张 建，吴青松，郑江鹏，黄治军

（1.武汉钢铁（集团）公司研究院，武汉430080；2.华中科技大学材料科学与工程学院，武汉430074）

0 引 言

随着国民生活水平的大幅提高，汽车需求量逐年攀升，在全球面临能源匮乏和环境污染的严重形势下，轻量化成为汽车发展的主要方向。高强钢板在汽车上的应用既可以减轻汽车车身质量，同时又可以节约燃料，成为在保证汽车安全性前提下实现汽车轻量化的首选材料［1-2］。与其它高强钢相比，在铁素体基体上分布着马氏体的双相钢以较高的强度、伸长率和初始加工硬化速率等特性，迅速发展成为当今汽车制造业最有前景的轻量化材料之一［3-4］。

电阻点焊方法具有焊接变形小、生产效率高等特点，广泛应用于汽车薄板的焊接中。汽车制造中90%以上的装配工作量由电阻点焊完成，点焊质量的好坏将直接影响汽车的性能。双相钢由于强度增高，合金元素含量增加，比普通低碳钢板的焊接更加困难［5-7］。我国汽车产业在双相钢板的电阻点焊技术应用方面起步较晚，随着该技术应用范围的扩大，研究双相钢板的点焊接头性能具有重要的现实意义。目前，点焊研究主要集中在600MPa级的双相钢板上，而对于更高级别的双相钢的点焊研究相对较少。因此，作者采用电阻点焊对DP780高强度汽车用冷轧双相钢板进行了焊接试验，研究了点焊接头的显微组织和力学性能，为双相钢点焊工艺确定提供参考。

1 试样制备与试验方法

试验材料为2.0mm厚的DP780高强度汽车用冷轧双相钢板，其化学成分如表1所示，其拉伸性能如表2所示。先将双相钢板用酒精超声清洗后烘干，然后采用DBZ-160型中频点焊机进行焊接，采用球面型电极，其端部直径为8mm；焊接工艺参数如表3所示。

表1 DP780双相钢的化学成分（质量分数）Tab.1 Chemical composition of DP780 dual-phase steel（mass） %

表2 DP780双相钢的拉伸性能Tab.2 Tensile properties of DP780dual-phase steel

表3 不同点焊焊接参数下的焊接现象和点焊接头的拉剪断裂方式Tab.3 Welding phenomenon and tensile fracture mode of spot welded joint at different spot welding parameters

采用精度为0.02mm的电子读数游标卡尺测量焊点熔核的尺寸；采用Z050型电子万能试验机进行拉剪试验，试样尺寸为2mm×40mm×160mm，拉伸速度为1mm·min-1；采用AAV-502型显微硬度计测点焊接头不同区域的显微硬度，加载载荷为200N，加载时间为15s；采用OLYMPUS-GX71型光学显微镜观察点焊接头的显微组织。

2 试验结果与讨论

2.1 点焊质量

由表3可知，DP780双相钢板较佳的点焊工艺参数为：焊接电流9～10.5kA，焊接时间320～400ms，焊接压力5kN。当焊接电流超过10.5kA或焊接时间超过400ms时，点焊过程会产生飞溅，点焊接头的工艺性能下降，点焊接头的拉剪断裂方式为界面撕裂，点焊质量不合格。分析认为，当焊接电流较小或焊接时间较短时，焊接时产生的热量低，点焊接头形成的熔核较小；随着焊接电流增大或焊接时间延长，热输入量增加，熔核直径增大；进一步增大焊接电流或延长焊接时间，试样表面的电极压痕较大，变形较大，并有飞溅产生，接头质量也会下降。

由图1（a）可知，当焊接压力为3.5kN时，点焊接头的熔核中心出现了未熔合缺陷（缩孔）。在点焊过程中，熔核内部的液态金属从母材界面向内凝固结晶，由于焊接压力太小，金属凝固收缩后形成的孔洞未能得到足够的补充，导致熔核中心处没有熔合。当焊接压力增大至5kN时，如图1（b）所示，接头中未熔合的缺陷消失。但当焊接压力过大时，接头易产生飞溅，也会导致缺陷形成。由于未熔合和点焊飞溅均会对接头的质量不利。因此，在对DP780双相钢板进行点焊时应选择合适的焊接压力。

图1 不同焊接压力下点焊接头的宏观形貌（焊接电流9.5kA，焊接时间400ms）Fig.1 Macrographs of spot welded joint under different welding pressures（welding current of 9.5kA and welding time of 400ms）

2.2 显微组织

由图2可以看出，在合适的点焊工艺参数下，点焊接头可以明显地分为三个区域：母材区（BM）、热影响区（HAZ）和熔核区（FZ）。母材区主要为铁素体和马氏体，熔核区主要为马氏体，热影响区主要由尺寸较小的马氏体、铁素体和贝氏体组成。由于电阻点焊的冷却速率远大于马氏体转变的临界速率，故熔核区在冷却过程中形成了粗大的板条状马氏体。图2（a）中的Ⅰ区为靠近母材区的热影响区，该区距热源较远，奥氏体长大时间有限，冷却时形成的马氏体组织较小；Ⅱ区为靠近熔核区的热影响区，该区距热源较近，形成了较为粗大的马氏体组织。

