高强度汽车钢板DP980电阻点焊数值仿真与工艺研究

摘 要：研究高强度汽车钢板DP980双相钢电阻点焊质量的影响因素，为实际生产提供参考，以厚度为1mm的DP980钢板为对象，利用有限元软件建立了电阻点焊过程的轴对称有限元模型。通过模拟点焊熔核的形成过程，研究点焊过程中温度场和应力场的分布特征，并确定点焊熔核直径和抗剪强度指标。实验结果表明：点焊接头的剪切强度受到熔核尺寸的影响，熔核直径与点焊接头的剪切性能呈非线性关系；数值仿真结果显示熔核直径最大值和残余应力最大值随焊接电流的增大呈增加趋势；通过对点焊接头拉伸、剪切载荷作用下的应力状态建立数学模型分析，DP980点焊接头界面断裂模式到熔核拔出模式的临界熔核直径为4.695mm。

关键词：DP980 焊接电流 熔核直径 熔核拔出

1 引言

节能环保是现代汽车工业迫切需要解决的问题，为了平衡车辆安全与节能环保，在保证碰撞安全的前提下，减轻车身重量是被广泛接受的有效途径之一[1]。此外，采用先进的高强度钢板代替传统的低碳钢板，对于减轻车身重量和提高汽车结构强度具有更重要的意义[2]。在各种先进的高强钢板中，双相钢具有更好的综合性能而广泛应用于轻量化车身制造[3]。然而，与普通钢相比，双相钢含有更多的Si、Mn等合金元素，这可能导致成分偏析、硬化、脆化等焊接缺陷。因此，对点焊工艺的选择提出了更高的要求[4]。此外，低成本、高效率的传统电阻点焊仍然是双相钢的主要连接工艺[5]。本文以DP980双相钢为研究对象，采用热-组织-应力双向耦合模型对电阻点焊过程进行了模拟，反映焊接过程中点焊接头的熔核尺寸、温度场以及残余应力分布。通过对DP980双相钢在一定焊接工艺下的熔核直径抗剪强度的计算、模拟和实验，为轻量化汽车发展中DP980电阻点焊工艺提供指导。

2 电阻点焊数值模拟

2.1 材料与模型

1mm厚DP980钢板的化学成分和力学性能如表1和表2所示。点焊设备为220kVA直流逆变点焊机，电阻点焊采用直径为6mm的Cr-Zr-Cu圆形电极焊头。

2.2 电阻点焊数值模型

电阻焊仿真可以预测同种和异种材料的焊接性，设计优化电阻点焊工艺参数。根据焊接工艺和材料特性，通过相互耦合的电学模型、热学模型、金相模型和力学模型实现电阻点焊过程的交互分析。图1显示了已建立的电阻点焊轴对称物理模型，该模型由上下电极和焊件组成。上下电极尺寸相同，均为国际标准球形电极 ISO5182A2-2。电极材料为Cr-Zr-Cu，直径为6毫米，球形半径为 100毫米。焊接冷却方式为水冷。焊接模型有三组接触，即上电极与板的接触、板与板之间的接触以及板与下电极的接触。此外，模型中还增加了接触电阻。

模拟边界条件和焊接工艺参数如表3所示（空气温度为25℃），模拟的点焊工艺参数与实际点焊工艺参数基本一致。

2.3 仿真结果

焊接试验的工艺参数与上述模拟相同，根据点焊试验结果发现，在焊接时间、焊接压力固定为230ms、2.6kN，当焊接电流大于8.3 kA时，点焊接头会形成完整的熔核。图2为实验点焊接头与模拟点焊接头对比图。焊接压力2.6kN，焊接电流9.5kA，焊接时间230ms，模拟熔核的尺寸和形貌与试验结果基本一致，试验实测熔核直径为5.40mm，模拟熔核直径为5.96mm，模拟与试验误差仅为6.8%左右。

3 点焊熔核尺寸与力学性能

3.1 点焊接头温度场与应力场

焊接过程温度场分布如图3所示，焊接电流分别为8.7kA、8.9kA、9.1kA时，熔核直径分别为2.06mm、2.31mm、2.56mm，熔核最高温度分别为1407℃、1435℃、1473℃。熔核直径和穿透深度呈减小趋势。如图4为焊接电流对点焊接接头熔核半径影响趋势图，在焊接时间、焊接压力固定为230ms、2.6kN时，由于点焊过程中热量源于电阻热，焊接电流越大，点焊过程产生的热量越高，所以熔核尺寸随着焊接电流的增加逐渐增大，通过数值模拟结果显示，焊接电流每增大0.2kA，熔核尺寸增加0.24mm。但是当焊接电流大于10.0kA时，由于熔核中心温度过高，点焊时液态熔核会发生飞溅导致熔核直径减少，由于无法对液态熔核飞溅的过程进行仿真，所以仿真结果显示熔核尺寸持续增加，与实际点焊结果相悖。

