780 MPa級雙相鋼點焊焊接工藝研究

牛月鵬，王世博

(1.河鋼集團邯鋼公司 技術中心，河北 邯鄲 056015；2.珠海廣通汽車有限公司邯鄲分公司 工藝設備部，河北 邯鄲 056300)

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，汽車輕量化及汽車車身防腐已經(jīng)成為人們日益關注的問題[1-3]。在保證汽車的強度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質量，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%；汽車整備質量每減少100公斤，百公里油耗可降低0.3～0.6升。當前，由于環(huán)保和節(jié)能的需要，汽車的輕量化已經(jīng)成為世界汽車發(fā)展的潮流。同時汽車車身腐蝕也是人們非常關注的話題，車身腐蝕可以分為外觀腐蝕、結構腐蝕和穿孔腐蝕。其中，結構腐蝕通常為車身結構件發(fā)生腐蝕，直接影響汽車安全性和使用壽命。因此隨著汽車輕量化的發(fā)展及防腐性能的要求，高強度鍍鋅板在國內應用越來越廣泛，尤其是雙相鋼鍍鋅板，它具有獨特的雙相組織，各項性能比較優(yōu)越，多用于汽車結構件。但該級別鋼材強度高且有鍍鋅層附著，使其焊接工藝制定較為困難[4-6]。對此進行深一步的研究和工藝探索。

1 試驗材料

試驗材料為邯寶生產(chǎn)的HC420/780DPD+Z鍍鋅板材，厚度選取1.4 mm。

2 試驗設備

本試驗選用伏能士DeltaSpot逆變電阻焊機作為試驗設備，該類點焊機具有熱輸入集中、穩(wěn)定、焊接電流小、焊接時間短、焊接效率高、質量穩(wěn)定等優(yōu)勢，目前已逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的工頻式點焊機，成為國內外重點整車及零部件配套企業(yè)廣泛使用的焊接設備。其各項性能指標均滿足本試驗需求。采用φ8電極頭作為焊接工裝，試驗中始終保持通水冷卻。

3 試驗內容及要求

點焊參數(shù)窗口試驗：參照SMTC 5 111 003-2014標準，基于HC420/780DPD+Z鍍鋅板材厚度(1.4 mm)，采用如表1所示模式，其中電極壓力3.6 kN，在以上測試時間點條件下，進行不同焊接電流的點焊試驗，得到最佳的工藝參數(shù)窗口。

表1 焊接試驗參數(shù)表

4 試驗過程及結果

(1)點焊參數(shù)窗口試驗

焊前采用印記法，確保電極頭對中良好，如圖1所示。

圖1 電極頭印記

(2)工藝參數(shù)摸索。在表1規(guī)定焊接工藝參數(shù)條件下，獲取焊點直徑隨焊接電流的變化規(guī)律(設定步長值為0.1 kA)。若在某電流值條件下，連續(xù)3件試樣焊點直徑均滿足≥4.73 mm，即初步認定此電流為對應時間點條件下的可焊電流區(qū)間左邊界點。確定左邊界點后，繼續(xù)增大焊接電流(步長值：0.2 kA)，在首次發(fā)生飛濺后，以0.1 kA步長降低電流，若某電流下連續(xù)3件試樣無飛濺，則認定此電流即為可焊電流區(qū)間右邊界點，結合焊點鑿離后測定的焊點尺寸及拉伸試驗結果對左邊界工藝點進行修正，獲得焊接窗口如表2、圖2所示。

表2 焊接試驗工藝參數(shù)參數(shù)表

圖2 HC420/780DPD+Z工藝參數(shù)窗口

(3)力學性能測試。針對A-F各點，進行拉剪及十字拉伸試驗。拉剪試驗采用3個平行樣，試驗結果如表3所示。十字拉伸試驗采用3個垂直樣，試驗結果如表4所示。拉剪試驗及十字拉伸試驗的數(shù)據(jù)對比如圖3所示。

圖3 拉剪、十字拉伸試驗最大拉力柱狀圖

表3 拉剪試驗數(shù)據(jù)記錄 單位：kN

表4 十字拉伸試驗數(shù)據(jù)記錄 單位：kN

工藝參數(shù)的A～F六個特征點的拉剪試驗結果顯示，左邊界平均拉伸力為15.11 kN，右邊界平均拉伸力為18.54 kN。經(jīng)過十字拉伸測試后，十字拉伸值均小于拉剪力的數(shù)值。

(4)鑿裂試驗，對 HC420/780DPD+Z鍍鋅板材在最低電流條件下焊點的結合情況作進一步驗證。方法為在 120 ms 時間點、3.6 kN 電極力、左邊界電流值條件下(即工藝點B)在試樣上焊三個點，共計 15 個焊點。對每個焊點進行鑿裂，直至焊點根部，若鑿裂過程中焊點本身沒有發(fā)生任何脫落、開裂等不良現(xiàn)象，則視為合格。齒鑿試驗結果如表5、圖4所示。

