超高强冷轧双相钢DP980电阻点焊工艺研究

2021-03-31供稿王亚东韩丹杨天一张秀香陈虹宇

金属世界 2021年2期

供稿|王亚东，韩丹，杨天一，张秀香，陈虹宇

内容导读

采用中频直流电阻点焊机对超高强冷轧双相DP980进行焊接，焊接参数中固定电极压力、保持时间及焊接时间，调整焊接电流进行实验，测试分析点焊接头微观组织、硬度、失效模式以及拉剪性能。结果表明：熔核区显微组织主要由板条马氏体组成，在热影响区的外部观察到回火马氏体，与母材相比硬度较低；熔核直径大小是焊点峰值载荷关键影响因素，以7.5～9.5 kA的电流范围进行焊接可获得最佳焊接质量，点焊接头的失效方式主要为熔核剥离模式。

先进高强钢是车身结构设计和生产中的新一代关键材料。近年来，先进高强钢在汽车工业中的使用稳步增长，归功于其能提供更高强度和延展性，能够减轻车身重量，从而改善燃油经济性并减少对环境的污染，同时提高碰撞吸收能，进而为车内乘员提供更好的保护。电阻点焊是车身制造中最主要的连接技术，典型的车辆包含4000～5000个焊点[1]，因此，车辆的安全性在很大程度上取决于将所有钢制部件组装在一起的电阻点焊性能[2]。传统的低碳钢已广泛采用电阻点焊技术，但众所周知先进高强钢更容易受到电阻点焊接头失效的影响[3]，先进高强钢经常遇到抗断裂性和焊缝韧性较低的困扰，这是由于先进高强钢合金元素含量较高，易导致点焊熔合区内形成脆性相和微偏析现象[4]。双相钢以相变强化为基础，具有低屈强比，高初始加工硬化率，良好的强塑性匹配等优点。目前在汽车制造业中应用的超高强冷轧双相钢主要集中在1000 MPa左右，且大多成分设计复杂，在增加了工业化生产难度的同时也为电阻点焊工艺带来挑战。本文针对超高强冷轧双相钢DP980进行电阻点焊工艺研究，分析焊接电流对点焊接头微观组织、硬度、失效模式及拉剪性能的影响规律，提出适用于超高强冷轧双相钢DP980的焊接参数，为电阻点焊工艺参数优化提供参考。

实验材料及方法

使用1.2 mm厚的超高强冷轧双相钢DP980钢板作为实验材料，化学成分和力学性能如表1和表2所示。使用通过PLC控制的中频直流气动电阻点焊机和端面直径为6 mm的电极进行焊接，电极压力和保持时间恒定控制在3.6 kN和300 ms，焊接过程中保持焊接时间为400 ms不变，以步长0.1 kA逐步增加焊接电流进行焊接实验。汽车的结构性能很大程度上取决于点焊接头连接的力学性能，在电阻点焊研究中拉剪实验是检测点焊结构强度应用最多的手段[5]，因此采用拉伸剪切实验来评价点焊接头的力学性能，每个焊接条件进行三个样品焊接，其中两个样品用于拉伸剪切实验，一个样品用于金相分析。准静态拉伸剪切实验样品根据GWS-5A标准制备，图1为试样搭接方式，图中试样尺寸L和W分别为150 mm和50 mm，其中L方向与轧制平行。使用万能实验机进行拉伸剪切测试，并记录载荷位移曲线，从载荷位移曲线中提取峰值载荷并依据拉断试样的宏观形貌确定失效模式。使用光学显微镜观察点焊接头宏观结构并测量尺寸，使用扫描电子显微镜观察微观结构，使用显微硬度计测试点焊接头区域的硬度分布。

表1 实验材料的化学成分(质量分数，%)

表2 实验材料的力学性能

图1 拉伸剪切试样

实验结果与讨论

组织和硬度

超高强冷轧双相钢DP980典型的点焊接头宏观组织如图2所示。从图2可以看出，点焊接头由熔核区、热影响区和母材三个部分组成。

图2 DP980典型的点焊接头宏观组织

图3为典型点焊接头硬度分布曲线。从图中可以看出，整个点焊接头区域的硬度变化很大，热影响区存在软化。

点焊接头各个区域的显微组织如图4所示，从图4(a)可以看出，原始显微组织由铁素体和马氏体组成，马氏体的体积分数约为68%；图4(b)为熔核区显微组织，由于电阻点焊工艺过程中水冷铜电极的淬火效应以及较短的焊接时间而形成的高冷却速率，对于超高强冷轧双相钢DP980熔核区组织主要为板条马氏体；图4(c)为由马氏体和铁素体组成的热影响区中心的显微组织，热影响区中马氏体形成同样由于电阻点焊过程中极高的冷却速度；图4(d)为软化区显微组织，因显微组织中存在回火马氏体，从点焊接头硬度曲线可以看出，相对于母材硬度下降。

图3 DP980典型点焊接头硬度曲线

图4 点焊接头各区域的显微组织：(a)母材；(b)熔核区；(c)热影响区；(d)软化区

失效模式

在拉伸剪切实验中经常可以观察到焊点界面撕裂和熔核剥离两种失效模式[6-7]，在某些情况下，还可以观察到部分界面撕裂模式及混合失效模式。图5为失效模式和熔核直径的关系曲线。从图5可以看出在较高的焊接电流条件下大量焊点以熔核剥离模式失效。熔核直径小的焊点表现为界面撕裂失效模式，在拉伸剪切实验中小熔核、气孔和凝固裂纹的存在会导致接合面的剪切应力增加，并促进接头以界面撕裂模式失效。在宏观层面上，界面撕裂失效模式表现为脆性断裂，因此，有必要消除以界面撕裂而失效的焊点存在的可能性。飞溅通常伴有明显的电极压痕，较高的电极压痕会导致应力集中在熔核边缘，因此，失效位置更接近熔核区/热影响区界面，这是由于熔核区/热影响区的显微组织为较硬的马氏体，与较低硬度的显微组织即回火马氏体相比，会降低能量的吸收。为了提高超高强钢冷轧双相钢DP980点焊接头的机械性能，应将飞溅和电极压痕保持在最低水平。从图5可以看出，为避免飞溅的发生，焊接电流应控制在9.5 kA以下。

机械性能

图6焊接电流对点焊接头拉伸载荷的影响。从图6可以看出，增加焊接电流拉伸力整体呈先上升后下降趋势，焊接电流在8.5 kA时拉伸载荷达到最大值。结合图5可以看出当熔核尺寸较大时，基本为熔核剥离失效模式，但即使存在界面撕裂，其承载能力仍然较高。

图5 焊接电流对熔核直径和失效模式的影响

图6 焊接电流对点焊接头拉伸载荷的影响

焊点的承载能力取决于其物理属性，特别是熔核的大小、破坏方式和破坏位置强度[8-9]。拉伸剪切实验载荷位移图中的峰值点，对于界面撕裂失效模式为裂纹通过熔核的传播点，而对于熔核剥离失效模式则为失效位置的颈缩点/开裂点。从以上分析可知，对于界面失效模式，熔核尺寸越大，界面对剪切的抵抗力就越高；对于焊核拔出模式，增加熔核直径会增加熔核抗旋转的能力，进而会增加在失效破裂位置颈缩/开裂所需的力，在这两种情况下，增加熔核大小都会增加发生失效所需的力，因此在低于飞溅电流并避免较高的电极压痕条件下，尽量提高焊接电流可以获得良好性能的点焊接头。