單相整流式直流點焊機、KD2-250型點焊控制器、MM-601A電阻焊接機壓力傳感器、MA-522加壓力傳感器和MM-315AC焊接檢測儀組成的點焊試驗系統(tǒng)。電極材料為Cr-Zr-Cu，基本尺寸如圖2所示。

圖2 電極尺寸Fig.2 Size of electrode

利用INSTRON5569型電子拉伸試驗機測得點焊接頭的剪切載荷，使用AxioObersver A1m型光學顯微鏡觀察接頭顯微組織，并使用Micro-image Analysis &Process軟件測量點焊接頭的熔核直徑。

1.3 試驗方案設(shè)計

正交試驗選取3個影響因素，分別為焊接電流、焊接時間、電極壓力，每個影響因素選取4個水平，如表3所示，評價指標設(shè)計為點焊接頭拉剪載荷，拉剪載荷取3個試樣的平均值[14]。選用正交表L16（43）進行試驗。

表3 工藝參數(shù)因素及水平Table 3 Factor and level of welding parameters

2 結(jié)果和討論

2.1 極差分析結(jié)果

正交試驗結(jié)果如表4所示，對其進行極差分析和方差分析，研究試驗條件下DP590冷軋板的最佳工藝參數(shù)及其對剪切載荷的影響程度。

極差分析法表示數(shù)據(jù)的最大離散程度，是統(tǒng)計量中最簡單的特征參數(shù)，是利用數(shù)理統(tǒng)計方法計算出正交表中各因素的極差值Rj，并以此判斷各因素對評價指標影響的主次關(guān)系，并獲得最優(yōu)的水平組合。具有計算簡單、直觀形象、簡單易懂等優(yōu)點。Rj越大，說明該因素對試驗指標的影響程度越大。計算公式為

表4 正交試驗結(jié)果Table 4 Result of orthogonal experimental

式中 j為因素；Rj為因素j的極差值；i為因素水平；Tij為j因素i水平下所有拉剪載荷之和；極差分析結(jié)果如表5所示。

表5 極差分析結(jié)果Table 5 Result of range analysis

由表5可知，極差RA＞RB＞RC，說明因素對評價指標的影響程度為A＞B＞C。因素A的最優(yōu)水平為A4，因素B的最優(yōu)水平為B3，因素C的最優(yōu)水平為C3，最優(yōu)組合為A4B3C3，即焊接電流8.5 kA，焊接時間360 ms，電極壓力3.6 kN。

2.2 方差分析結(jié)果

方差分析是將數(shù)據(jù)分解為各個影響因素的波動和誤差波動，然后比較兩者的平均波動。通過方差分析可以找出對數(shù)據(jù)起決定性影響的因素，并作為定量分析判斷的依據(jù)。

方差分析首先通過式（2）計算總離差平方和，根據(jù)式（3）計算各因素離差平方和。

總離差平方和為各列離差平方和與誤差離差平方和之和

根據(jù)式（5）計算各因素的方差，并根據(jù)式（6）計算各因素F值，查F分布表進行顯著性檢驗，結(jié)果見表6。

表6 方差分析結(jié)果Table 6 Result of variance analysis

由表6可知，因素A與因素B水平的改變對指標影響特別顯著，因素C水平的改變對指標的影響顯著。方差分析結(jié)果與極差分析結(jié)果一致。按最優(yōu)組合A4B3C3進行3組驗證試驗，測量接頭平均剪切載荷，結(jié)果如表7所示。

表7 驗證試驗結(jié)果Table 7 Result of verification test

由表7可知，最優(yōu)水平下接頭剪切載荷為15.45 kN，高于正交試驗所有點焊接頭的剪切載荷，證明正交試驗結(jié)果準確。

2.3 熔核直徑與失效模式分析

點焊接頭的熔核直徑直接影響其強度。分析接頭的失效模式與熔核直徑可以評價點焊工藝參數(shù)是否適當。熔核直徑與失效模式如表8所示。

表8 熔核直徑與失效模式Table 8 Diameter of nugget and failure mode

JIS Z 3140-1989《點焊接頭斷面實驗方法及判定標準》[15]中規(guī)定，A級焊接區(qū)為對強度有特別要求的焊接區(qū)，AF級區(qū)為具A級質(zhì)量，并且要求表面平滑的焊接區(qū)，且A級和AF級接頭熔核直徑最小值為4.7 mm，平均值為5.5 mm。

表7中，當焊接電流為5.5 kA時，焊接接頭的熔核直徑均在4.7mm以下，低于標準要求的最小值，這是因為焊接熱輸入小，接頭熔核內(nèi)部熔化的液態(tài)金屬相對較少，造成熔核直徑低于標準值。熔核直徑過小會降低接頭強度及吸能性，碰撞過程中在焊點處容易開裂，降低其使用性能。

