王鵬博，張永強(qiáng)，付 參，鞠建斌，伊日貴

(首鋼集團(tuán)有限公司技術(shù)研究院，北京 100043)

0 引 言

汽車輕量化對(duì)節(jié)能減排具有重要意義，是現(xiàn)代汽車工業(yè)技術(shù)發(fā)展的方向。高強(qiáng)度鋼板能在保證汽車強(qiáng)度和安全性能的同時(shí)，降低燃油消耗和廢氣排放，是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的重要材料；但強(qiáng)度的提高會(huì)導(dǎo)致鋼板成形性能的降低。復(fù)相鋼是一種超高強(qiáng)度鋼，其顯微組織主要為鐵素體和貝氏體，同時(shí)包含少量的馬氏體、殘余奧氏體和珠光體；由于添加了少量的鈮、鈦、釩等元素，其晶粒細(xì)小，擁有更好的彎曲和拉伸翻邊、擴(kuò)孔性能，可用于制造具有復(fù)雜形狀的工件，如底盤懸掛件、B柱、保險(xiǎn)杠、座椅滑軌等[1-3]。

電阻點(diǎn)焊是汽車生產(chǎn)制造行業(yè)的重要連接工藝，通過(guò)將焊件裝配后壓緊在兩電極之間，利用電阻熱融化金屬形成焊點(diǎn)而實(shí)現(xiàn)連接，具有自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每輛轎車車身的焊點(diǎn)數(shù)量在4 000～5 000點(diǎn)，點(diǎn)焊接頭的質(zhì)量直接影響著整車的強(qiáng)度、安全和壽命，因此，點(diǎn)焊質(zhì)量要求很高[4-5]。作者對(duì)厚度為1.5 mm的CP780鍍鋅復(fù)相鋼板進(jìn)行電阻點(diǎn)焊試驗(yàn)，研究了其焊接電流窗口以及接頭的顯微組織和力學(xué)性能，評(píng)估了點(diǎn)焊過(guò)程中電極的使用壽命，以為復(fù)相鋼板點(diǎn)焊質(zhì)量的提升提供參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為CP780鍍鋅復(fù)相鋼板，鋼板厚度為1.5 mm，主要化學(xué)成分見表1；屈服強(qiáng)度不低于570 MPa，抗拉強(qiáng)度在780～920 MPa，斷后伸長(zhǎng)率不低于10%。

表1 CP780復(fù)相鋼的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

采用線切割法在點(diǎn)焊接頭焊點(diǎn)最大橫截面處截取金相試樣，經(jīng)鑲嵌、研磨、拋光，用體積分?jǐn)?shù)4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，采用Leica DMI5000M型光學(xué)顯微鏡觀察焊點(diǎn)宏觀形貌和顯微組織。使用HXD-1000TM型顯微硬度計(jì)測(cè)試維氏硬度，從一側(cè)母材經(jīng)過(guò)焊縫到另一側(cè)母材、每隔200 μm取點(diǎn)測(cè)試(如圖1所示)，加載力為9.8 N，載荷保持時(shí)間10 s。

圖1 顯微硬度測(cè)試位置示意

參考文獻(xiàn)[7]，采用Zwick-Z100型拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)試焊點(diǎn)剪切性能和十字拉伸性能，拉伸速度為5 mm·min-1，剪切拉伸試樣和十字拉伸試樣尺寸如圖2所示，均分別在最小和最大焊接電流下點(diǎn)焊而成，各測(cè)5個(gè)平行試樣取平均值。

圖2 剪切拉伸和十字拉伸試樣尺寸

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 焊接電流窗口

由圖3可知，在電極壓力4.5 kN、焊接時(shí)間380 ms、保持時(shí)間300 ms條件下，1.5 mm厚CP780復(fù)相鋼板點(diǎn)焊的最小焊接電流為6.0 kA，最大焊接電流為8.0 kA，焊接電流窗口為6.0～8.0 kA。

圖3 CP780復(fù)相鋼板的焊接電流窗口

2.2 顯微組織

在焊接電流6.0～8.0 kA下，CP780復(fù)相鋼板點(diǎn)焊接頭熔核區(qū)呈橢圓形，環(huán)繞著熔核區(qū)的顏色較淺部分為熱影響區(qū)，在熱影響區(qū)外側(cè)顏色較深部分為母材區(qū)，如圖4所示。熔核區(qū)在電阻熱的作用下熔化，在冷卻過(guò)程中凝固結(jié)晶，組織由外向內(nèi)呈柱狀晶形式生長(zhǎng)。

