馬氏體含量對合金化熱鍍鋅雙相鋼電阻點焊接頭組織與性能的影響

王鵬博，張永強，蔡寧，付參，伊日貴，鞠建斌，陳煒煊，余洋

馬氏體含量對合金化熱鍍鋅雙相鋼電阻點焊接頭組織與性能的影響

王鵬博，張永強，蔡寧，付參，伊日貴，鞠建斌，陳煒煊，余洋

（首鋼集團有限公司技術(shù)研究院用戶技術(shù)研究所，北京 100043）

研究在雙相鋼電阻電焊過程中馬氏體含量對點焊接頭組織、性能的影響規(guī)律。使用電阻點焊機對DP780、DP980、DP1180 3種馬氏體含量不同的鋅鐵合金化熱鍍鋅雙相鋼進行焊接，利用歐姆表、光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、拉伸機和顯微硬度計等設(shè)備，對基板的電阻率、工藝窗口、接頭力學(xué)性能、焊點斷裂模式、金相組織進行表征。在AWS D8.9M-2012焊接標(biāo)準(zhǔn)體系下，DP780、DP980、DP1180焊接電流窗口依次減小，DP780、DP980、DP1180 3種材料在最大焊接電流下的焊核直徑基本一致；熔核區(qū)硬度呈增大趨勢，DP780點焊接頭軟化不明顯，DP980和DP1180的熱影響區(qū)出現(xiàn)明顯的軟化現(xiàn)象，這主要是由母材熱影響區(qū)中的馬氏體回火造成的。DP780、DP980、DP1180的最大剪切力分別為23 062、27 317、28 183 N。DP780為拔核斷裂模式，DP980和DP1180為部分拔核斷裂模式。雙相鋼中馬氏體含量的增加會使焊接電流窗口降低，整體向焊接電流減小的方向偏移，但是會提高上限電流的焊點承載強度。

馬氏體含量；雙相鋼；電阻點焊；力學(xué)性能；回火

安全、環(huán)保、節(jié)能是當(dāng)前汽車制造業(yè)發(fā)展的主題，汽車輕量化在解決燃油效率、CO2減排等問題過程中起著關(guān)鍵作用。作為具有廣闊應(yīng)用前景的輕量化材料，高強鋼因具備強度高、成形性能好、防撞凹性能好、能量吸收率高等綜合優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于汽車制造領(lǐng)域[1-6]。

雙相鋼作為第一代先進高強鋼的代表，是目前產(chǎn)量最高、應(yīng)用最多的先進高強鋼。雙相鋼由鐵素體基體和島狀的馬氏體硬質(zhì)相組成，是一種強度高、韌性好、成形性能優(yōu)良、加工硬化率高的先進高強鋼，在汽車車身以及汽車零件如車輪、保險杠、懸掛系統(tǒng)、加強件等方面得到了廣泛應(yīng)用[7-14]。

電阻點焊具有成本低、焊接效率高、便于自動化管理等優(yōu)點，是目前汽車制造的主要連接方式之一。據(jù)統(tǒng)計，每輛轎車車身焊點數(shù)量為4 000～5 000[15-17]。汽車的安全性一方面取決于汽車車身材料的強度，另一方面取決于材料接頭的強度，就電阻點焊來說，即焊點的強度。由于高強鋼硬度高、合金元素復(fù)雜，其焊接工藝參數(shù)范圍和工藝窗口較窄，為了滿足汽車的安全性和可靠性，研究高強鋼尤其是雙相高強鋼的焊接工藝及焊點性能具有重要意義[18-20]。徐士航等[21]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)焊接規(guī)范相同時，DP590GA鋼的點焊接頭強度要比DP590鋼的低10%～40%。周磊磊等[22]研究了熱鍍鋅DP780電阻點焊性能，優(yōu)化了焊接時間、焊接電流等參數(shù)。李龍等[23]研究了不同工藝參數(shù)對DP980電阻點焊接頭性能的影響，并提供了最佳的點焊工藝參數(shù)。