焊接電流為5.5 kA時獲得的點焊接頭的失效模式存在界面撕裂。熔核直徑的尺寸與界面斷裂有密不可分的關(guān)系，熔核直徑過小會降低接頭的力學性能，熔核區(qū)所能承受的剪切載荷低于母材，裂紋在試板交接處萌生，向熔核方向擴展至熔核內(nèi)部，最終形成貫穿整個熔核的裂紋并引起界面撕裂。界面撕裂模式為不合格的失效模式，裂紋穿過晶粒內(nèi)部擴展，屬脆性斷裂。

持續(xù)增大焊接電流，熔核直徑呈現(xiàn)不斷增大趨勢，試樣失效模式均為熔核剝離失效。熔核直徑較大，熔核區(qū)承受的剪切載荷高于母材，裂紋同樣在試板交接處萌生，沿熱影響區(qū)與母材相結(jié)合的部位向母材方向擴展，直至母材發(fā)生撕裂，焊點被剝離。熔核剝離失效為合格的失效模式，斷口附近會出現(xiàn)大量韌窩結(jié)構(gòu)，說明接頭強度高且具有一定的韌性。

2.4 顯微組織分析

點焊接頭顯微組織如圖3所示，接頭熔核區(qū)顯微組織由板條狀馬氏體和貝氏體組成。在電阻熱的作用下，試板接觸面溫度先上升至熔化溫度，并且形成熔核，隨焊接過程的持續(xù)，熔核逐漸長大。當停止加熱，液態(tài)金屬以自由能最低的晶粒為結(jié)晶核心，沿著與散熱梯度最大方向的反方向成長為板條狀馬氏體，這種馬氏體為淬火組織，強度和硬度較高。點焊過程中熔核區(qū)的峰值溫度較高，并且高溫停留時間較長，焊后冷卻速率較快，故熔核區(qū)存在少量貝氏體組織。若要獲得質(zhì)量更好、組織更為細小的接頭，可對點焊接頭進行回火處理。

圖3 點焊接頭顯微組織Fig.3 Microstructure of spot welding joint

熱影響區(qū)顯微組織為細小的馬氏體組織。受焊接熱循環(huán)的影響，熱影響區(qū)的峰值溫度低于熔核區(qū)，該區(qū)域的熱量雖然足夠使雙相組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體組織，但不足以支撐奧氏體長大，此時的奧氏體晶粒在較大的冷卻速度下通過共格切變轉(zhuǎn)變?yōu)榻M織較為細小的馬氏體。

3 結(jié)論

（1）厚1.2 mm的DP590冷軋板的點焊性能良好。影響點焊接頭拉剪載荷最顯著的工藝參數(shù)是焊接電流，其次為焊接時間，電極壓力對拉剪載荷的影響較小。最優(yōu)工藝參數(shù)為：焊接電流8.5 kA，焊接時間360 ms，電極壓力3.6 kN，此時點焊接頭的平均拉剪載荷為15.45 kN。

（2）熔核直徑對點焊接頭強度影響較大，熔核直徑過小會導致接頭強度降低，失效模式出現(xiàn)不合格的界面撕裂模式，焊接電流對熔核直徑的影響較大，應大于5.5 kA。

（3）受焊接熱循環(huán)影響，點焊接頭熔核區(qū)顯微組織為板條狀馬氏體和貝氏體，熱影響區(qū)顯微組織為細小的馬氏體。

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Spot welding process of DP590 based on orthogonal experiment

ZHOU Leilei
（Pangang Group Research Institute Co.，Ltd.，Panzhihua 617000，China）

The resistance spot welding performance of DP590 cold-rolled sheet was studied by orthogonal test.Taking the shear load as the evaluation index，through the range analysis and variance analysis，the effect of technological parameters on the tensile and shearloads of the welding head was studied，and the optimum technological parameters of the DP590 cold-rolled sheet were obtained，measured the nuclear diameter and analyzed the failure mode，observed the microstructure of weld joints.The result showed that，the welding current strongly influencedtheshearforce，thentheweldingtime，electrodepressurehadlesseffectontheshearforce；theoptimumprocessparameterappeared when the welding current was 8.5 kA，the welding time was 360 ms，and the electrode pressure was 3.6 kN；when the welding current was higher than 5.5 kA，the failure mode of weld joints were nugget stripping;the microstructure of nugget zone was lath martensite and bainite，and theHAZzonewasfinemartensite.

DP590；resistance spot welding；orthogonal experiment；failure mode；microstructure

TG453+.9

A

1001－2303（2017）08－0093-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.08.18

2017-04-12

周磊磊（1989—），男，工程師，碩士，主要從事金屬材料焊接的研究工作。E-mail：zllzhoulei@126.com。

本文參考文獻引用格式：周磊磊.基于正交試驗法研究DP590點焊工藝[J].電焊機，2017，47（08）：93-97.