鍍鋅Q&P980鋼電阻點(diǎn)焊接頭液態(tài)金屬脆裂紋的形態(tài)及分布

孔 諒， 凌展翔， 王 澤， 王 敏, 潘 華， 雷 鳴

(1. 上海交通大學(xué) 上海市激光制造與材料改性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200240；2. 上海交通大學(xué) 高新船舶與深海開(kāi)發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心， 上海 200240;3. 寶山鋼鐵股份有限公司 寶鋼研究院汽車(chē)用鋼研究所， 上海 201900)

電阻點(diǎn)焊是汽車(chē)車(chē)身制造中應(yīng)用最為廣泛的一種連接方法，同其它焊接方法一樣，電阻點(diǎn)焊接頭中可能存在各種各樣的缺陷，如變形、縮孔和虛焊等，這些缺陷在不同程度上影響著點(diǎn)焊接頭的質(zhì)量[1].近年來(lái)，在電阻點(diǎn)焊接頭中發(fā)現(xiàn)的一種表面裂紋缺陷引起了研究人員的關(guān)注.這種表面裂紋多出現(xiàn)在鍍鋅高強(qiáng)鋼，如TWIP鋼、DP鋼和TRIP鋼中.經(jīng)過(guò)研究，確認(rèn)這種裂紋是由液態(tài)金屬脆化機(jī)制所引起的[2-4].液態(tài)金屬脆化是當(dāng)某些特定的固態(tài)金屬或合金與液態(tài)金屬或合金直接接觸時(shí)，在拉伸應(yīng)力的作用下會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度與延伸率下降，以致提前失效的現(xiàn)象.鐵在液態(tài)鋅中出現(xiàn)液態(tài)金屬脆已被很多研究所證實(shí)，在鍍鋅鋼的電阻點(diǎn)焊過(guò)程中，鍍鋅層會(huì)發(fā)生熔化并鋪展在鋼材表面，在應(yīng)力作用下出現(xiàn)了液態(tài)金屬脆現(xiàn)象，并以表面裂紋的形式表現(xiàn)出來(lái).

根據(jù)車(chē)身輕量化的需求，國(guó)內(nèi)某鋼廠在2010年開(kāi)發(fā)出了第3代超高強(qiáng)Q&P(Quenching and Partitioning)鋼，即淬火延性鋼，這種鋼在擁有高強(qiáng)度的同時(shí)具備較高的伸長(zhǎng)率，適合沖壓成型，因此具有廣闊的應(yīng)用前景[5].然而，鍍鋅Q&P鋼在電阻點(diǎn)焊過(guò)程中也存在著液態(tài)金屬脆裂紋的危險(xiǎn).本文通過(guò)試驗(yàn)，證實(shí)了鍍鋅Q&P980鋼在電阻點(diǎn)焊過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)液態(tài)金屬脆現(xiàn)象，并對(duì)電阻點(diǎn)焊接頭中出現(xiàn)的液態(tài)金屬脆裂紋的分布及形態(tài)進(jìn)行了初步探索.

1 試驗(yàn)方法

采用了伺服中頻逆變直流電阻點(diǎn)焊機(jī)進(jìn)行電阻點(diǎn)焊試驗(yàn)，電極頭為CuCrZr材質(zhì)的平面電極，電極直徑16 mm，端面直徑6 mm，過(guò)渡弧面半徑8 mm，平面電極結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.試驗(yàn)時(shí)焊接參數(shù)控制為電極壓力4 kN，焊接電流9 kA，焊接時(shí)間360 ms.試驗(yàn)材料為鍍鋅Q&P980超高強(qiáng)鋼，其化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)：w(Mn)=1.935 2%，w(Si)=1.592 7%，w(C)=0.263%，w(Al)=0.095 4%，w(Cr)=0.047 9%，w(S)=0.036 7%，w(P)=0.018 5%，w(Ni)=0.015 8%，余量為Fe.母材組織為馬氏體+鐵素體+少量殘余奧氏體.鋼板厚度為 1.2 mm，鍍鋅層厚度為10 μm，試樣尺寸為40 mm×125 mm.試驗(yàn)時(shí)將2塊試板重疊在一起進(jìn)行焊接，焊點(diǎn)間距大于40 mm，如圖2所示.同時(shí)，焊接了無(wú)鍍層的Q&P980鋼板作為對(duì)比試驗(yàn).焊接結(jié)束后，從焊點(diǎn)位置截取橫截面制備金相試樣，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)打磨和拋光程序后，使用3%硝酸酒精對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕.使用金相顯微鏡觀察了裂紋出現(xiàn)的位置及裂紋形貌， 使用帶有EDS能譜儀的SEM掃描電鏡對(duì)裂紋處的元素進(jìn)行了分析.