鋼板點焊工藝窗口是考察鋼板焊接性能的重要指標(biāo)。主機廠焊裝車間設(shè)備多、功率大，電路容易發(fā)生波動，鋼板點焊工藝窗口越大，焊接質(zhì)量越穩(wěn)定。主機廠焊裝車間通常采用一把焊槍以單一焊接工藝參數(shù)焊接不同鋼板組合。目前有關(guān)單一馬氏體含量的雙相鋼電阻點焊工藝的研究較多，但是有關(guān)不同馬氏體含量雙相鋼電阻點焊工藝性能的研究很少，因此本文以不同馬氏體含量的合金化熱鍍鋅雙相鋼為研究對象，進行電阻點焊試驗，重點研究馬氏體含量對雙相鋼的焊接電流窗口、接頭顯微組織、焊點力學(xué)性能等的影響，以期為先進高強鋼的應(yīng)用、汽車輕量化的選材和電阻點焊焊接工藝方案的制定提供數(shù)據(jù)。

1 試驗

1.1 試樣制備

試驗材料為DP780、DP980、DP1180合金化熱鍍鋅雙相鋼板，厚度為1.4 mm。鋼板的主要化學(xué)成分和拉伸性能分別如表1和表2所示，雙相鋼的顯微組織如圖1所示，主要由淺色的鐵素體和深色的馬氏體組成，隨著馬氏體含量的提高，鋼板強度不斷提高，同時伸長率逐漸降低。

利用OBARA DB-220型固定式中頻逆變點焊機進行焊接試驗，并用Miyachi MM-370A型電阻焊監(jiān)測儀對焊接參數(shù)進行監(jiān)測。所用電極材料端面為鉻鋯銅，端面直徑為8 mm。

表1 試驗雙相鋼的主要化學(xué)成分

Tab.1 Main chemical composition of dual phase steel for test wt.%

表2 試驗雙相鋼的拉伸性能及馬氏體含量

Tab.2 Tensile properties and martensite content of dual phase steel for test

圖1 試驗雙相鋼的顯微組織

1.2 方法

采用機械加工方式截取點焊接頭最大橫截面以制備金相試樣，經(jīng)鑲嵌、研磨、拋光后，用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液進行腐蝕，使用Leica DMI5000M型光學(xué)顯微鏡觀察焊點宏觀形貌和微觀組織。

采用Leica HXD-1000TM型顯微硬度測試儀測定點焊接頭母材、熱影響區(qū)及熔核區(qū)的硬度，載荷為19.6 N，加載時間為10 s，硬度打點間距為400 μm。按照GB/T 228.1—2010進行剪切拉伸試驗，試樣尺寸如圖2所示，拉剪試驗在Zwick-Z50型拉伸試驗機上進行，拉伸速度為5 mm/min，測定點焊接頭的最大剪切強度。拉伸時為保證載荷方向與剪切面平行，分別在試樣兩端墊等厚的鋼片，以保證受力均勻。采用日立SN3400型掃描電子顯微鏡觀察斷口形貌。

圖2 剪切拉伸試樣尺寸

在眾多鋼板點焊電流工藝窗口的影響因素中，電阻是對點焊形核影響最為顯著的因素。測量電阻率所用試板尺寸為128 mm×38 mm，如圖3所示，沿中心線用記號筆標(biāo)記2個點，間距為70 mm，板寬方向的截面面積=（為鋼板寬度），使用歐姆表測量兩點間的電阻，單位為μΩ，樣品電阻率的計算如式（1）所示。

式中：為電阻率，μΩ·cm；為總電阻，μΩ；為兩點之間的距離，mm。

圖3 電阻率測量示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 焊接電流窗口

按照AWS D8.9M—2012選取焊接工藝參數(shù)，如表3所示。不同試驗鋼的點焊電流工藝窗口如圖4所示。雖然DP780、DP980、DP1180 3個牌號的鋼板厚度相同，但是相同焊接工藝參數(shù)下的點焊電流工藝窗口明顯不同。DP780鋼在焊接時間為375、469、563 ms 時的焊接電流窗口分別為2.4、2.4、2.5 kA，DP980鋼在焊接時間為375、469、563 ms時的焊接電流窗口分別為2.2、2.2、2.3 kA，DP1180在焊接時間為375、469、563 ms時的焊接電流窗口分別為2.1、2.1、2.2 kA。焊接電流窗口隨鋼中馬氏體含量的增加而逐漸減小，同時，min和max隨馬氏體含量的增大而向電流減小的一側(cè)偏移，當(dāng)焊接時間增加50%，焊接電流窗口略有增大。

表3 焊接工藝參數(shù)

