熱成型鋼和冷軋鋼點焊接頭性能研究

史博文，謝麗華，任江偉

（201620 上海 上海工程技術(shù)大學(xué) 材料工程學(xué)院）

0 引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，世界各國對汽車的安全、節(jié)能和排放的要求越來越苛刻，輕量化已成為汽車領(lǐng)域的發(fā)展趨勢[1]。超高強(qiáng)度鋼既可減輕車身質(zhì)量、實現(xiàn)節(jié)能和減排，又可提高汽車的安全性，得到了廣泛應(yīng)用[2-3]。高強(qiáng)鋼的連接方式嚴(yán)重影響著連接點的強(qiáng)度，從而直接影響汽車的安全性。在汽車制造業(yè)中，連接方式通常包括激光焊接、電阻點焊、電弧焊、氣體保護(hù)焊等焊接方法[4]，這些焊接方法各有特點，電阻點焊具有生產(chǎn)效率高、易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，在汽車制造中被廣泛應(yīng)用，成為高強(qiáng)鋼的主要焊接方法[4-6]。

隨著高強(qiáng)度鋼在汽車制造業(yè)中的廣泛應(yīng)用，高強(qiáng)度鋼點焊接頭的優(yōu)化成為汽車制造業(yè)最迫切的需求。本文采用異質(zhì)不等厚三層板結(jié)構(gòu)高強(qiáng)鋼B1500HS/B250P1/B1500HS 為母材，采用固定式逆變點焊機(jī)對其進(jìn)行點焊操作，研究其點焊接頭的宏觀特性、微觀組織和力學(xué)性能。

1 試驗材料及設(shè)計

1.1 試驗材料

母材選用1.2 mm 和1.6 mm 的B1500HS 熱成型超高強(qiáng)鋼和1.0 mm 的B250P1 冷軋鋼，其化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1 和表2[7]。

表1 B1500HS 和B250P1 的化學(xué)成分（wt.%）Tab.1 Chemical composition of B1500HS and B250P1 steel (wt.%)

表2 B1500HS 和B250P1 的拉剪性能Tab.2 Mechanical properties of B1500HS and B250P1 steel

1.2 試驗設(shè)計

本試驗采用電阻點焊進(jìn)行3 層結(jié)構(gòu)的焊接。在3 層板的搭接區(qū)域中心進(jìn)行單點焊接，點焊前，用酒精對母材表面進(jìn)行擦拭，試樣的布置及尺寸如圖1 所示。

圖1 點焊試樣搭接順序及尺寸示意圖Fig.1 Schematic diagram of lap sequence and size of spot welding specimens

點焊采用由預(yù)熱脈沖、焊接脈沖和后熱脈沖構(gòu)成的復(fù)雜焊接熱循環(huán)，如圖2 所示。圖2 中：Fp——電極壓力；Ipe——預(yù)熱電流；Iw——焊接電流；tpr——預(yù)壓時間；tpe——預(yù)焊時間；tcool——冷卻時間；tw——焊接時間；Ipo——后熱電流；tpo——后熱時間。基于前期的研究，本文將預(yù)熱脈沖和焊接脈沖的參數(shù)固定，僅改變后熱脈沖的3 個參數(shù)，采用的焊接參數(shù)見表3。

圖2 3 層接頭點焊熱循環(huán)示意圖Fig.2 Schematic diagram of three-layer joint spot welding thermal cycle

表3 3 層結(jié)構(gòu)采用的點焊工藝規(guī)范Tab.3 Spot welding process specification used in three-layer structure

電阻點焊結(jié)束后，沿焊點中心線用線切割機(jī)割開，通過標(biāo)準(zhǔn)程序制備金相試樣，用4%的硝酸酒精溶液腐蝕，觀察其宏觀組織特征和微觀組織特征。

2 結(jié)果及討論

2.1 點焊接頭的熔核直徑

熔核直徑會影響高強(qiáng)鋼點焊接頭的強(qiáng)度和斷裂模式，如圖3 所示為不同后熱工藝參數(shù)下點焊接頭的熔核直徑。

圖3 不同后熱工藝參數(shù)下點焊接頭的熔核直徑Fig.3 Nugget diameter of spot welded joints under different post heat process parameters

從圖3（a）中可以看出，初始熔核直徑較小，主要是因為母材的屈服強(qiáng)度較高，電流穿過母材產(chǎn)生的熱量催促母材軟化，后熱電流較小時，產(chǎn)生的熱量較小，材料很難發(fā)生變形，因此熔核直徑相對較小。隨著后熱電流增大，熔核直徑整體呈增大的趨勢，根據(jù)焦耳定律公式[8]：

式中：Q——熱量，kJ；I——后熱電流，kA；R——試樣電阻，Ω；t——后熱時間，s。

當(dāng)后熱電流增大時，產(chǎn)生的熱量增多，母材在高的熱輸入下，軟化速度會加快，進(jìn)而促進(jìn)熔核生長，使熔核直徑增大；當(dāng)后熱電流在7～8 kA 時，熔核直徑呈減小的趨勢，這主要是因為熔核經(jīng)過焊接電流加熱短暫冷卻后又重新被較高的后熱電流加熱，母材金屬熔化速度會大于塑性環(huán)向外擴(kuò)展的速度，引起熔核飛濺，導(dǎo)致熔核直徑減小。

從圖3（b）中可以看出，熔核直徑隨著后熱時間的延長呈現(xiàn)出一直增大的趨勢，但當(dāng)后熱時間在200～300 ms 時，增大的趨勢并不明顯，主要原因是在電極水冷的作用下，點焊接頭的散熱量增加，熔核長大緩慢。