圖1 平面電極結(jié)構(gòu)示意圖(mm)Fig.1 Schematic diagram of the flat electrode (mm)

圖2 焊點(diǎn)位置示意圖(mm)Fig.2 Schematic diagram of the position of spot weld (mm)

圖3 裂紋出現(xiàn)位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the position of cracks

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 裂紋的位置

焊接結(jié)束后，發(fā)現(xiàn)部分鍍鋅Q&P980鋼板焊點(diǎn)表面存在裂紋，而無(wú)鍍層Q&P980鋼板焊點(diǎn)表面不存在裂紋，這說(shuō)明鍍鋅層對(duì)裂紋的出現(xiàn)起著關(guān)鍵作用.對(duì)金相試樣的觀察結(jié)果表明，鍍鋅板焊點(diǎn)處出現(xiàn)的裂紋主要分布于電極頭壓痕區(qū)的臺(tái)階及緊鄰壓痕區(qū)的外周，如圖3所示.從液態(tài)金屬脆現(xiàn)象出現(xiàn)的條件考慮，首先這兩處靠近熔核，焊接時(shí)經(jīng)歷的峰值溫度高于鋅的熔點(diǎn)(419 ℃)，因此鍍鋅層發(fā)生熔化并與鋼表面直接發(fā)生接觸，其次這兩處靠近壓痕區(qū)，在電極頭將其接觸的鋼板壓入一定深度時(shí)，其周邊位置有機(jī)械拉伸應(yīng)力的存在，而且由于這兩處不與電極頭直接接觸，冷卻條件也不佳，因此有熱應(yīng)力的存在.在液態(tài)鋅與應(yīng)力的共同作用下，即可能出現(xiàn)液態(tài)金屬脆裂紋[3].而在壓痕區(qū)，一方面熔化的鋅層在電極頭壓力的作用下容易排出，而且由于峰值溫度很高，鋅可能會(huì)發(fā)生蒸發(fā)，這些造成了液態(tài)鋅在該區(qū)域較為缺乏；另一方面該區(qū)域在電極壓力的作用下主要受壓應(yīng)力，所以該區(qū)域不具備產(chǎn)生液態(tài)金屬脆裂紋的條件.而遠(yuǎn)離壓痕區(qū)的位置由于峰值溫度不足以熔化鍍鋅層，因此也不具備產(chǎn)生液態(tài)金屬脆裂紋的條件.綜上，壓痕區(qū)的臺(tái)階及外周即成為了可能產(chǎn)生裂紋的敏感區(qū)域.

2.2 裂紋的形貌

通過(guò)對(duì)金相剖面觀察可以發(fā)現(xiàn)，裂紋的深度跨度較大，約幾微米到幾百微米不等，為方便后文表述，將深度d<50 μm的裂紋定義為淺裂紋，將d>100 μm的裂紋定義為深裂紋，50 μm≤d≤100 μm的裂紋定義為中裂紋.

淺裂紋主要分布于壓痕區(qū)的臺(tái)階處，在大部分的鍍鋅鋼試樣中均有發(fā)現(xiàn).單個(gè)臺(tái)階處裂紋數(shù)量為1～10條不等，裂紋群聚在一起，且一般不會(huì)布滿整個(gè)臺(tái)階，大多分布于臺(tái)階上半部，較少裂紋分布于臺(tái)階下半部.整個(gè)區(qū)域裂紋深度不一致，存在一定的跨度.淺裂紋的典型形貌如圖4所示，其大致呈現(xiàn)出樹(shù)枝狀、樹(shù)突狀或網(wǎng)狀特征.樹(shù)枝狀裂紋為鋼板表面單一裂紋源開(kāi)動(dòng)，并沿著單一路徑向深度方向擴(kuò)展而產(chǎn)生的.樹(shù)突狀裂紋為鋼板表面單一裂紋源開(kāi)動(dòng)，在擴(kuò)展過(guò)程中出現(xiàn)多個(gè)取向而產(chǎn)生的.網(wǎng)狀裂紋為鋼板表面相鄰的多個(gè)裂紋源開(kāi)動(dòng)，在擴(kuò)展過(guò)程中擴(kuò)展路徑纏結(jié)在一起而產(chǎn)生的.從金相圖中可以看出，裂紋均為沿晶界開(kāi)裂，這與液態(tài)金屬脆的普遍特性是一致的.有理論分析認(rèn)為，液態(tài)金屬脆出現(xiàn)的原因是液態(tài)金屬吸附于基材晶界導(dǎo)致晶界凝聚力降低，從而導(dǎo)致沿晶開(kāi)裂[6].

