周少云　陳　寅　馮冠文　方　芳

(寶鋼股份中央研究院武漢分院(武鋼有限技術(shù)中心)　湖北　武漢：430080)

近年來，汽車熱成形零件的市場需求呈爆發(fā)式增長趨勢，熱成形零件在白車身上的應(yīng)用比例高達45%，預(yù)計未來五年將增長一倍以上[1]。熱成形高強鋼已是國內(nèi)鋼鐵企業(yè)提升汽車用鋼競爭力的必然選擇。通過熱成形技術(shù)可克服冷成形中存在的回彈嚴重、成型困難及成型開裂[2]等難題。

在較早的熱成形技術(shù)中，鋼板的表面沒經(jīng)過鍍層處理，熱成形過程中表面會發(fā)生一定程度的氧化，產(chǎn)生表面脫碳和氧化起皮現(xiàn)象，降低了生產(chǎn)效率，可采用拋丸的方法除去表面氧化物。隨著熱成形技術(shù)的發(fā)展，鍍層技術(shù)越來越多地應(yīng)用于熱成形鋼。鍍層可以防止熱成形過程中表面氧化和脫碳，還能提高漆裝后的防腐蝕性能。

鍍鋅技術(shù)是汽車工業(yè)中最成熟應(yīng)用最廣泛的鍍層技術(shù)，為了提高鍍層的切口保護性，熱鍍純鋅(GI)和熱鍍合金化(GA)鍍層逐漸發(fā)展起來。但由于液態(tài)鋅會誘導(dǎo)基體開裂，限制了鋅基鍍層的推廣應(yīng)用[3,4]，所以本文針對GI和GA鍍層熱成形鋼進行點焊性能對比研究，為實際生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1　實驗材料和方法

試驗鋼為1500MPa級熱成形鋼冷軋板(22MnB5)，板厚1.5mm。采用熱浸鍍工藝模擬試驗機進行熱鍍試驗，標(biāo)準(zhǔn)試樣尺寸為220mm×110mm×1.5mm。熱浸鍍工藝如下：試樣在紅外爐內(nèi)以5℃/s的速度加熱到750℃，保溫60s，在冷卻倉內(nèi)經(jīng)緩冷再快冷到460～490℃至鋅鍋進行熱鍍。鍍后試樣在熱處理爐中分別加熱到930和910℃，并保溫5min，然后在沖壓機上采用平板模具進行熱沖壓，保壓時間是20s。

將熱沖壓前后的鍍層試樣宏觀形貌如圖1所示，在有效的鍍層區(qū)域按點焊要求制備成110mm×20mm的條狀試樣，共20對。在中頻直流DBZ-160點焊機上進行實驗，每對試樣搭接長度不低于20mm。

圖1　熱沖壓前后宏觀鍍層形貌

2　結(jié)果與討論

由于熱沖壓前、后鋼板的強度差距較大，點焊工藝參數(shù)需要有部分改變。其中，熱沖壓前的點焊工藝參數(shù)為：中頻直流,電極直徑6mm,最小焊點直徑3.6mm,焊接壓力2.5kN,焊接時間200ms。焊點直徑≥3.6mm時的電流為下限，3個焊點中兩個焊點飛濺時的電流減去200A為上限。而試樣經(jīng)過熱沖壓后，抗拉強度將超過1500MPa，需要在ZWICK靜態(tài)拉伸機上在一定的位移范圍進行拉伸試驗。其點焊工藝參數(shù)為：中頻直流,電極直徑6mm,焊接壓力4 kN,焊接時間160ms×3。

每個電流均焊接兩次或以上，以出現(xiàn)飛濺確定最大電流、焊點直徑超過3.6mm或界面的斷裂方式確定最小電流。記錄電流、焊點直徑、斷裂方式、有無飛濺和剪切力大小，對兩種鍍層的焊接電流范圍進行比較。

2.1　熱沖壓前GI鍍層及GA鍍層點焊性能對比

試驗鋼在熱沖壓前的鍍層如圖1a、圖1c所示，可以看出實驗室所得鍍層較為完整，無可視漏鍍點。其中GI鍍層較為光亮，GA鍍層呈現(xiàn)發(fā)亮的灰色。根據(jù)上述點焊工藝參數(shù)，在中頻直流DBZ-160點焊機上進行焊接，根據(jù)焊點直徑和飛濺的情況，兩種鍍層的點焊工藝窗口如圖2所示。