圖4 齒鑿后試樣外觀

表5 HC420/780DPD+Z鍍鋅板材鑿裂試驗結果

鑿裂至焊點根部部位前，僅母材發(fā)生變形，焊點未出現(xiàn)撕裂、脫落、開裂等不良現(xiàn)象。

(5)焊點顯微組織觀測。板材在左右邊界電流值條件下得到的點焊試樣其熔核內部無裂紋、縮孔等缺陷出現(xiàn)。通過觀察可以看到，A-C點均形成了有效熔核。作為左邊界熱輸入量低，從圖中可以看出，熔核部分的高度變化不大，壓痕減薄率較小，熔核寬度較窄，在焊點熔核尺寸上的變化較小。相比較左邊界三點，D-F右邊界的特征點熔核部分的尺寸明顯變大，熔核形成充分。此時熔核形狀細長，兩板之間結合比較緊密。試驗結果見圖5。焊接壓痕深度及熔核直徑測試結果如表6所示，可以看出壓痕減薄率均不到3%(原始厚度按上下端2.80 mm計)，且焊點周邊上下表面等部位也均未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

(a)A焊點橫斷面

(b)B焊點橫斷面

(c)C焊點橫斷面

(d)D焊點橫斷面

(e)E焊點橫斷面

(f)F焊點橫斷面圖5 板材可焊電流區(qū)間邊界點焊點金相組織

表6 板材電流左右邊界點熔核直徑焊點壓痕厚度測試結果

(6)熔核金相觀測。對各工藝點對應焊點點熔核區(qū)域和熱影響區(qū)進行金相觀察，如圖6所示，分析其組織形態(tài)。經(jīng)金相觀察，6個工藝點熔核位置均為馬氏體組織，且具有方向性，沿著散熱最快的方向即溫度梯度最高的方向，垂直于熔合線呈現(xiàn)出柱狀晶分布特征。熱影響區(qū)晶粒較為細化。近母材區(qū)位置晶粒細小，鐵素體組織也逐漸增加，母材與熱影響區(qū)交界有兩相區(qū)特征。

(b)焊點熱影響區(qū)金相圖6 焊點熔核及熱影響區(qū)金相照片

(7)硬度檢測。按照母材(I)→熱影響區(qū)(Ⅱ)→熔核(Ⅲ)→熱影響區(qū)→母材順序進行顯微硬度試驗，熱影響區(qū)打點間隔0.2 mm，熔核位置打點間隔0.5 mm，如圖7所示。

(a)焊點熔核金相

圖7 顯微硬度測試過程示意圖

如圖8所示，HC420/780DPD+Z焊點部位顯微硬度的變化規(guī)律一致，均為先逐漸增大，而后趨于穩(wěn)定，再逐漸降低。焊區(qū)內未出現(xiàn)嚴重脆化點。母材區(qū)硬度值約為250 HV，熔核區(qū)顯微硬度值為400 HV。熱影響區(qū)的顯微硬度值從靠近母材區(qū)到熔核區(qū)依次逐漸增加；在電阻點焊過程中，靠近焊核區(qū)的峰值溫度較高，在點焊完成后，這部分區(qū)域形成馬氏體，因此具有較大硬度值。

(a)A點 (b)B點 (c)C點

(d)D點 (e)E點 (f)F點圖8 顯微硬度變化情況

(8)焊點一致性試驗。取試樣規(guī)格為400 mm×125 mm，選用最佳焊接工藝參數(shù)進行焊接，為確定經(jīng)50次焊接后，焊接頭性能是否滿足要求，采取測試焊點尺寸的方法，評價連續(xù)焊接條件下焊點質量的一致性。

每10個數(shù)據(jù)點為1組，計算平均值及上下誤差，結果如圖9所示。由圖9可見，隨著點焊的進行，所對應的焊點直徑在小范圍波動，無明顯焊點減小趨勢，且均大于該厚度對應的4.73 mm下限值。50點焊接后，電極打點直徑略有增大，但仍能保持電極形狀。

圖9 板材焊接過程中焊點直徑的變化規(guī)律

5 結論

(1)厚度為1.4 mm的HC420/780DPD+Z板材的點焊性能良好。當電極壓力取3.6 kN定值時，焊接時間取110 ms，焊接電流可取8.3-9.3 kA；焊接時間取120 ms，焊接電流可取8.2-9.1 kA；焊接時間取130 ms，焊接電流可取8.0-8.9 kA。在此工藝范圍內，焊接熔核飽滿，無縮孔、虛焊和焊接飛濺等缺陷，焊接質量較好。

(2)試驗條件下最優(yōu)工藝參數(shù)為焊接電流9.1 kA，焊接時間120 ms，電極壓力3.6 kN，此時點焊接頭抗剪力為18.49 kN。通過采用最佳焊接工藝參數(shù)進行焊點一致性測試，焊接50個焊點后，焊點直徑依然滿足要求。

(3)熔核區(qū)顯微組織為粗大馬氏體組織，熱影響區(qū)組織為細小馬氏體。

(4)受馬氏體形態(tài)及其含量影響，母材硬度為250 HV，熔核區(qū)硬度為400 HV。