圖4 不同試驗鋼的點焊電流工藝窗口

試驗雙相鋼的電阻和電阻率如表4所示?？芍?，DP780、DP980、DP1180鋼的電阻率分別為33.68、35.2、37.69 μΩ·cm。鋼板的電阻和鋼板的組織形態(tài)密切相關(guān)，鐵素體組織的電阻率最小，珠光體的電阻率略大，馬氏體組織的電阻率最大。因此，雙相鋼鋼板電阻率隨馬氏體含量的增加而增大，DP1180鋼中馬氏體含量最高，其電阻率最大[24]。

2.2 焊接接頭的形貌與顯微組織

不同試驗鋼焊接接頭的宏觀形貌如圖5所示?？梢钥吹?，焊接接頭由熔核區(qū)、熱影響區(qū)、母材區(qū)組成，DP780、DP980、DP1180鋼接頭的焊核直徑相差不大，這是由于在板厚和電極直徑相同的情況下，熔核外塑性環(huán)一樣，當(dāng)焊核生長速率超過塑性環(huán)擴展區(qū)域時就會產(chǎn)生飛濺。

為了獲得良好的焊接表面并增強焊點的承載能力和能量吸收能力，壓痕深度應(yīng)低于鋼厚度的30%。DP780、DP980、DP1180鋼的接頭壓痕深度分別為0.30、0.28、0.27 mm，均小于鋼厚度的30%，壓痕深度隨鋼中馬氏體含量的增加而降低。

DP780鋼焊接接頭的顯微組織如圖6所示?？梢钥吹?，DP780鋼點焊接頭熔核區(qū)為板條馬氏體組織，且呈現(xiàn)明顯的柱狀晶形態(tài)。通電后在電阻熱的作用下，點焊熔核區(qū)金屬迅速熔化，當(dāng)焊接過程結(jié)束后，熔融金屬在電極壓力和水冷的作用下形核，水冷的作用使熔核區(qū)金屬的冷卻速率遠(yuǎn)大于形成馬氏體所需的臨界冷卻速率，因此，形成了板條狀馬氏體組織。焊接熱影響區(qū)的顯微組織由板條馬氏體以及少量的鐵素體組成。

表4 試驗雙相鋼的電阻和電阻率

Tab.4 Resistance and resistivity of dual phase steel for test

圖6 DP780鋼焊接接頭的顯微組織

2.3 焊點顯微硬度分布

DP780、DP980、DP1180鋼的熔核區(qū)硬度分別為320HV0.2～360HV0.2、370HV0.2～400HV0.2、400HV0.2～ 430HV0.2。熔核區(qū)組織主要是粗大的馬氏體，因此其硬度顯著高于母材硬度。與母材區(qū)、熔核區(qū)相比，熱影響區(qū)的硬度波動更大，DP780、DP980、DP1180鋼的熱影響區(qū)硬度分別為220HV0.2～360HV0.2、270HV0.2～410HV0.2、310HV0.2～430HV0.2。

圖7 不同實驗鋼焊接接頭的顯微硬度分布

DP780熱影響區(qū)的硬度最低點與母材硬度接近，熱影響區(qū)不存在軟化現(xiàn)象。DP980焊接熱影響區(qū)軟化點的硬度為母材硬度的91%，DP1180焊接熱影響區(qū)軟化點硬度為母材硬度的86%，DP980、DP1180焊接熱影響區(qū)存在硬度值低于母材硬度的軟化點，且軟化程度隨著馬氏體含量的增加而增大。焊點軟化區(qū)域的金相組織如圖8所示。當(dāng)鋼板被加熱到C1以下時，馬氏體組織發(fā)生回火，分解形成鐵素體，使顯微硬度降低。在 DP780接頭的熱影響區(qū)也發(fā)生了回火，但是其馬氏體比例和碳含量較低，因此其接頭軟化傾向不明顯。而DP980和DP1180鋼板中的馬氏體比例和碳含量均較高，經(jīng)歷回火后，熱影響區(qū)馬氏體的體積分?jǐn)?shù)低于母材的，軟化傾向更加明顯[25]。

2.4 焊點的力學(xué)性能

點焊接頭的剪切力是評價點焊質(zhì)量的重要指標(biāo)。DP鋼上限電流焊點力學(xué)曲線及斷裂模式如圖9所示。DP780、DP980、DP1180鋼的最大剪切力分別為23 062、27 317、28 183 N，焊點剪切力隨馬氏體含量的增加而增大。

