雙相鋼DP590點(diǎn)焊沖擊性能研究

任 虎，張曉鵬，王連軒，操志博

(河鋼集團(tuán)邯鋼公司技術(shù)中心，河北 邯鄲 056015)

隨著市場(chǎng)和環(huán)境的變化，在實(shí)現(xiàn)車身輕量化的情況下保證車身的安全性能已成了當(dāng)前汽車制造的核心問(wèn)題之一。目前以雙相鋼(DP)等為代表的先進(jìn)高強(qiáng)鋼種在汽車上的應(yīng)用逐步增多，如門檻梁、側(cè)圍支柱、防撞梁等[1-5]。汽車安全性一方面取決于汽車零部件材料本身的強(qiáng)度，另一方面則取決于零件之間的連接質(zhì)量。點(diǎn)焊是目前汽車制造應(yīng)用最廣泛的連接工藝，據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前普通乘用車身上點(diǎn)焊數(shù)量大約有 3000～6000 個(gè)[6]，因此點(diǎn)焊的質(zhì)量對(duì)汽車安全性將產(chǎn)生顯著影響?；诋?dāng)前汽車行業(yè)安全性設(shè)計(jì)需求，近年來(lái)針對(duì)點(diǎn)焊沖擊性能的研究已成為國(guó)內(nèi)外汽車連接技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。本文以雙相鋼DP590為研究對(duì)象，對(duì)其點(diǎn)焊沖擊性能進(jìn)行了研究和探討。

1 試驗(yàn)材料、裝備及方法

1.1 試驗(yàn)鋼種牌號(hào)、規(guī)格及狀態(tài)

本文研究對(duì)象鋼種信息如下表1。

表1 試驗(yàn)材料信息

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及工裝

本試驗(yàn)選用中頻逆變式點(diǎn)焊機(jī)作為試驗(yàn)設(shè)備，型號(hào)為MDZ-32(如圖1)。此外，采用標(biāo)準(zhǔn)的Φ16 mm×20 mm電極頭作為焊接工裝(如圖2)，電極頭前端直徑設(shè)計(jì)為Φ6 mm。

圖1 MDZ-32型中頻逆變式點(diǎn)焊機(jī)及選用電極頭

本試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)主要由試驗(yàn)機(jī)本體、擺錘、沖擊夾具、輔助裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成。圖2是點(diǎn)焊沖擊試驗(yàn)機(jī)的實(shí)物照片，為了適應(yīng)點(diǎn)焊薄板試樣的沖擊實(shí)驗(yàn)，將標(biāo)準(zhǔn)的沖擊試驗(yàn)機(jī)的擺錘和夾具進(jìn)行改造。在本體的擺錘轉(zhuǎn)軸上增加編碼器，用于測(cè)量擺錘的角度，實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)機(jī)的控制以及沖擊功的計(jì)算。

圖2 點(diǎn)焊動(dòng)態(tài)沖擊性能試驗(yàn)機(jī)及相關(guān)工裝

1.3 試樣尺寸規(guī)格

本試驗(yàn)試樣為拉伸剪切試樣，具體試樣結(jié)構(gòu)和尺寸如圖3。

圖3 點(diǎn)焊沖擊試驗(yàn)試樣尺寸

1.4 沖擊試驗(yàn)流程

本試驗(yàn)機(jī)的測(cè)試和數(shù)據(jù)采集處理過(guò)程如下：

(1)試驗(yàn)機(jī)的取擺機(jī)構(gòu)將擺錘舉升到初始仰角位置，安全銷伸出，防止擺錘意外落下；

(2)將點(diǎn)焊試樣與活動(dòng)夾具在安裝夾具上裝配在一起，然后再安裝到?jīng)_擊夾具上；

(3)釋放安全銷；

(4)釋放擺錘，當(dāng)擺錘擺到垂直位置時(shí)與沖擊夾具的活動(dòng)鉗口發(fā)生碰撞，對(duì)焊點(diǎn)接頭施加拉伸沖擊載荷，使焊點(diǎn)破壞。焊點(diǎn)破壞斷裂后，擺錘繼續(xù)擺動(dòng)至最大剩余擺角位置，然后開始回?cái)[。同時(shí)，活動(dòng)鉗口以及與活動(dòng)鉗口相連接的試樣金屬片、壓板和壓緊螺栓以一定速度被拋出；

