新型双相高强钢点焊接头拉剪力学性能与组织分析

贺优优 刘伟杰

新型双相高强钢点焊接头拉剪力学性能与组织分析

贺优优1，2刘伟杰1

(1．东北大学研究总院，沈阳110819;2．沈阳工业大学化工装备学院，沈阳110870)

以新型双相高强钢为研究对象，采用不同的工艺参数进行正交试验，并对点焊接头进行拉伸测试，分析各因素对电阻点焊质量的影响;然后对点焊接头金相组织进行观察，分析新型双相高强钢点焊接头的失效模式和接头金相组织特征。结果表明，点焊接头抗剪载荷的最优工艺参数为:焊接电流8 kA，焊接时间15 cyc，电极力2 kN，此时点焊接头的最大剪切力达到最大值。优质焊点在拉剪试验中最先从熔核边界附近开裂，随后延伸至母材部分，直至点焊接头全部断开。

高强钢 电阻点焊 正交试验 力学性能

0 序 言

随着汽车工业的发展和对环境问题的重视，汽车轻量化已成为现代汽车产业发展的趋势，即采用优化的结构设计手段与先进的轻量化材料相结合的方法，达到减重、减耗同时兼顾环保与安全的目的［1－6］。热冲压钢具有良好的成形性能和较高的成形强度，在提高车身的碰撞安全性和减轻车重方面具有显著的效果，目前已迅速发展成为轻量化汽车材料之一，主要用于汽车的A柱，B柱，前后保险杠，车窗加强筋，地板通道和车顶侧梁等［7－11］。传统热冲压钢22MnB的显微组织为马氏体，抗拉强度可以高达1 500 MPa，但断后伸长率通常仅为6%，强塑积(静态韧度)仅为9GPa%，无法满足某些汽车零部件对防撞性能的要求，从而限制了热冲压钢在汽车制造领域的发展［12］。课题组近期开发的先进热冲压钢为由马氏体基体和在其中弥散分布的膜状残余奥氏体相组成的复相钢，具有优异的综合力学性能，其强塑积可以达到20GPa%以上［13］。但是目前对此新钢种的焊接，特别是点焊的性能和工艺还缺乏充分的研究。

文中以先进热冲压钢为研究对象，通过对点焊工艺参数进行正交试验设计，确定了最优焊接工艺参数，并研究不同因素对焊接性能的影响大小。通过对点焊接头的失效模式和金相分析，从微观组织方面研究了先进热冲压钢点焊接头的焊接性能。

1 试验条件和方法

1．1 试验材料和装置

点焊试验的材料为自制的先进热冲压钢，其化学成分见表1。点焊设备采用骏腾发公司的DTN－35微机气动式交流点焊机，此点焊机采用VB－0．12/8型空气压缩机作为压力源。电极采用锥形电极，材料为铬锆铜合金，电极端头直径为5 mm。

表1 试件化学成分(质量分数，%)

1．2 试验方法

1．2．1 点焊试验

试验钢经多道次热轧和冷轧被轧成厚度为1 mm的薄钢板。点焊试样按照GB2651—2008《焊接接头拉伸实验方法》所规定的点焊接头抗剪试样形状和尺寸的要求制作，具体尺寸如图1所示。

生产实际中，成品钢板需要采用热冲压成形的方法制成汽车零部件，然后才进行点焊连接，因此点焊试验之前，试样要经过淬火处理，先加热到950℃，保温5 min，水冷至室温。点焊选择L9(34)正交表安排试验，考虑三个工艺参数变化:焊接电流，焊接时间和电极力，采用3因素3水平的正交试验表，共需要进行9个设计点的试验，不同水平对应的数值见表2。点焊之前试件统一用砂纸打磨，并用丙酮清洗工件表面以去除氧化物和油污，从而获得小而均匀的接触电阻。将试样搭接后进行电阻点焊试验，合格点焊接头照片示如图2所示。

图1 点焊工件形状及尺寸

图2 合格点焊接头

表2 因子水平编码

1．2．2 拉伸试验

点焊接头的最大剪切力试验在万能拉伸试验机上进行，拉伸速度为1 mm/min，试验温度为室温。在进行力学拉伸试验时，为了避免因两板叠加而产生的附加力矩，在试样的夹持部分补加了与试样厚度相同的垫片，如图3所示。