图5为点焊后焊接区残余应力云图（总焊接时间t=50ms，工件冷却至室温），焊接过程中液态金属的冷却收缩造成径向拉应力，拉应力主要分布在熔核周围的热影响区。 图6所示为不同焊接电流下最大残余应力值的变化图，随着焊接电流从8.5 kA增加至9.5 kA，残余应力最大值从716 MPa增加至749.6 MPa，这是因为焊接电流的增加，熔核中心温度升高，导致熔核冷却后焊接残余应力更加集中。

3.2 力学性能数学模型

根据Zhao[6]等人的报道，双相钢点焊接头在拉伸和剪切载荷作用下的应力分析公式为：

式中：为点焊接头热影响区的硬度；为点焊接头的熔核区硬度；为；D为熔核直径，2H为熔核高度；热影响区硬度值约为DP980点焊熔核区的3/4。

在满足点焊接头性能的前提下，H=0.87t（t为板厚）。点焊接头的断裂模式由界面断裂IF向熔核拔出PF模式转变的临界熔核直径为：

式中：t为板材厚度。D所有拉伸剪切试验断裂模式为PF模式临界熔核尺寸。拉伸剪切试验结果如表4所示。熔核直径均大于4.69mm。

3.3 点焊接头力学性能

图7为点焊实验焊接电流对点焊接头熔核直径和剪切力的影响。随着焊接电流从8.0kA逐渐增大到9.5kA，最大拉伸剪切力逐渐增大，熔核直径也逐渐增大。当焊接电流大于9.0kA时，熔核尺寸增大的速度开始减小，在10.0kA时达到最大值。当焊接电流持续增加大于9.5kA时，焊点的最大剪切力随焊接电流的增大而减小。当焊接电流过高时，熔核中心峰值温度较高，熔融的液态金属被挤压飞溅，压痕深，在熔核周围形成应力集中点，导致接头抗拉强度降低。因此，9.5～10.0kA的焊接电流在实际生产中是合理的。

如图8为焊接压力、焊接时间固定为2.6kN、230ms，焊接电流分别为8.5kA、9.0kA、9.5kA时点焊接头显微硬度、峰值温度图，马氏体含量分布图为焊接电流9.0kA。点焊接头显微硬度最高处为熔核边缘处，最大值达到470HV。热影响区处发生马氏体回火，在热循环峰值温度达到696℃时，马氏体析出碳化物，造成硬度下降，最低为240HV。熔核区平均硬度为420HV，组织为脆硬相的马氏体[7]。并且随着焊接电流的变化，点焊接头处硬度变化较小。

4 结论

（1）仿真结果表明随着焊接电流从8.5kA增加到9.5kA，焊接电流每增加0.2kA，熔核半径平均减小0.24mm，并且焊接残余应力主要集中在熔核周围；

（2）点焊接头的剪切性能受到熔核尺寸的影响，当焊接电流为10.0kA时，熔核直径为6.5mm时，点焊接头剪切性能最差；

（3）对于DP980点焊接头，点焊接头由IF断裂模式转变为PF断裂模式的临界熔核尺寸为4.695mm；

（4）HAZ的显微硬度高于熔核和母材的显微硬度，焊接电流的变化对点焊接头的显微硬度和马氏体含量影响较弱。

基金项目：1.安徽省高校中青年教师培养行动优秀青年教师培育项目：电站马氏体耐热钢焊后热处理工艺研究，课题编号：YQYB2023093，项目负责人：韩路。2.马鞍山学院校级科研基金：新型奥氏体耐热钢焊接性研究，课题编号：QS2022001，项目负责人：韩路。3.马鞍山学院国家级大学生创新创业训练计划项目：电站锅炉用新型奥氏体耐热钢焊接接头组织与性能研究，课题编号：202213614013，项目负责人：李陈子强。

参考文献：

[1]Cho K， Redkin K V， Hua M， et al. Recent development of Nb-containing DP590， DP780 and DP980 steels for production on continuous galvanizing Lines [J]. Advanced Steels，2011，19： 177-185.

[2]解瑞军，李从增，郑纲，等.TRIP980高强钢电阻点焊接头的组织及力学性能[J].焊接学报，2019，40（01）：125-129.

[3]万晓东，徐靖，王元勋，等.双相钢电阻点焊应力与变形行为数值分析[J].焊接学报，2017，6：79-82.

[4]魏世同，陆善平.热处理工艺对TRIP980钢板点焊性能的影响[J].焊接学报，2017，08：115-118.

[5]Kimchi M ， Phillips D H . Resistance spot welding： fundamentals and applications for the automotive industry [J]. Synthesis Lectures on Mechanical Engineering， 2017，1（2）： 1-115.

[6]Zhao D，Wang Y，Liang D，et al. Modeling and process analysis of resistance spot welded DP600 joints based on regression analysis [J]. Materials and design，2016，110： 676-684.

[7]Xie R J，Li C Z，Zheng G，et al. Structure and mechanical properties of resistance spot welding joints in high strength steel. Journal of welding，2019，40（1）： 125-129.