图2 在较佳点焊工艺参数下点焊接头的显微组织Fig.2 Microstructure of spot welded joint at the relatively good spot welding parameters：（a）whole view；（b）zoneⅠand（c）zoneⅡ

2.3 剪切力和熔核直径

根据焦耳定律，点焊热输入量与焊接电流的平方成正比，与焊接时间成正比，因此焊接电流对点焊接头性能的影响最大。由图3可知，随焊接电流增大，点焊接头的剪切力和熔核直径均先增大后减小；在焊接压力为5kN的情况下，当焊接时间为400ms、焊接电流为9.5kA时，点焊接头的剪切力和熔核直径均达到最大，分别为32.58kN和7.9mm。这是因为，随着焊接电流增大或焊接时间延长，焊接热输入量增加，焊件接触面上的金属熔化速率更快，熔核直径增大，接头的剪切力增大；当焊接电流或焊接时间增加到一定值时，板间翘离会限制熔核长大；当焊接电流过大时，熔核的生长速率超出了塑性环的扩张速度，液态金属飞出产生塑性环，点焊接头的熔核直径减小，剪切力降低。

此外，由图3还可以看出，随着焊接时间延长，点焊接头的剪切力和熔核直径均先增大后减小。对比焊接时间分别为300ms和400ms时接头的剪切力和熔核直径可以看出，焊接时间为400ms时接头的剪切力和熔核直径较大，与增加焊接电流具有相同的效果，但焊接时间不宜过长，否则会导致发生飞溅，影响接头的质量。

图3 焊接电流和时间对点焊接头剪切力和熔核直径的影响（焊接压力为5kN）Fig.3 Effects of welding current and time on shear force（a）and nugget diameter（b）of spot welded joint（welding pressure of 5kN）

2.3 显微硬度

由图4可知，点焊接头熔核区（FZ）的显微硬度最大，约为399.3HV，母材的显微硬度最低，约为238HV。这是由于熔核区的马氏体含量高于母材中的，而材料的显微硬度主要取决于组织中马氏体的含量，马氏体含量越多，显微硬度越大。随着焊接电流增大，点焊热输入量增加，熔核区过冷度较小，熔核区的马氏体粗化，显微硬度降低。故而，焊接电流为8kA时熔核区的显微硬度高于10kA焊接电流时熔核区的显微硬度，但高硬度区域的宽度变窄，这表明焊接电流为8kA时，熔核直径较小。

图4 不同焊接电流下点焊接头的显微硬度（焊接时间400ms，焊接压力5kN）Fig.4 Microhardness of spot welded joints at different welding currents（welding time of 400ms and welding pressure of 5kN）

3 结 论

（1）DP780双相钢较佳的点焊工艺参数为焊接压力5kN，焊接电流9～10.5kA，焊接时间320～400ms；在此参数范围内，接头的焊接质量良好，熔合区主要为马氏体，热影响区主要由尺寸较小的马氏体、铁素体和贝氏体组成。

（2）随着焊接电流增大或焊接时间延长，DP780双相钢板电阻点焊接头的熔核直径和剪切力均呈先增大后减小的趋势；当焊接电流为9.5kA、焊接时间为400ms、焊接压力为5kN时，点焊接头的熔核直径和剪切力均达到最大，分别为7.9mm和32.58kN。

（3）DP780双相钢板点焊接头熔核区的显微硬度最高；随着焊接电流增大，熔核区的显微硬度减小。

［1］孙林，赵志毅，林玮，等.回火工艺对热轧低碳马氏体高强钢板残余应力的影响［J］.金属热处理，2014，39（3）：45-48.

［2］何文，张维刚，钟志华.汽车碰撞仿真研究中点焊连接关系的有限元模拟［J］.机械工程材料，2005，41（9）：73-77.

［3］叶平，沈剑平，王光耀，等.汽车轻量化用高强度钢现状及其发展趋势［J］.机械材料工程，2006，30（4）：427-431.

［4］DONG D Y，LIU Y，YANG Y L，et al.Microstructure and dynamic tensile behavior of DP600dual phase steel joint by laser welding［J］.Materials Science and Engineering：A，2014，594：17-25.

［5］于燕，张小盟，杨海峰，等.汽车用TRIP600高强钢板的点焊工艺［J］.机械工程材料，2013，37（8）：68-71.

［6］王敏，吴毅雄，潘华，等.母材成分对DP590钢电阻点焊接头性能的影响［J］.焊接学报，2010，31（2）：33-36.

［7］陶博浩，李红，宋永伦，等.电阻点焊冷轧DP600双相钢焊接接头性能的正交试验分析［J］.焊接学报，2013，34（6）：81-84.