1．2．3 金相试验

将点焊好的试样用线切割沿焊点中心切开，再经镶嵌、打磨、抛光等处理，形成镶嵌试样;之后用4%的硝酸酒精溶液进行腐蚀，通过金相显微镜观察金相试样的微观组织。

图3 拉伸试验装夹示意图

2 试验结果与分析

2．1 抗剪强度分析

9组点焊接头的最大剪切力结果以及其极差分析结果见表3。根据表3可知，因素I(焊接电流)对应的3水平最优，因素t(焊接时间)对应的2水平最优，因素Fw(电极力)对应的1水平最优，即焊接电流8 kA，焊接时间15 cyc，电极力2 kN时，点焊接头的最大剪切力达到最大值，即正交试验中的第8组参数为最优参数，其对应的点焊接头的最大剪切力为17．011 kN，在9组正交试验中最大。说明通过正交试验的极差分析法可以很好的实现点焊工艺参数的优化。极差R的大小可以判定出各因素对最大剪切力影响程度的大小，判定标准为:计算出的极差R越大，此极差值所对应的试验因素对试验结果的影响越大。依据表3可知，因素I对应的极差最大，说明焊接电流对试验钢点焊接头的最大剪切力影响最大，电极力次之，焊接时间的影响最小。

表3 点焊接头最大剪切力极差分析计算

2．2 点焊接头失效模式分析

试验钢点焊接头经过拉伸后，共产生如图4所示的4种断裂形式，其中第1，2，3，5组试件的断裂模式如图4a所示，即沿着熔核中心撕裂，属于界面断裂;第4，6组试件断裂模式如图4b所示，一片上有圆孔，另一片上有凸台，凸台边缘有明显的倾斜，可看出断裂先沿熔核中心撕裂，之后拔出熔核，属于部分熔核拔出;第7，9组试件的断裂模式如图4c所示，在两片母材上均出现圆孔，熔核部分几乎脱落，属于完全熔核拔出;第8组试件的断裂模式如图4d所示，最先从熔核边界附近开裂，随后延伸至母材部分，直至点焊接头全部断开，属于延伸至母材断裂。

图4 点焊接头断裂形式

结合表3中的点焊参数及接头最大拉剪力值，发现随着焊接电流的增加，接头的最大拉剪力增大，接头最大剪切力较小时，接头的断裂模式为界面断裂，随着接头最大剪切力的不断增大，接头的断裂模式依次变为部分熔核拔出、熔核完全拔出、延伸至母材断裂。其中界面断裂模式的点焊接头视为不合格。

2．3 显微组织分布

图5为试验钢电阻点焊试样接头的宏观形貌，由焊核区(NZ)，热影响区(HAZ)和母材(BM)三部分组成。其中，沿着峰值温度渐低的方向，热影响区可细分为过热区(粗晶区)、细晶区、部分相变区(两相区)、回火区等。

图6为试验钢母材(BM)的显微组织照片，图7为点焊接头焊核区(NZ)显微组织照片，图8为热影响区(HAZ)显微组织照片。

由图8可知靠近熔核处的热影响区受热循环影响较大，相变温度以上停留时间较长，造成组织的粗化，为粗大的马氏体组织;离热源较远的热影响区组织，由于形成的奥氏体组织长大时间有限，故冷却时形成的马氏体组织尺寸较小，分布均匀。靠近母材的热影响区在淬火组织的基础上经历了一次低温回火，组织以回火马氏体为主。

图5 点焊接头宏观形貌

图6 母材显微组织

图7 熔核中心显微组织

图8 点焊接头热影响区微观组织

综上所述，对不同区域的微观组织特点进行微观金相试验分析可知，焊核区和过热区几乎全为体积粗大的马氏体晶粒;细晶区的铁素体和马氏体较细，这是由于奥氏体未完全相变成马氏体，而且其生长速度受到马氏体相变及温度变化的限制;两相区则有马氏体和大小不均匀的残余奥氏体。

3 结 论

(1)通过正交试验极差分析可得，先进热冲压钢点焊接头获得最大剪切力的最佳工艺参数为:焊接电流8 kA、焊接时间15 cyc、电极力2 kN;焊接电流对试验钢点焊接头的抗剪强度影响最大，电极力次之，焊接时间的影响最小。

(2)点焊接头的断裂形式有4种，分别为界面断裂、部分熔核拔出、完全熔核拔出和延伸至母材断裂。其中界面断裂形式对应的点焊接头最大剪切力最低，视为不合格接头。

(3)点焊接头热影响区组织不均匀，随着峰值温度的降低，接头微观组织分别为粗大马氏体区、细小马氏体区、马氏体和大小不均的残余奥氏体组成的两相区和回火马氏体区。

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TG407

2017－01－07

贺优优，1982年出生，博士研究生。主要从事先进汽车用钢的焊接工艺研究。