B1800HS/DP1180电阻点焊接头组织研究

凌华 孙浩 郭亚洲 樊良伟 刘成杰 韦习成

摘要：以B1800HS/DP1180电阻点焊接头为研究对象，利用超景深显微镜观察焊缝宏观形貌，采用光学显微镜分析焊缝显微组织，并用维氏显微硬度计测试接头硬度分布。结果表明，热冲压淬火后的B1800HS组织为细小的板条马氏体。点焊接头熔核良好，其熔核呈非对称状，组织为粗大的板条马氏体，熔核直径6 500.32 μm，熔核深度1 868.17 μm，热影响区宽度692.63 μm，电极压痕深度216.04 μm，均符合日本和德国工业标准。接头最薄弱处为亚临界热影响区，其组织为回火马氏体，硬度最低，为271 HV0.3，裂纹通常在此处产生。

关键词：热冲压;B1800HS;DP1180;电阻点焊;热影响区

中图分类号：TG453+.9 文献标志码：A 文章编号：1001-2303（2020）08-0062-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.08.13

0 前言

随着汽车使用量的急剧增加，原油等不可再生能源不断消耗，CO2等温室气体不断排放，全球变暖日益严重。研究表明，汽车轻量化是降低油耗、减少CO2排放的重要途径。整车质量降低10%，其燃油经济性提高3.8%，CO2排放量减少4.5%，刹车距离减少5%，轮胎寿命提高7%[1-2]。

汽车结构件中超高强度钢的应用是实现汽车轻量化的有效途径之一[3]。白车身约占典型乘用车总质量的30%，是汽车轻量化的主要部分[4]。热冲压硼钢是一类先进的高强度钢（AHSS），多用于车辆的防撞部件，例如A柱、B柱和保险杠等[5]。在汽车的生产制造过程中，90%以上的车身装配工作是由电阻点焊（RSW）完成的[6]。通常，现代车辆的白车身上约有2 000～5 000个焊点[7]。

点焊接头热影响区（HAZ）的强度决定焊点质量。Hernandez等人[8]研究了DP980电阻点焊中亚临界热影响区的微观结构，发现其组织为回火马氏体，表明热影响区的软化是马氏体回火所致。Baltazar等人[9-10]通过纳米压痕实验研究了DP980点焊的HAZ软化现象，在回火区域，铁素体硬度轻微下降，这可能是位错密度降低引起的，而软化主要发生在回火马氏体区域。软化程度与回火温度密切相关，并随母材中马氏体体积分数的增加而增加[11]。刘慧玉[12]在301L/Q235B异种钢电阻点焊的研究中发现，熔核内部化学成分不均匀，301L不锈钢侧硬度较高。梁雪波[13]研究了热成型硼钢22MnB5与镀锌钢HSLA350电阻点焊过程，发现熔核区的合金元素主要以热扩散的形式变化，呈现明显的梯度分布，22MnB5中的马氏体碳含量较高，导致该侧热影响区硬度较高。

在RSW过程中，快速加热和冷却循环引起的微观结构演变对热成形钢的机械性能产生了不利影响。因此，文中以B1800HS/DP1180的电阻点焊接头为研究对象，分析其热影响区的软化现象，并探讨其软化机理。

1 试验材料及制备方法

1.1 试验材料

选用宝钢集团的1.6 mm厚的B1800HS热成钢板和1.4 mm厚的DP1180冷轧双相钢板，进行B1800HS/DP1180的电阻点焊接头的组织和性能研究，两种钢的主要化学成分如表1所示，力学性能如表2所示。B1800HS热成形钢临界冷速为20 ℃/s，压淬冷速大于其临界冷速，热冲压后的组织为均匀分布的细小板条马氏体（M），如图1a所示;DP1180的微观组织如图1b所示，其马氏体组织均匀分布在铁素体（F）基体上。

1.2 试验方法

热冲压试验在四柱单动高速热压液压机THP01-500A、热压力平板淬火模具及冷却系统上完成。试验用加热炉型号为HT-1800M高温炉（最高加热温度1 800 ℃），在炉中加热至930 ℃并保温4 min，快速轉移到平板模上完成试验。

在梅达DM150点焊试验机（见图2）上进行B1800HS/DP1180电阻点焊试验，采用双脉冲电流焊接。Chabok等人[14]研究发现，与单脉冲工艺焊接的样品相比，双脉冲焊接提高了焊点断裂力和断裂能量，改善了焊缝的力学性能;杜汉斌等人[15]在进行B1500HS/DP780点焊时，采用双脉冲电流进行了数值仿真和焊接性研究。试验优化后的工艺参数如图3所示。

