高强度钢板电阻焊研究进展

岑耀东，陈芙蓉

（1.内蒙古工业大学材料科学与工程学院，内蒙古呼和浩特010051；2.包钢（集团）公司集团管理部，内蒙古包头014010）

高强度钢板电阻焊研究进展

岑耀东1，2，陈芙蓉1

（1.内蒙古工业大学材料科学与工程学院，内蒙古呼和浩特010051；2.包钢（集团）公司集团管理部，内蒙古包头014010）

高强度钢板具有高屈服强度、高韧性及较高的能量吸收率和疲劳强度，以及优良的成型性能和高烘烤硬化性能、防撞凹性能等优点，广泛应用于汽车外壳及车体结构件的制造。高强度钢板工业生产线的批量生产及汽车组装过程多采用电阻焊，随着钢板强度化的提高，焊接难度加大，限制了高强度钢板的大范围应用。从薄板连续退火及连续镀锌生产线中的头-尾连接、汽车用同种钢板焊接、汽车用异种材质焊接三种不同工艺形式方面阐述了高强度钢板电阻点焊、缝焊的研究进展，指出异种材质的电阻焊研究及电阻缝焊数值模拟研究还有待加强，同时展望了未来高强度钢板电阻焊的发展方向。

高强度钢板；电阻焊；数值模拟；相变诱导塑性钢；双相钢

0　前言

近年来，在国际汽车轻量化大趋势的影响下，高强度钢板成为汽车用首选钢板（结构件）[1]。随着汽车制造技术的快速发展，高强度钢板发展迅速[2]，已从普通高强度钢板（屈服强度180～300 MPa）发展为现在的超高强度钢板（屈服强度大于等于600MPa）。目前，德国蒂森克虏伯公司已开发出890～1100MPa不同级别系列的高强度钢板[3]，日本JFE钢铁公司已开发出强度级别为580～980 MPa的高强度钢板，并着力研究与开发1 470 MPa及以上的高强度钢板[4]。电阻焊与其他焊接方式相比，具有成本低、焊接效率高等优点，一直是汽车用板的最佳焊接方式，广泛应用于冷轧薄板连续热镀锌、连续退火及冷轧硅钢等工业生产线中头和尾的连接及汽车组装过程中的焊接。但是，目前对高强度钢板电阻焊的研究远滞后于对钢板强度的研究，现有的电阻焊技术越来越难以适应汽车制造产业对高强度钢板高效率、高质量的焊接发展需求。目前国外已实现了对980 MPa及以下高强度钢板的电阻焊焊接，而对980 MPa以上高强度钢板多用脉冲点焊或激光焊的方式，脉冲点焊需对焊缝进行回火处理，工艺较复杂[5]，且作业时间较长，而采用激光焊成本又太高。我国对高强度钢板研究与开发比国外晚，近5年来鞍钢、宝钢等国内较早开发汽车板的大型生产企业已成功研制了980MPa不同类别的高强度钢板[6]，宝钢还研究成功了1 180 MPa级双相钢板用于国产汽车的制造[7]。但受高强度钢板焊接难度大、工艺复杂、焊接缺陷不易控制等因素影响，对这类钢板的电阻点焊、缝焊工艺研究的报道不多见。电阻焊作为当前高强度钢板的主要焊接方式，研究技术的滞后一定程度上制约了高强度钢板在汽车制造领域的大规模应用[8]。

在此总结国内外汽车用高强度钢板电阻点焊、缝焊的研究现状，指出目前尚不明确仍需研究的内容和方向，以期推动我国高强度钢板电阻焊技术的发展。

1　高强度钢板的电阻焊特点

目前，不同的国家和机构对高强度钢板有不同的定义，大多学者认为抗拉强度为270～700 MPa的钢板称为传统高强度钢板（HSS），当前先进高强度钢板（AHSS）和超高强度钢板（UHSS）的抗拉强度为500～1 600 MPa[9]。高强度钢板由于具有高的减重潜力、高的碰撞吸收能、高的疲劳强度、高的成形性和低的平面各向异性等优点，能很好地满足汽车制造用板的各项技术要求，特别是近年来在汽车轻量化趋势的引导下，高强度钢板市场需求量大增，发展潜力巨大。近来开发的DP钢（双相钢）和TRIP钢（相变诱导塑性钢）强度级别为600～1 180 MPa，TWIP钢（孪晶诱导塑性钢）强度级别在1 000 MPa或更高，QP钢（淬火-配分钢）强度级别在1 000 MPa以上，已成功用于高端汽车板的生产。