圖4 CP780復(fù)相鋼板點(diǎn)焊接頭截面低倍形貌

由圖5可見，在最小(6.0 kA)和最大(8.0 kA)焊接電流下，點(diǎn)焊接頭焊縫區(qū)組織均主要為板條狀馬氏體，熱影響區(qū)組織則主要由馬氏體和部分鐵素體組成。

圖5 不同焊接電流下CP780復(fù)相鋼板點(diǎn)焊接頭的顯微組織

2.3 硬度分布

由圖6可以看出：在焊接電流6.0，8.0 kA下，點(diǎn)焊接頭熔核區(qū)的硬度分別約為430，420 HV，熱影響區(qū)均存在軟化點(diǎn)；6.0 kA下熱影響區(qū)軟化點(diǎn)硬度在210～220 HV，8.0 kA下硬度約為200 HV。由于焊接電流較小時(shí)的熱輸入較小，焊點(diǎn)體積小、冷卻速率快，因此焊縫區(qū)和熱影響區(qū)硬度略大于焊接電流較大時(shí)的。

圖6 不同焊接電流下CP780復(fù)相鋼板點(diǎn)焊接頭截面硬度分布

2.4 力學(xué)性能

由表2可以看出：8.0 kA焊接電流下焊點(diǎn)的最大剪切力和最大正拉力均高于6.0 kA焊接電流下的，分別提高了51.8%和38.0%；最大剪切力和最大正拉力測(cè)試值的標(biāo)準(zhǔn)偏差均較小，說(shuō)明焊接工藝穩(wěn)定。

表2 不同焊接電流點(diǎn)焊接頭的最大剪切力和最大正拉力

焊接時(shí)間和焊接電流是影響電阻點(diǎn)焊熱輸入的重要因素。在焊接時(shí)間一定的條件下，焊接熱輸入隨焊接電流的增加而增大。熱輸入越大，熔核尺寸越大，焊點(diǎn)的承載面積越大，界面結(jié)合力越強(qiáng)。因此，焊接電流越大，焊點(diǎn)的最大剪切力和正拉力越大。最小焊接電流和最大焊接電流下十字點(diǎn)焊接頭的失效模式均為紐扣斷裂。十字拉伸試驗(yàn)后，接頭熔核部位一側(cè)拔出一個(gè)孔洞，另一側(cè)保留著完整的熔核，斷裂發(fā)生在熱影響區(qū)靠近母材的過(guò)渡區(qū)域，這說(shuō)明接頭力學(xué)性能良好，熱影響區(qū)靠近母材的過(guò)渡區(qū)域是薄弱區(qū)域。

2.5 電極壽命

由圖7可以看出，在采用同一電極連續(xù)點(diǎn)焊過(guò)程中，熔核直徑呈現(xiàn)減小的變化趨勢(shì)。研究[8-9]表明，在高溫、高壓狀態(tài)下，電極端面會(huì)與鋼板表面的鋅層發(fā)生反應(yīng)，形成Cu5Zn8合金層，引起電極端面材料剝落，降低電阻點(diǎn)焊時(shí)的電流密度和熱輸入。因此，熔核直徑隨著焊點(diǎn)數(shù)量的增加而降低。當(dāng)焊接2 000點(diǎn)時(shí)，電極端面的磨損非常嚴(yán)重，但熔核直徑為5.3 mm，仍大于臨界熔核直徑(4.9 mm)，這說(shuō)明電極的使用壽命超過(guò)2 000點(diǎn)。

圖7 在焊接電流8.0 kA下采用同一電極連續(xù)點(diǎn)焊時(shí)熔核直徑和焊點(diǎn)數(shù)量的關(guān)系

3 結(jié) 論

(1)在電極壓力4.5 kN、焊接時(shí)間380 ms、保持時(shí)間300 ms條件下，1.5 mm厚CP780鍍鋅復(fù)相鋼板電阻點(diǎn)焊的焊接電流窗口為6.0～8.0 kA，最大和最小焊接電流下接頭焊縫組織均主要為板條狀馬氏體，熱影響區(qū)組織則主要由馬氏體和部分鐵素體組成。

(2)最大和最小焊接電流下點(diǎn)焊接頭熔核區(qū)硬度高于熱影響區(qū)的，且熱影響區(qū)均存在軟化點(diǎn)；最大焊接電流點(diǎn)焊接頭的最大剪切力和最大正拉力分別為21.80，10.56 kN，比最小焊接電流下分別提高了51.8%和38.0%。

(3)在最大焊接電流下采用同一電極連續(xù)焊接2 000點(diǎn)后，熔核直徑依舊大于臨界熔核直徑，說(shuō)明電極的使用壽命超過(guò)2 000點(diǎn)。