使用尼康MA100金相显微镜（OM）观察原始板材和电阻点焊接头显微组织。使用VHX-1500超景深显微镜观察焊缝宏观形貌。采用MH-3型显微硬度计测试B1800HS/DP1180点焊接头显微硬度，开机调零后，将加载载荷旋转为300 g，保持时间设置为5 s。沿熔核对角线方向测试显微硬度，熔核区取点间距为0.20 mm，热影响区取点间距为0.10 mm。

2 结果与讨论

2.1 点焊接头组织

点焊接头的宏观形貌及不同区域尺寸如图4所示。可以看出，焊缝组织分为熔核区（FZ），热影响区（HAZ）和基体组织（BM）三个部分，存在着明显的分界线。熔核呈非对称椭圆形，边缘为联生结晶，由于B1800HS侧板材较厚，焊接时接触电阻较大，散热较慢，导致熔核向该侧偏移。测量了不同区域尺寸，熔核直径为6 500.32 μm，熔核深度为1 868.17 μm，热影响区宽度为692.63 μm，电极压痕深度为216.04 μm。根据日本工业标准JIS Z3140[16]和德国工业标准DVS 2923[17]，熔核直径应大于5，均满足标准，故该焊点满足使用要求，熔核良好。

根据金属凝固理论可知，过冷是凝固的前提。点焊瞬间焊核内部为过热状态，且焊核边界未熔化的固相母材晶粒总是与已熔化的液态金属接触，晶核会优先依附在这些固相表面而形成。因此，点焊焊核的凝固过程从边界开始，属于非均匀形核，呈柱状晶形式由未熔化的母材晶粒向焊核内部生长。

50倍光學显微镜下的热影响区组织全貌如图5所示，上方为B1800HS侧热影响区组织，下方为DP1180双相刚侧热影响区组织。在靠近熔核区一侧的热影响区晶粒较大，随着与熔核区边缘距离的增加，晶粒越来越细，最终趋近于基体组织的晶粒大小。因此，根据热影响区组织的演变，可将热影响区分为3个部分，即上临界热影响区（UGHAZ）、临界热影响区（IGHAZ）和亚临界热影响区（SCHAZ）。

电阻点焊接头热影响区金相组织如图6所示。图6a～6c为B1800HS侧热影响区，图6d～6f为DP1180侧热影响区，图6a和图6d为UGHAZ，此区域最高温度在Ac3以上，组织为板条马氏体，并且越靠近FZ其组织越粗大，钢的强度硬度较高，在IGHAZ，如图6b和图6e所示，峰值温度将至Ac1～Ac3之间。马氏体转变不完全，得到F和M两相组织。在SCHAZ（见图6c、图6f），热输入量已不足以发生相变，该区域最高温度小于Ac1，只有马氏体的回火转变而没有相变。Lu等人[18]研究发现，马氏体回火的程度对回火温度比时间更为敏感。在回火过程中，碳化物粗化，该区域组织发生严重软化，此处为接头最薄弱位置，断裂一般发生在亚临界热影响区处。

2.2 点焊接头显微硬度

根据通用GWS-5A标准[19]测试B1800HS/DP1180点焊接头的显微硬度分布，结果如图7所示。接头的硬度值是其力学性能的重要指标，是评判接头质量的重要因素，通过对熔核区、热影响区和母材区进行硬度测试，可以得到各个区域的硬度大小和变化区间，判断接头质量的好坏以及大致推测其组织成分。

在UCHAZ和HAZ之间的过渡区硬度略有下降，Eller等人[20]的研究中也观察到该现象。Lu等人[18]认为，热成形硼钢中大量的Al元素在熔核边界形成铁素体，导致此处硬度略有降低。B1800HS侧HAZ最大硬度为596 HV0.3，而DP1180侧最大硬度为464 HV0.3，这是因为B1800HS碳含量高，而软化区的硬度仅为271 HV0.3，这与前文亚临界热影响区组织为回火马氏体相符合。

3 结论

（1）B1800HS的临界冷速为20 ℃/s，热冲压淬火后的组织为细小的板条马氏体，通过细晶强化使其在保证高强度的同时具有良好的塑性。

（2）点焊接头熔核良好，其熔核呈非对称状，熔核区为粗大的板条状马氏体。这与异种钢焊接过程中接触电阻的不同有关;熔核直径为6 500.32 μm，熔核深度为1 868.17 μm，热影响区宽度为692.63 μm，电极压痕深度为216.04 μm，符合日本和德国工业标准。

（3）焊点的热影响区由于其在焊接热循环中的峰值温度不同，导致焊接完成后形成不同的微观组织，主要为上临界热影响区、临界热影响区和亚临界热影响区。亚临界热影响区组织为回火马氏体，硬度最低，为271 HV0.3，是接头最薄弱区，断裂一般发生在此处。

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收稿日期：2020-04-02

基金项目：上海汽车工业科技发展基金项目（1827）

作者简介：凌 华（1982— ），男，硕士，工程师，主要从事汽车零件材料认证及应用推广工作。E-mail：linghua@

saicmotor.com。