电阻焊具有冶金过程简单、能量集中、焊接接头变形小及焊接过程易于操作等特点，非常适合于薄板焊接，其中点焊工艺因成本低及易于实现机械化和自动化等特点，成为当前汽车组装过程中的主要焊接工艺；缝焊工艺因焊接接头搭接量少，在碾压轮作用下焊缝余高小、接头的应力分布均匀，且焊接效率高，广泛应用于汽车用冷轧板的连续退火、连续镀锌机组中。但是，随着汽车用高强度钢板技术的发展，高强度钢板电阻焊质量问题逐步凸显出来，这是因为高强钢中的Si、Mn等合金元素较普通碳素钢含量高，极易导致焊缝处变硬、变脆。另外，在对高强度钢板进行电阻焊时，由于所需电流较大，熔化后的金属粒极容易向外飞溅而掉入焊缝处，影响焊接质量[10]。

2　高强度钢板电阻焊研究

目前国内外高强度钢板的电阻焊研究热点主要是对各种高强度钢板的可焊性、焊接参数对焊缝组织性能影响的研究，以及焊接工艺优化和焊接质量控制等方面。

2.1高强度钢板连续退火及连续镀锌生产线头-尾连接

窄搭接焊机是电阻缝焊机的一种，是薄板连续退火、连续镀锌及冷轧硅钢生产机组中的重要设备，它的功能主要是保证开卷机在换卷过程中，在较短的时间内完成先行钢卷的带尾与后行钢卷带头的焊接，从而实现机组的连续生产。受生产节奏及焊接时间的限制，搭接焊必须在短时间内焊接成功且符合质量要求，才能不影响机组稳定运行和保证焊缝在后序运行中不至于发生断带事故。

为了提高焊接质量及焊缝组织性能，近年来相关专家进行了大量的技术研究。文献[11]对800 MPa级TRIP钢窄搭接焊接工艺进行了研究，通过杯凸试验、表面质量观察、焊缝金相组织分析，研究工艺参数对焊缝质量的影响规律。采用低电流、低焊接速度的合理匹配，并投入后退火工艺，焊缝熔合线区金相组织为贝氏体，可获得合格的杯凸试验结果和优异的焊缝表面质量。文献[12]对汽车用冷轧高强双相钢板（780DP钢）与深冲用普碳钢板（DC04钢）进行窄搭接焊接试验，分析窄搭接焊接工艺参数对焊接质量的影响规律，认为焊接质量对电极轮压力最为敏感，对焊接电流和焊接速度的敏感性依次降低，同时，还分析了焊接接头的显微组织和力学性能。

由于高强度钢板含有Mn、Cr、Mo等淬硬性元素，连续退火、连续镀锌及冷轧硅钢生产线中窄搭接焊接的一个重要问题是焊后焊缝存在淬硬线，因淬硬线的熔核组织是高硬度的马氏体，极易发生脆性断裂。Jason Dobson[13]采用后加热工序，通过降低焊缝冷却速度，有效减少了脆性断裂。法国学者Mimer M[14]通过试验提出通过焊后回火工艺来改进高强钢焊缝性能的方法。伊朗学者Jahandideh[15]对熔核进行通电，使马氏体组织回火，提高了焊缝的韧性。但通电回火存在的问题是熔核软化使焊接接头的剪切拉伸强度下降，为获得良好的回火效果，文献[16]在焊后通电前进行1 s左右的冷却，有效提高了剪切拉伸强度，但同时也延长了焊接时间，并使工序复杂化。日本学者采用脉冲点焊技术[17]，通电时间比通电回火方法短，可以有效提高电阻点焊焊接接头的十字拉伸强度，且不降低剪切拉伸强度，但能否用于连续退火、连续镀锌及冷轧硅钢生产线中的电阻缝焊，尚需进一步研究。脆性断裂问题仍然是当前电阻缝焊研究领域亟待解决的难题。

