HR800CP復相高強鋼電阻點焊工藝性能研究

王鵬博 張永強 付參 伊日貴 鞠建斌 楊建煒

摘要：采用固定式中頻逆變電阻點焊機對2.2 mm板厚HR800CP復相高強鋼進行焊接，研究了該工藝下鋼板的焊接電流窗口、焊點顯微組織、力學性能和電極壽命，評價其電阻點焊焊接特性。結果表明，其焊接窗口為1.8 kA，滿足使用要求。最大電流焊點的最大剪切力和十字抗拉力為28 212.9 N和16 917.2 N，較最小電流焊點的提高了14.4%和22.35%。以最大焊接電流連續(xù)焊接500個點后，焊核尺寸為6.30 mm，依舊大于最小焊核尺寸（5.93 mm），電極的使用壽命超過500個焊點。

關鍵詞：復相鋼;電阻點焊;電流窗口;力學性能

中圖分類號：TG457.11? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）11-0067-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.11.12

0? ? 前言

節(jié)能減排已成為汽車工業(yè)應對環(huán)境污染的首要問題，車身輕量化是限制有害氣體排放和降低燃料消耗的重要措施。汽車制造商的另一個重要目標是提高乘客的安全性，因此許多車身部件應具有較高的耐撞性。高強度鋼提供了更高的極限強度和良好的延展性，越來越多地應用于制造汽車車身及結構件[1-2]。

復相鋼是第一代先進高強鋼的一種，其顯微組織為鐵素體/貝氏體基體上包含少量的馬氏體、殘余奧氏體和珠光體，通過抑制再結晶或微合金元素的析出使晶粒尺寸顯著細化。復相鋼與高強度低合金單相鋼相比具有更好的強塑性，與相同抗拉級別的雙相鋼相比具有更高的屈服強度，復相鋼的特性具有更高的碰撞吸收能、高殘余變形能力和高擴孔能力，可用于制造防撞梁、底盤件、防撞梁、B柱加強板等[3-5]。

高強鋼常見的焊接問題有三個方面：熱影響區(qū)的軟化、熱影響區(qū)的脆化以及焊接冷裂紋。在焊接熱循環(huán)中，焊接熱影響區(qū)在高溫區(qū)域會停留一段時間，焊接熱影響區(qū)過熱區(qū)的溫度將達到約1 400 ℃，奧氏體晶粒由于過熱嚴重粗化，甚至發(fā)生局促軟化和脆化的現(xiàn)象[3-5]，粗大的晶粒會使得焊接構件的力學性能下降。

目前對復相高強鋼的焊接工藝有一些研究， 但較多集中在激光焊和電弧焊，電阻點焊的報道不多。文中對板厚為2.2 mm的HR800CP復相高強鋼進行了電阻點焊焊接試驗，研究了該鋼種的可焊電流范圍、金相組織、焊點的力學性能，并對點焊過程中電極的使用壽命進行了評估。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用鋼板為HR800CP熱軋酸洗復相高強鋼，厚度2.2 mm。鋼板的主要化學成分和力學性能見表1、表2。試驗采用OBARA DB-220型固定式中頻逆變點焊機，標稱功率為220 kVA，電極端面直徑為6 mm （電極材料為鉻鋯銅），母材顯微組織見圖1。

1.2 焊接試驗

電阻點焊焊接工藝中，對點焊接頭質(zhì)量影響最大的工藝參數(shù)有焊接電流、焊接時間、保持時間、電極壓力等，試驗主要考查焊接電流對HR800CP復相高強鋼接頭質(zhì)量的影響。根據(jù)美國通用公司GWS-5A焊接規(guī)范，該厚度鋼種采用三段連續(xù)脈沖焊接，每次試驗每段焊接電流和焊接時間均一樣，按照規(guī)范測試出焊接時間分別為110 ms、120 ms、130 ms的電流窗口，焊接工藝參數(shù)如表3所示。

1.3 金相組織和硬度測試

點焊接頭試樣焊接成形后，用線切割方式取點焊接頭焊點的最大橫截面制備標準金相試樣，經(jīng)鑲嵌、研磨、拋光后用濃度為4%的硝酸酒精溶液進行腐蝕，采用 Leica DMI5000M 型金相顯微鏡觀察焊點宏觀形貌和微觀組織，通過Leica HXD-1000TM 型顯微硬度測試儀測量點焊焊接接頭不同區(qū)域的顯微硬度，加載載荷為1.96 N，加載時間為15 s。