(5)擺錘回?cái)[到一定角度后被取擺機(jī)構(gòu)二次提升到初始仰角位置，等待下一次沖擊實(shí)驗(yàn)；

(6)沖擊過(guò)程中系統(tǒng)測(cè)量并保存焊點(diǎn)所受的沖擊力、擺錘擺動(dòng)角度、角速度和試樣金屬片的彈性應(yīng)變；

(7)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)計(jì)算并給出擺錘初始仰角、最大剩余擺角、沖擊速度、最大沖擊力、最大沖擊力對(duì)應(yīng)的試樣自由端位移、最大沖擊力對(duì)應(yīng)的沖擊吸收功、總沖擊能量、沖擊力-速度曲線、沖擊力-位移曲線；

(8)停止測(cè)試。

1.5 沖擊數(shù)據(jù)處理方法

點(diǎn)焊沖擊試驗(yàn)最主要的試驗(yàn)結(jié)果參數(shù)是沖擊載荷力、沖擊位移量、沖擊吸收功，其中最主要的輸出數(shù)據(jù)就是沖擊力-位移曲線、沖擊功-位移曲線。本試驗(yàn)針對(duì) DP590，設(shè)定電極壓力(4.0 kN)、焊接時(shí)間(500 ms)，僅僅改變焊接電流，范圍從 3.0～7.0 kA，步進(jìn)值設(shè)定為0.5 kA。在每個(gè)工藝參數(shù)條件下重復(fù)試驗(yàn) 3 次，取平均值。針對(duì)沖擊吸收功的判定，參照一般材料力學(xué)性能測(cè)試準(zhǔn)則(載荷力越過(guò)峰值后，焊點(diǎn)出現(xiàn)開裂即認(rèn)定失效)，以最大峰值載荷力對(duì)應(yīng)的載荷-位移量曲線積分值為焊點(diǎn)沖擊吸收的能量值(如圖4)。

圖4 點(diǎn)焊沖擊吸收功定義示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 沖擊性能結(jié)果

表2為DP590點(diǎn)焊沖擊性能測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果。表中焊點(diǎn)失效模式“IF”表示界面分離， “PF”表示焊核拔出。

表2 點(diǎn)焊沖擊試驗(yàn)結(jié)果(DP590)

從圖5可以看出，隨著焊接電流增大，DP590焊點(diǎn)沖擊載荷力與吸收功均增加，但是當(dāng)焊接電流增大到一定程度后，沖擊載荷與吸收功又有所降低，這主要是焊點(diǎn)飛濺導(dǎo)致焊點(diǎn)強(qiáng)度降低，這一點(diǎn)與靜態(tài)力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果完全一致，說(shuō)明飛濺不僅影響焊點(diǎn)的靜態(tài)強(qiáng)度，也會(huì)對(duì)焊點(diǎn)在實(shí)際碰撞過(guò)程中體現(xiàn)出來(lái)的吸能效果等產(chǎn)生不良影響。如圖6所示，相比于同一焊接參數(shù)條件下的靜態(tài)拉伸性能值，DP590的動(dòng)態(tài)峰值沖擊載荷力明顯要高，這與金屬材料特有的應(yīng)變速率敏感性有關(guān)，隨著加載速率的提升，焊點(diǎn)“脆性”增強(qiáng)。由圖6還可以看出當(dāng)焊點(diǎn)直徑較小時(shí)(對(duì)應(yīng)小電流)，焊點(diǎn)沖擊性能值與其靜態(tài)拉伸性能值間差異性不大，大尺寸的焊點(diǎn)其沖擊峰值載荷力相比于靜態(tài)載荷力增加更為明顯，說(shuō)明其具有更高的應(yīng)變速率敏感性。