2.2汽车用同种高强度钢板焊接

汽车用同种高强度钢板的电阻焊工艺，在保证获得要求的熔核直径和接头强度的同时，还需要求焊接过程的稳定性（robustness）。日本学者[18]Otani，Tadayuki等人系统研究了超细晶粒高强度钢的电阻点焊特性，发现由于高强度钢在高温下的电阻率和强度不同于低碳钢，在电阻点焊时获得同样大小的熔核尺寸需要的焊接电流比低碳钢板更大；并且研究发现[19]，这种钢板的碳当量很低，虽然焊后熔核的主要组织是马氏体，但由于低碳成分限制了熔核硬化，因此这种材料的点焊接头不经过回火就能得到高的拉剪强度和垂直拉伸强度。文献[20]针对超高强度热成形钢板，利用SORPAS软件建立了描述点焊熔核形成过程的轴对称有限元模型，通过数值模拟研究，揭示了热成形钢点焊过程中温度场、熔核直径等变化规律。但总体来说，对高强度板的数值模拟研究较少，特别是缝焊方面。

在汽车钢板向高强度化发展的同时，钢板组合也出现多样化，有时部件还需要板厚差异化焊接。由于在不同厚比的高强钢板组合焊接时，为获得厚板-薄板间要求的熔核，一般需采用较大的焊接电流，这时产生的焊接飞溅物易附着在焊缝处，影响焊缝质量。针对不同厚比钢板组合焊接时存在的厚板-薄板间熔核难于形成的问题，文献[21]研究了差厚差强三层钢板（DC04、DP600、DP780）电阻点焊与胶接的复合连接工艺过程，通过建立熔核形成过程的有限元模型，揭示了差强差厚三层钢板熔核形成机理及熔核偏移的内在原因。文献[22]提出了一种智能点焊技术，可以对过去不能焊接的大厚比钢板组合进行焊接，并且放宽了板厚比的限制，减少了焊接次数，在板厚比规定的范围内，不需要采用大电流就可以获得厚板-薄板间要求的熔核，能有效抑制飞溅的发生。

在高强度钢板焊接时都不可避免地碰到焊接热影响区软化问题，如双相钢是由低碳钢或低碳微合金钢通过两相区的热处理或控轧控冷得到，这是在焊接过程中由于焊接热输入而使马氏体回火分解所造成[23]。热影响区软化使焊接接头的剪切拉伸强度下降，而且焊接接头容易产生裂纹缺陷，相对于电阻点焊，电阻缝焊的这种热影响区软化问题更加显著。文献[24]采用氩弧焊修复裂纹缺陷，使超高强度钢电阻缝焊单点抗剪低问题及裂纹缺陷得到有效控制。

2.3汽车用高强异种材质电阻焊研究

近年来国内外对于汽车用高强钢的电阻焊研究主要集中在同种高强钢之间，随着汽车制造技术的发展，市场对异种材质的焊接产品的需求量越来越大。目前，应用范围较广、且比较典型的异种材质焊接主要是对镀锌层钢板的电阻焊接。

近几年来，随着汽车制造产业对钢板耐腐蚀性能要求的不断提高，耐腐蚀性优良且成本低廉的镀锌板逐渐成为汽车行业普遍采用的板材，因此，为了适应市场需求，不论何种高强度钢板，其化学成分都应满足表面镀层处理的基本要求。由于表面镀锌层的物理性能和电阻率不同于碳钢基板，所以镀锌层钢板的电阻焊性能与同种无镀层钢板的电阻焊性能相比有较大的区别，特别是基板为高强度钢板的镀锌层钢板，其焊接难度远大于无镀层高强度钢板。

目前，对镀锌层普通低碳钢板的电阻焊研究日趋成熟，但对高强度镀锌层钢板电阻焊的焊接性研究仍是一个难点，近年来各国焊接工作者针对高强镀锌钢板的焊接性，从焊接工艺参数、组织性能及质量缺陷方面进行了大量的研究。文献[25]对比分析了热镀锌双相钢与热镀锌普通低碳钢板的电阻点焊工艺区别；文献[26]研究DP590GA热镀锌双相钢电阻点焊接头组织性能，并分析焊接接头正拉强度和拉剪强度随焊接电流的变化规律；文献[27]对580 MPa高强镀锌钢板电阻点焊的可焊性进行了研究，分析焊接接头裂纹缺陷的产生原因；文献[28]还研究了超高强度硼钢板与镀锌双相钢板的电阻点焊接头质量缺陷及其产生原因；文献[29]研究了汽车油箱用电镀锌钢板的电阻缝焊过程中晶粒尺寸大小与焊缝脆性断裂的关系。