1.4 力學性能測試

用 Zwick-Z100型拉伸設備在室溫下測試焊點剪切性能和十字拉伸性能，拉伸速率為5 mm/min。剪切拉伸試樣和十字拉伸試樣如圖2、圖3所示。

2 試驗結果與討論

2.1 焊接電流窗口

對HR800CP復相高強鋼試樣進行點焊，對焊點進行剝離實驗，測量其焊核直徑。在最大焊接時間130 ms下，由小電流值以100 A的步進遞增，直至焊核直徑達到d=4? ? ? （t為板厚，即5.93 mm），此時焊接電流為焊接時間130 ms最小電流Imin，確定A點;由A點焊接電流開始，將焊接時間改為120 ms，焊接電流以100 A的步進遞增，直至焊核直徑達到5.93 mm，此時焊接電流為焊接時間120 ms最小電流Imin，確定B點;由B點焊接電流開始，將焊接時間改為110 ms，焊接電流以100 A的步進遞增，直至焊核直徑達到5.93 mm，此時焊接電流為焊接時間110 ms最小電流Imin，確定C點。由C點焊接電流+200 A開始，將焊接時間改為130 ms，焊接電流以200 A的步進遞增，至焊核飛濺，第一個飛濺焊接電流為焊接時間130 ms最大電流Imax，確定D點;由D點焊接電流+200 A開始，將焊接時間改為120 ms，焊接電流以200 A的步進遞增，至焊核飛濺，第一個飛濺焊接電流為焊接時間120 ms最小電流Imax，確定F點;由F點焊接電流+200 A開始，將焊接時間改為110 ms，焊接電流以200 A的步進遞增，至焊核飛濺，第一個飛濺焊接電流為焊接時間110 ms最大電流Imax，確定E點;G點焊接電流為E點焊接電流減去200 A。

通過試驗確定的2.2 mm板厚HR800CP復相高強鋼的焊接窗口如圖4所示，在焊接時間分別為110 ms、120 ms、130 ms的焊接電流窗口均為1.8 kA，高于GWS-5A焊接規(guī)范要求的1.0 kA，表明該鋼種能夠在較大的電流范圍內(nèi)獲得滿足要求的焊核直徑，具有良好的焊接性能。

2.2 焊點金相組織

焊點宏觀組織照片如圖5所示，焊核區(qū)呈“ 橢圓 ”形，外側(cè)環(huán)繞其周圍顏色較淺部分為熱影響區(qū)，熱影響區(qū)外側(cè)相鄰顏色較深部分為母材區(qū)?？梢钥闯?，在最小電流焊核中心容易出現(xiàn)縮孔，電流小，熱輸入小，冷卻速率快，焊核中心還未擴展已凝固，而增大電流可有效抑制縮孔的產(chǎn)生。

2.3 焊點顯微硬度

焊點顯微硬度是影響接頭失效模式的內(nèi)在因素，因此對焊點進行顯微硬度分析。如圖6所示，在橫斷面上從母材一側(cè)經(jīng)過焊縫到母材另一側(cè)，每隔200 μm 打一個硬度點。

焊點的顯微硬度分布如圖7所示。焊縫區(qū)的顯微硬度約為350 HV，遠高于母材區(qū)的160 HV，熱影響區(qū)的顯微硬度從靠近母材區(qū)至靠近焊核區(qū)域出現(xiàn)快速的增長，軟化區(qū)域較小。最小電流焊點（A、B、C）顯微硬度在350～400 HV，較為穩(wěn)定;而最大電流焊點（D、E、F）顯微硬度在300～400 HV，波動較大。分析原因是：隨著焊接電流的增大，熱輸入增加，過冷度降低，焊核區(qū)馬氏體粗大，因此最小電流焊縫區(qū)顯微硬度略高于最大電流焊縫區(qū)硬度;同時，熱輸入的增加使得焊點增大，焊點組織分布不均勻，造成最大電流焊點區(qū)域顯微硬度波動較大。