圖4 淺裂紋的典型微觀形貌Fig.4 Typical microstructure of superficial crack

深裂紋主要分布于緊鄰壓痕區(qū)的外周，并且深裂紋一般孤立存在，其周?chē)淮嬖谄渌盍鸭y，這可能是由于深裂紋的出現(xiàn)使得裂紋處及其周邊區(qū)域的應(yīng)力得到釋放.深裂紋只出現(xiàn)在少量鍍鋅鋼試樣中，這說(shuō)明深裂紋出現(xiàn)的條件較為嚴(yán)苛，需要熱量和應(yīng)力條件均滿足的情況下才會(huì)出現(xiàn).深裂紋的典型微觀形貌如圖5所示.由圖可見(jiàn)，裂紋在源頭處較寬，隨著裂紋的擴(kuò)展其寬度逐漸變窄，且裂紋在向試樣厚度方向擴(kuò)展的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)向，逐漸向偏離試樣厚度的方向進(jìn)行擴(kuò)展.中裂紋出現(xiàn)的頻率較低，其在壓痕區(qū)臺(tái)階及外周均有可能出現(xiàn)，形貌與深裂紋較為類(lèi)似，可以看作是未完全擴(kuò)展的深裂紋.圖6所示為同一試樣中同時(shí)出現(xiàn)淺裂紋、中裂紋和深裂紋的對(duì)比圖.

圖5 深裂紋的典型微觀形貌Fig.5 Typical microstructure of deep crack

圖6 3種不同裂紋的形貌Fig.6 Microstructure of three different cracks

2.3 裂紋處的元素組成

通過(guò)SEM掃描電鏡對(duì)疑似充滿鋅元素的裂紋進(jìn)行元素成分面掃描分析和線掃描分析，結(jié)果如圖7所示.其中：圖7(a)是對(duì)裂紋進(jìn)行線掃描后的Fe-Zn元素強(qiáng)度峰值圖，可以看到在裂紋處的Fe含量非常少，而Zn含量急劇上升；圖7(b)和圖7(c)顯示的是裂紋處的面掃描元素分布圖，可以看到Zn元素的在裂紋位置處大量分布.以上表明了鍍鋅Q&P980鋼板在電阻點(diǎn)焊試驗(yàn)中出現(xiàn)的裂紋內(nèi)部填滿大量的鋅元素，是電阻點(diǎn)焊過(guò)程中表面鍍鋅層在高溫下熔化并隨著裂紋擴(kuò)展不斷滲入的結(jié)果.由于在無(wú)鍍層Q&P980鋼電阻點(diǎn)焊接頭中未發(fā)現(xiàn)裂紋，因此裂紋處被鋅元素填充進(jìn)一步說(shuō)明了鍍鋅Q&P980鋼電阻點(diǎn)焊中出現(xiàn)的表面裂紋是由于鋅元素浸濕造成的，為液態(tài)金屬脆裂紋.

圖7 裂紋處元素成分分析Fig.7 EDS analysis at the location of crack

3 結(jié)論

(1) 鍍鋅Q&P980鋼電阻點(diǎn)焊中出現(xiàn)的裂紋主要分布于電極壓痕區(qū)的臺(tái)階及外周，這2個(gè)位置在電阻點(diǎn)焊過(guò)程中均被液態(tài)金屬鋅覆蓋，且存在一定的拉伸應(yīng)力.

(2) 電阻點(diǎn)焊試樣中出現(xiàn)的裂紋深度跨度較大，根據(jù)裂紋深度的不同可將裂紋分為淺裂紋、深裂紋和中裂紋.淺裂紋主要分布在壓痕區(qū)的臺(tái)階處，且具有群聚性，深裂紋主要分布在壓痕區(qū)外周，且具有孤立性.中裂紋出現(xiàn)的頻率較低.

(3) 對(duì)裂紋位置處進(jìn)行元素掃描發(fā)現(xiàn)裂紋處填充了鋅金屬，由于無(wú)鍍層Q&P980鋼電阻點(diǎn)焊過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)裂紋，因此可以證實(shí)裂紋為液態(tài)金屬脆裂紋.