TRIP800钢板点焊接头的组织和性能

于 燕，杨海峰，张小盟

（长春工业大学先进结构材料省部共建教育部重点实验室，长春130012）

0 引 言

TRIP钢是目前最具发展潜力的新一代汽车用钢，具有高的屈服强度、抗拉强度和延展性以及冲压成形能力等优点。该钢用于汽车车身可减轻整车质量、降低油耗，同时该钢的能量吸收能力强，能够抵御撞击时的塑性变形，有效保障乘员安全，显著提高汽车的安全等级［1-2］。

在汽车工业生产中电阻点焊是主要的钢板连接方法，也是目前车身制造中最重要的连接工艺，占车身装配工作量的90%以上，所以电阻点焊质量的好坏将会直接影响整车的质量和性能。TRIP钢的电阻点焊技术的研究与开发，对于节约资源、降低能耗和可持续发展具有十分重要的现实意义。然而，TRIP钢具有较高的碳当量，在焊接前就存在非稳定组织超级贝氏体（B＋F），易出现焊后硬化现象［3］，而且目前对该钢点焊接头性能的研究较少。为此，作者对TRIP800钢板进行了点焊试验，研究了TRIP800钢板点焊接头的力学性能、显微组织以及断口形貌，希望能为实际生产提供参考。

1 试样制备与试验方法

试验用待焊材料为板厚1.8mm 的TRIP800钢板，其显微组织主要为铁素体（F）、超级贝氏体（B＋F）和残余奥氏体（γ），如图1 所示。试样尺寸为100mm×25mm×1.8mm，在长度方向搭接25mm进行点焊，焊接件形式与尺寸如图2所示。表1为试验用TRIP800钢板的化学成分，表2为其拉伸性能。

焊接试验采用固定式DN-100 型凸点焊机进行，选择端面直径6 mm 的锥形电极，对TRIP800钢板进行双面单点焊接，点焊工艺参数：电极压紧力4.0kN，焊接时间20周波（1周波＝0.02s），焊接电流8.0kA。

图1 试验用TRIP800钢的显微组织Fig.1 Microstructure of tested TRIP800 steel

图2 试样的焊接形式与尺寸Fig.2 Welding type and dimenison of samples

表1 试验用TRIP800钢的化学成分（质量分数）Tab.1 Chemical composition of tested TRIP800steel（mass） %

表2 试验用TRIP800钢的拉伸性能Tab.2 Tensile properties of tested TRIP800steel

将焊后试样在WDW-200型万能材料试验机上进行剪切试验，拉伸速度为10mm·min-1，断裂载荷（剪切强度）在每种焊接规范下取5个试样的平均值。利用手工锯将点焊接头切开，打磨抛光处理后，用体积分数为4%的硝酸酒精溶液进行腐蚀，然后用NiKonEPIPHOT300型光学显微镜分析点焊接头的显微组织；采用FM-700型硬度仪测焊点横截面的显微硬度（载荷0.98N，时间10s）；采用JSM-5600LV 型扫描电镜观察剪切断口的形貌。

2 试验结果与讨论

2.1 接头的剪切性能

根据RWMA［4］焊接标准可以计算出板料厚度为1.8 mm 时，即A，B，C 类接头焊核直径分别为8.0，7.4，6.7 mm，参 考 剪 切 强 度 分 别 为11.8，10.9，10.2kN。由表3 可知，试验接头的平均焊核直径达到了B类接头标准，而剪切强度却超过了A类接头的标准数值。这表明，在该工艺条件下TRIP800钢的点焊接头能够满足实际生产中的强度要求。另由表3可以看出，随着焊核直径的增大，接头的剪切强度升高。