從圖3（c）中可以看出，熔核直徑隨著冷卻時間的延長呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，但總體而言，冷卻時間對熔核直徑的影響并不大。這主要因為冷卻時間位于焊接電流和后熱電流之間，冷卻時間相對較短，而焊接電流和后熱電流的大小沒什么變化，熱輸入也幾乎沒有變化，因而冷卻時間對熔核直徑的影響并不大。

2.2 點焊接頭的微觀組織

圖4 是在后熱電流8 kA、后熱時間100 ms 和冷卻時間20 ms 下得到的點焊接頭宏觀形貌（試樣101）。由圖4 可以看出，點焊接頭主要包括熔核區(qū)（FZ）、熱影響區(qū)（HAZ）和母材（BM）3 部分，熱影響區(qū)與母材和熔核之間有明顯的分界線。

圖4 點焊接頭區(qū)域構(gòu)成圖（Ipo=8 kA；tpo=100 ms；tcool=20 ms）Fig.4 Spot welding joint area composition diagram（Ipo=8 kA；tpo=100 ms；tcool=20 ms）

圖5 所示為101 試樣1.6 mm B1500HS 側(cè)熱影響區(qū)及母材區(qū)的微觀組織特征。根據(jù)組織特征，將B1500HS 側(cè)熱影響區(qū)劃分為粗晶區(qū)、細(xì)晶區(qū)和臨界區(qū)3 個區(qū)域，分別如圖5（b）—圖5（d）所示。粗晶區(qū)主要是由粗大的馬氏體和殘余奧氏體組成，細(xì)晶區(qū)主要是由針狀馬氏體組成，臨界區(qū)主要由島狀回火馬氏體和鐵素體組成，母材區(qū)主要是由細(xì)小板條馬氏體組成。

圖5 試樣1.6 mm 的微觀組織特征Fig.5 Microstructure characteristics of specimen 1.6 mm

2.3 點焊接頭的力學(xué)性能

高強(qiáng)鋼點焊接頭的最大剪切力是作為評價接頭承載能力高低的依據(jù)，如圖6 所示為不同后熱工藝參數(shù)下點焊接頭的剪切力。

從圖6（a）可以看出，隨著后熱電流的增大，剪切力整體呈現(xiàn)增大的趨勢，最高達(dá)到15.2 kN，這主要是因為后熱電流越大，電極向熔核輸入熱量就會升高，此時電流流過的區(qū)域熔化金屬就會增多，進(jìn)而熔核直徑增大，點焊接頭的拉伸剪切力就會增大；但當(dāng)后熱電流在5～6 kA 時，剪切力從14 kN 下降到9 kN，這主要是由于點焊接頭的剪切力不僅與熔核直徑有關(guān)，還與熔核中產(chǎn)生的縮孔和裂紋等缺陷有關(guān)。當(dāng)后熱電流為6 kA 時，熔核中存在縮孔，因而在拉伸過程中，產(chǎn)生的裂紋傾向大，更易發(fā)生斷裂，從而剪切力下降。

從圖6（b）可見，后熱時間100～200 ms 時，隨著后熱時間延長，拉剪力從11.5 kN 提高到19.0 kN，此時熱輸入升高，熔核直徑較大，剪切力會增高；而在后熱時間200～300 ms 時，拉剪力呈減小的趨勢，從19 kN 降到11 kN。隨著后熱時間的延長，母材與電極接觸的表面熱輸入就會過大，此時熔化的金屬就會增多，接頭產(chǎn)生的板間飛濺會更嚴(yán)重，造成熔核合金元素流失，接頭承載能力就會降低。

從圖6（c）可以看出，隨著冷卻時間的延長，點焊接頭的拉剪力呈現(xiàn)一直增大的趨勢，這主要是由于回火馬氏體組織形成改善了熔核性能，從而點焊接頭的拉剪力增大。但總體來說，冷卻時間對點焊接頭的承載能力影響不大。

圖6 不同后熱工藝下的剪切力Fig.6 Tensile shear force under different post-heating processes

3 結(jié)論

本課題研究了在不同后熱工藝參數(shù)下3 層不等厚高強(qiáng)鋼B1500HS/B250P1/B1500HS 點焊接頭的宏觀特性、顯微組織和力學(xué)性能，主要得到以下結(jié)論：

高強(qiáng)鋼點焊接頭的熔核直徑與后熱時間呈單調(diào)性關(guān)系，與后熱電流呈非單調(diào)關(guān)系，但整體呈增加的趨勢，冷卻時間對熔核直徑影響不大。當(dāng)后熱電流8 kA、后熱時間300 ms 和冷卻時間20 ms 時，點焊接頭熔核直徑最大為7.5 mm。

點焊接頭主要包括熔核區(qū)（FZ）、熱影響區(qū)（HAZ）和母材（BM）3 部分。熔核區(qū)主要由粗大的馬氏體組成。按照組織特征的不同，B1500HS側(cè)熱影響區(qū)可劃分為3 個區(qū)域，分別是粗晶區(qū)、細(xì)晶區(qū)和臨界區(qū)。粗晶區(qū)主要由板條馬氏體和少量奧氏體組成，細(xì)晶區(qū)主要是由細(xì)針狀的馬氏體組成，臨界區(qū)主要是由島狀回火馬氏體和鐵素體組成。

當(dāng)后熱電流8 kA、后熱時間300 ms 和冷卻時間30 ms 時，接頭承受的拉剪切力最大，為17.4 kN。