圖2　熱沖壓前鍍層點焊工藝窗口

圖2a、2b分別為熱沖壓前的GI和GA鍍層點焊工藝窗口，排除飛濺和焊點直徑小于3.6mm的數(shù)據(jù)，熱沖壓前的GI鍍層焊接電流范圍為8.2kA～9.8kA，窗口為1.6kA，GA鍍層焊接電流范圍為8.7kA～10.3kA，窗口為1.7kA。兩種鍍層的焊接電流窗口非常接近。實際生產(chǎn)的兩種鍍層點焊工藝窗口在2.0kA～2.5kA，大生產(chǎn)的鍍層板與實驗室制備的鍍層板相比，鍍層厚度更為均勻，點焊工藝窗口較寬，但二者總體差距不大。

2.2　熱沖壓后GI鍍層及GA鍍層點焊性能對比

試驗鋼在熱處理爐中經(jīng)過高溫加熱并在平板模上沖壓后，鍍層宏觀形貌發(fā)生改變，如圖1b、圖1d所示，試樣上未覆蓋鍍層的位置有明顯的氧化鐵皮生成。熱沖壓后GI及GA鍍鋅的點焊工藝窗口如圖3所示。

圖3　熱沖壓后鍍層點焊工藝窗口

GI鍍層在930℃保溫5min熱沖壓后，原板灰色的鍍層表面有一層氧化膜生成，呈現(xiàn)淡淡的黃色，經(jīng)酒精清洗烘干后直接進行點焊，電流范圍為7.8kA～8.2kA，窗口為0.4kA。

GA鍍層點焊時出現(xiàn)較多的飛濺，與鍍層表面有一層連續(xù)的氧化層有較大關(guān)系。經(jīng)酒精清洗烘干后直接進行點焊，電流范圍為7.4kA～8.1kA，窗口為0.7kA。

兩種鍍層在熱沖壓后進行點焊，焊接窗口均勻較大幅度的降低，均小于1kA。由于兩種鍍層熱處理后表面均生成一層連續(xù)的氧化層，對電極損傷嚴重，這點可在點焊之前增加一道輕拋，可以改善鍍層的表面氧化層對焊接性能的影響。但同時，高溫下熔融的鋅將從表面向基體快速擴散，由于晶界是優(yōu)先擴散的通道，使得晶界受到極大的弱化，出現(xiàn)液態(tài)金屬脆(LME)。對比圖2b、圖3b，可以發(fā)現(xiàn)GA鍍層在熱處理前后點焊工藝窗口有一定的縮小，但沒有GI(圖2a、圖3a)鍍層嚴重，可以認為GA鍍層隨液態(tài)金屬脆的敏感性要低于GI鍍層。

3　結(jié)論

試驗鋼在熱處理前后鍍層的點焊性能差距較大。熱處理前，GI鍍層焊接電流范圍為8.2kA～9.8kA，窗口為1.6kA；GA鍍層焊接電流范圍為8.7kA～10.3kA，窗口為1.7kA。

熱處理后，鍍層表面均有一層氧化層，對焊接性能影響較大。同時，由于純鋅層對液態(tài)金屬脆更為敏感，液態(tài)鋅易向晶界擴散，焊接性能大幅度降低。在未經(jīng)輕拋的條件下對點焊性能進行統(tǒng)計，GI鍍層焊接電流范圍為7.8kA～8.2kA，窗口為0.4kA；GA鍍層焊接電流范圍為7.4kA～8.1kA，窗口為0.7kA。

[1]Yunjie Bi, Guanwen Feng, Fang Fang, Rui Ge, Shaoyun Zhou. The development of the coated hot forming steels at WISCO. Proc. of CHS2 5th International Conf. on Hot Sheet Metal Forming of High-Performance Steel[J]. Toronto, Canada,2015:371-377.

[2]Chen P and Koc M. Simulation of sringback variation in forming of advanved high strength steels[J]. Journal of Materials Processing Technology,2007,190(1-3):189-198.

[3]R Grigorieva, P Drillet and J Mataigne. Study of Cracks Propagation inside the Steel on Press Hardened Steel Zinc Based Coatings[C]. Galvatech11, Genava,2011.

[4]Thomas KurzLinz. Zinc-based Coating Technologies and PHS Applications. Expert session, the North American GAP Program Review Meeting, Mississippi, October 8-9,2014.