圖5 沖擊性能vs. 焊接電流

圖6 靜態(tài)、沖擊態(tài)性能vs. 焊接電流

如圖7，對(duì)DP590靜、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行公式擬合。由擬合結(jié)果可知：DP590焊點(diǎn)靜、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能之間保持了一定的指數(shù)函數(shù)關(guān)系(擬合相關(guān)度≥90%)。因此可以認(rèn)為針對(duì)DP鋼，在一定誤差范圍內(nèi)，可根據(jù)焊點(diǎn)的靜態(tài)力學(xué)性能，對(duì)其沖擊性能值進(jìn)行預(yù)測(cè)。圖8為DP590點(diǎn)焊沖擊載荷力與對(duì)應(yīng)的沖擊吸收功之間的關(guān)系，可以看出：隨著沖擊載荷力增長(zhǎng)，焊點(diǎn)的吸收功也隨之增大，二者也近似呈現(xiàn)出顯著指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

圖7 靜、動(dòng)態(tài)沖擊性能擬合曲線

圖8 沖擊載荷力-沖擊功擬合曲線

2.2 沖擊斷裂

如圖9所示，在沖擊態(tài)條件下隨著焊接電流的增加，焊點(diǎn)的失效模式與靜態(tài)模式下的變化規(guī)律類似，即當(dāng)焊點(diǎn)直徑較小(小電流)時(shí)，以界面分離模式失效；隨著焊點(diǎn)直徑增加(電流增加)，失效模式逐漸向紐扣拔出、母材撕裂等模式轉(zhuǎn)變，對(duì)應(yīng)的焊點(diǎn)極限載荷和極限載荷吸收功也增加。

(a)界面分離 (b)紐扣拔出

(c)母材撕裂

圖10為本試驗(yàn)DP590在同樣點(diǎn)焊工藝參數(shù)條件下得到的試樣在靜態(tài)及沖擊態(tài)兩種加載條件下的斷口形貌，可以看出在靜態(tài)條件下斷口表現(xiàn)為韌性斷裂特征，而在沖擊條件下斷口呈現(xiàn)出更為顯著的準(zhǔn)解離斷裂形貌特征，這也是造成沖擊載荷下焊點(diǎn)趨于脆性的原因。

(a)靜態(tài) (b)沖擊

3 結(jié)論

(1)隨著焊接電流增加，DP590焊點(diǎn)沖擊載荷與吸收功均增加，但是當(dāng)焊接電流增大到一定程度后，沖擊載荷與吸收功又有所降低，這主要是焊點(diǎn)飛濺導(dǎo)致焊點(diǎn)強(qiáng)度降低，這一點(diǎn)與靜態(tài)力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果完全一致；

(2)焊接電流相同時(shí)，DP590焊點(diǎn)沖擊載荷要高于靜態(tài)載荷，且在大電流時(shí)兩者差距更為明顯，說(shuō)明大電流時(shí)焊點(diǎn)具有更高的應(yīng)變速率敏感性；

(3)DP590點(diǎn)焊焊點(diǎn)在沖擊時(shí)焊點(diǎn)的失效模式與靜態(tài)受力時(shí)變化規(guī)律類似，即當(dāng)焊接電流較小時(shí)(焊點(diǎn)直徑小)，以界面分離模式失效；但是隨著焊接電流增加(焊點(diǎn)直徑增加)，失效模式逐漸向紐扣拔出、母材撕裂等模式轉(zhuǎn)變，其斷口形貌在靜態(tài)下呈韌性斷裂特征，沖擊態(tài)下則表現(xiàn)為準(zhǔn)解離斷裂特征。