表3 试样的剪切强度和熔核直径Tab.3 Tensile strength and diameter of nuggets

2.2 接头的宏观形貌

由图3 可以看出，点焊接头熔核区域没有裂纹、缩孔等内部缺陷，熔核内部质量良好；熔核与母材的分界线明显；熔核没有发生偏移，几乎没有飞溅。

图3 点焊接头焊核的宏观形貌Fig.3 Macrograph of spot welded nugget

2.3 接头的显微组织

在点焊试样通电后焊核的升温过程中，其贝氏体组织首先奥氏体化，形成细小的奥氏体，而后铁素体融入奥氏体中。虽然点焊加热温度高，但加热时间很短，所以奥氏体来不及长大粗化，加之点焊施压发生塑性变形引发了再结晶，使晶粒细化。停止升温后，熔核受周围母材和空气的冷却，冷速较大，加之钢板中含有较多的稳定过冷奥氏体的合金元素锰和硅，所以冷却后形成了板条马氏体组织。

由图4可以看到，点焊接头熔合区均为板条状马氏体，组织较均匀，这使得接头具有很高的强度；热影响区也有板条马氏体组织，但还有铁素体及贝氏体高温回火组织。虽然热影响区的加热温度较焊合区的低，但因该区域未受到塑性变形再结晶细化晶粒的影响，因而该区域中的奥氏体晶粒较熔合区的粗大。

图4 点焊接头的显微组织Fig.4 Microstructure of spot welded joint：（a）fusion zone and （b）heat affected zone

2.4 接头的硬度分布

从图5可以看出，熔合区和热影响区的硬度比母材的高出很多。这是因为TRIP800钢的母材显微组织为硬度较低的铁素体（F）、超级贝氏体（B＋F）和奥氏体（A），而熔合区和热影响区中存在板条马氏体。热影响区包括焊接加热后完全奥氏体化的A＋F温度区和A1以下回火温度区，它们在焊后的显微组织分别为板条马氏体、铁素体＋板条马氏体和原钢板贝氏体回火组织，因此其硬度逐渐降低；当焊接热影响区的温度不足以使贝氏体回火分解降低硬度时，硬度不再降低，而且又恢复到原钢板的硬度。熔合区硬度均匀，说明其显微组织很均匀。

图5 点焊接头的显微硬度分布Fig.5 Microhardness distribution of spot welded joint

2.5 接头的断口形貌

从图6可见，试验钢接头的剪切断口上布满了韧窝，属于韧性断裂。其中图6（a）存在大孔洞痕迹，附近韧窝尺寸也较大，且均为等轴韧窝，说明此处可能为断裂源。裂纹扩展区表现为整齐的晶面断口形貌。这是由于裂纹在扩展过程中遇到了大的铁素体晶粒，沿晶界发生了转折，因此表现出局部的沿晶断裂形貌；另一方面TRIP800钢较纯净，并且形变硬化指数低，这也使得其相对于一般钢种来说能产生更大更深的韧窝。另外，从图6（b）中可以看到沿轧制方向扩展形成的两条微裂纹，这可能是钢板生产过程中产生的轧制条带中的夹杂物引起的，裂纹形成机制为典型的微孔聚集型。

图6 点焊接头剪切断口的SEM形貌Fig.6 SEM morphology of shear fracture of spot welded joint：（a）crack source zone and （b）crack propagation zone

3 结 论

（1）在试验焊接工艺条件下对TRIP800 钢板进行点焊接时几乎没有飞溅，能获得质量较好的点焊接头，未发现明显的缺陷，且点焊接头的剪切强度能满足实际生产需要。

（2）TRIP800钢板点焊接头熔合区为板条状马氏体组织，热影响区为马氏体、铁素体及贝氏体高温回火组织；熔合区和热影响区的硬度比母材硬度高出很多。

（3）TRIP800钢点焊接头的剪切断口为韧性断裂，裂纹形成机制为典型的微孔聚集型，钢中的夹杂物是裂纹产生的主要因素。

［1］SUN X，STEPHENS E V，KHALEE1 M A.Effectsof fusion zone size and failure mode on peak load and energyabsorption of advanced high strength steel spot welds underlap shear loading conditions［J］.Engineering Failure Analysis，2007，136：1-12

［2］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］.机械工程材料，2006，30（3）：4-7.

［3］中国机械工程学会焊接学会.焊接方法与设备焊接手册［M］.北京：机械工业出版社，2002：328.

［4］SUEHIRO M，KUSUM I K，MIYAKOSHI T.Properties of aluminum coated steels for hot forming［J］.Nippon Steel Technical Report，2003，88：16-21.