2.4 焊點力學性能

在點焊接頭中，抗拉強度是重要的特性?？估瓘姸扔性诩羟蟹较蛏县撦d拉伸載荷來進行判定的抗拉伸剪切力（TSS），在剝離方向上負載拉伸載荷來測定的十字抗拉力（CTS）。最小電流焊點和最大電流焊點的剪切拉伸性能、十字拉伸性能如表4所示。

最小電流焊點的平均抗剪切力、十字抗拉力分別為28 212.9 N和16 917.2 N，最大電流焊點的平均抗剪切力、十字抗拉力分別為32 279.9 N和20 698.3 N，分別提高了14.4%和22.35%。

最大電流和最小電流十字拉伸試樣焊點的失效模式均為紐扣失效，一片試樣的焊核部位被撕裂拔出一個孔洞，另一片試樣上保留著完整的焊核，斷裂發(fā)生在熱影響區(qū)靠近母材的過渡區(qū)域，說明焊點力學性能良好，熱影響區(qū)靠近母材的過渡區(qū)域為薄弱區(qū)域。

最大電流和最小電流剪切拉伸試樣焊點的失效模式為界面失效，但是最大電流剪切拉伸最大力高于最小電流。在電阻點焊中，焊接時間和焊接電流是影響焊接熱輸入的重要因素，在焊接時間一定的條件下，焊接熱輸入隨焊接電流的增加而增大，因此焊核尺寸隨焊接電流的增加而增大，焊核尺寸的增加，使焊點的承載面積、界面結合力增加，從而提高了焊點的剪切力。

2.5 電極壽命

對鋼板進行電極壽命試驗，點焊電流為9.2 kA。在125 mm×400 mm板子上，48個一組，剩下2個焊一組，第50個做撕裂試驗，測量焊核尺寸并記錄，結果如圖8所示。

研究表明[6-7]，隨著試驗的進行，電極端面由于反復加熱和機械沖擊磨損加劇，降低了電阻點焊焊接時的電流密度和熱輸入，焊核尺寸的變化趨勢是逐漸減小。

當焊到第500個點時，電極頭鐓粗現(xiàn)象嚴重，此時焊點焊核的直徑為6.30 mm，仍然大于焊點最小要求直徑5.93 mm。在最大焊接電流下，連續(xù)焊接500個焊點時，焊點焊核的直徑仍然大于最小焊核直徑，即電極的使用壽命超過500個焊點。

3 結論

（1）2.2 mm板厚HR800CP復相高強鋼的電阻點焊焊接電流窗口為1.8 kA，滿足使用要求。

（2）最小電流焊點的平均剪切力和十字抗拉力分別為28 212.9 N和16 917.2 N，最大電流焊點的平均剪切力和十字抗拉力分別為32 279.9 N和20 698.3 N，最大焊接電流焊點最大剪切力、正拉力分別比最小焊接電流提高了14.4%和22.35%。

（3）以最大焊接電流連續(xù)焊接500個點后，焊核尺寸依舊大于臨界焊核尺寸，電極的使用壽命超過500個焊點。

參考文獻：

江海濤，唐荻，米振莉. 汽車用先進高強度鋼的開發(fā)及應用進展[J]. 鋼鐵研究學報，2007，19（8）：1-6.

董瀚，曹文全，時捷，等. 第3代汽車鋼的組織與性能調(diào)控技術[J]. 鋼鐵，2011（6）：6-16.

葛南飛，張梅，蔣洋，等.復相鋼CP800的烘烤硬化性能研究[J]. 精密成形工程，2019，11（2）：77-81.

Erice B，Roth C C，Mohr D. Stress-state and Strain-Rate Dependent Ductile Fracture of Dual and Complex Phase Steel[J]. Mechanics of Materials，2017，116（1）：11-32.

張永強，賈松青，章軍，等. 鍍鋅汽車板力學性能對電阻點焊電流工藝窗口的影響[J]. 礦冶，2013，22（1）：116-119.

張旭強，張延松，陳關龍. 熱鍍鋅高強鋼點焊的電極磨損機理分析[J]. 焊接學報，2009（11）：45-47.

Zhang X Q，Chen G L，Zhang Y S. Characteristics of electrode wear in resistance spot welding dual-phase steels[J]. Materials & Design，2008，29（1）：279-283.