DP780焊點為拔核斷裂，DP980、DP1180焊點為部分拔核斷裂。DP780樣品在拉伸過程中出現(xiàn)了明顯的彎曲現(xiàn)象，DP980、DP1180鋼的彎曲程度不明顯。由此可見，與DP980、DP1180鋼相比，在焊核拔出過程中，DP780鋼的塑性變形程度更明顯。

圖8 DP780、DP980、DP1180不完全正火區(qū)金相組織

圖9 DP780 、DP980、DP1180焊點力學(xué)曲線及斷裂模式

焊點破壞位置截面照片和斷口形貌如表5所示?？梢钥吹?，DP780焊點從熱影響區(qū)邊緣的母材位置斷裂，為塑性斷裂形式；而DP980、DP1180的起裂位置在熱影響區(qū)，裂紋向熔核區(qū)擴展。熔核區(qū)組織更加脆、硬，截面照片熔核并不完整。采用電鏡觀察焊點剪切拉伸后的斷口形貌，可見，DP780斷口中有明顯的韌窩存在，為塑性斷裂；而DP980、DP1180中無韌窩，主要為解理斷裂。

表5 焊點破壞位置截面照片和斷口形貌

3 結(jié)論

1）隨著雙相鋼中馬氏體含量的增加，點焊焊接電流窗口逐漸向焊接電流減小的方向偏移，并且點焊焊接電流窗口變窄。

2）在上限電流焊接條件下，雙相鋼熔核直徑相差不大，焊點的壓痕深度隨馬氏體含量的增加而降低。

3）熔核區(qū)硬度隨著雙相鋼板中馬氏體含量的增加而增大，DP780熱影響區(qū)無明顯軟化傾向，而DP980和DP1180的熱影響區(qū)出現(xiàn)明顯的軟化區(qū)，鋼中馬氏體發(fā)生回火，使熱影響區(qū)馬氏體含量低于母材馬氏體含量。

4）DP780、DP980、DP1180的最大剪切力分別為23 062、27 317、28 183 N，焊點的剪切力隨著馬氏體含量的增加而增大，DP780為拔核斷裂模式，DP980、DP1180為部分拔核斷裂模式。

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Effect of Martensite Content on Microstructure and Properties of Resistance Spot Welded Joint of Alloyed Hot-dip Galvanized Dual Phase Steel

WANG Peng-bo, ZHANG Yong-qiang, CAI Ning, FU Can, YI Ri-gui, JU Jian-bin, CHEN Wei-xuan, YU Yang

(Research Institute of Technology of Shougang Group, Beijing 100043, China)

The work aims to study the effect of martensite content on the microstructure and properties of resistance spot welded joint of alloyed hot-dip galvanized dual phase steel. The resistance spot welder was used to weld the zinc iron alloyed hot-dip galvanized dual phase steel with different martensite contents, namely, DP780, DP980 and DP1180. The substrate resistivity, process window, mechanical properties of joints, fracture mode of welding spot, and metallographic structure were characterized by ohmmeter, optical microscope, scanning electron microscope, tensile machine, microhardness tester and other equipment. The results showed that under the AWS D8.9M-2012 welding standard system, the welding current windows of DP780, DP980, and DP1180 decreased sequentially, and the weld nugget diameters of DP780, DP980, and DP1180 materials were basically the same under the maximum welding current. The hardness of nugget zone increased, the softening of DP780 spot welded joint was not obvious, and the Heat-affected zone of DP980 and DP1180 appeared obvious softening, which was mainly caused by tempering of martensite in the heat-affected zone of the substrate. The maximum shear force of DP780, DP980 and DP1180 was 23 062 N, 27 317 N, and 28 183 N, respectively. DP780 was a pull-out fracture mode, while DP980 and DP1180 were partial nuclear fracture modes. The increase of martensite content will increase the bearing strength of welded joints under upper limit current, but it will reduce the welding current window and shift to the direction of welding current reduction.

martensite content; dual phase steel; resistance spot welding; mechanical properties; tempering

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.010.019

TG457.11

A

1674-6457(2023)010-0160-08

2023-04-18

2023-04-18

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責(zé)任編輯：蔣紅晨