总体来说，目前各国对高强镀锌钢板的电阻焊研究大多停留在对电阻点焊的研究上，对于电阻缝焊的研究报道并不多见。国际上对高强镀锌钢板的电阻缝焊研究尚存在一些问题需要解决，如焊接过程中产生飞溅或滚轮电极与钢板、锌粘连，以及滚轮电极的使用寿命等。进一步的研究方向可在对电阻点焊的研究工作基础上进行拓展，例如在电阻点焊方面，部分焊接研究人员通过对电极的低温处理[30]或采用弥散强化铜合金等措施[31]来提高电极的使用寿命，取得了一定的成效，但能否用于电阻缝焊相关问题的解决，需要进一步研究。

除此之外，对异种材质的电阻焊还包括异种钢的焊接、异种金属的焊接。对异种钢的电阻焊研究主要集中在不锈钢和低碳钢之间[32-34]，或高强度钢与较低强度钢之间[35]；对异种金属的电阻焊研究主要集中在高强度钢和有色金属之间，目前研究较热的是对高强度钢板与铝合金板的焊接，由于异种金属之间的物理性能及电阻率存在显著的差异，特别是在对高强度钢和铝合金电阻焊接时，因Fe在Al中的固溶度极低，导致焊接性变差，焊接接头中容易产生硬脆的金属间化合物并伴随有缩孔、裂纹等缺陷，使得焊接接头的力学性能降低，这一问题成为当前制约高强度钢板与铝合金板电阻焊工艺在汽车制造中广泛应用的主要技术瓶颈之一。文献[36]较为系统地研究了高强度钢板和铝合金板电阻点焊过程中电流大小、焊接时间和电极压力等参数对焊接接头组织及力学性能的影响规律，认为高强度钢板与铝合金熔合区存在厚度不均匀的金属间化合物层界面，而且在界面区硬度的分布也是不均匀的。文献[37]还采用三相次级整流电阻焊机对镁和高强度钢进行了电阻点焊，研究确定工艺参数范围和最佳数值，并观察显微组织特征，分析焊接接头的组织性能，认为钢侧最高硬度出现在钢板的中心，而镁侧离熔合线越近硬度越高。

3　结论

（1）解决高强度钢板搭接焊脆性断裂这一关键技术问题，是今后电阻焊重要的研究方向。

（2）对高强度钢板的电阻焊数值模拟技术研究较少，应大力开发对高强度钢板电阻焊特别是电阻缝焊方面的数值模拟研究。

（3）板厚比差较大的电阻焊接及异种材质的电阻焊技术研究还有待加强。

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Research development in resistance welding of high strength steel sheet

CEN Yaodong1，2，CHEN Furong1
（1.Institute of Materials Science and Engineering of Inner Mongolia University of Technology，Inner Mongolia Hohhot 010051，China；2.Group management department of Baotou Steel（Group）Corp.，Baotou 014010，China）

High strength steel plate，is widely used in manufacturing car shell and its body structure，with advantages of high strength and formability，super energy absorption and fatigue strength，good bake hardening property and great anti-collision concave performance. The resistance welding technology is used in batch production of industrial production line of high strength steel plates and assembly process of cars.A wide range of application of high strength steel plates is restricted since the higher strength of steel plates，the more difficult of welding.In this paper，three different process forms in continuous annealing and continuous galvanizing line of sheets are analyzed：head-end connections，the same plate welding of cars and different material of steel plate welded of cars.The paper expounds the research progress of resistance seam welding of high strength steel plates，indicates that it remains to be strengthened of numerical simulation research of resistance seam welding and the welding research of different materials,prospects the direction development of resistance welding of high strength steel plates in the future.

high strength steel sheet；resistance welding；numerical simulation；trip steel；dual phase steel

TG453+.9

C

1001－2303（2016）04－0067-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.04.14

2015-07-19；

2015-10-20

岑耀东（1982—），男，内蒙古土默特左旗人，工程师，博士，主要从事焊接工艺及性能的研究。