解瑞軍 李銳峰 畢良艷 劉國利

摘要： 文中以冷軋DP980高強(qiáng)鋼板與SPCC低碳鋼板作為研究對(duì)象，基于田口法優(yōu)化電阻焊接參數(shù)，并對(duì)最優(yōu)參數(shù)的焊接接頭進(jìn)行組織性能分析。結(jié)果表明，在焊接電流10.5 kA、焊接時(shí)間30 cycles、電極壓力3 kN、維持時(shí)間10 cycles的條件下，接頭力學(xué)性能最優(yōu);且接頭實(shí)現(xiàn)熔核剝離斷裂，為韌性斷裂，熔核剝離斷裂起始位置位于熔核邊緣處SPCC母材，最大拉伸力為11.78 kN;點(diǎn)焊接頭主要為熔核區(qū)、熱影響區(qū)、母材區(qū)3個(gè)區(qū)域;熔核區(qū)的顯微組織主要為馬氏體，DP980高強(qiáng)鋼一側(cè)熱影響區(qū)的顯微組織組織主要為馬氏體和鐵素體，SPCC低碳鋼一側(cè)熱影響區(qū)的顯微組織主要為馬氏體、鐵素體和珠光體。DP980高強(qiáng)鋼熱影響區(qū)硬度最高，其次為熔核區(qū)、SPCC熱影響區(qū)，SPCC母材硬度最低。

關(guān)鍵詞： 田口法; DP980高強(qiáng)鋼; SPCC低碳鋼; 熔核剝離斷裂; 韌性斷裂

中圖分類號(hào)： TG 406

Microstructure and mechanical properties of DP980/SPCC dissimilar steel plate resistance spot welded joints based on optimal parameters of Taguchi method

Xie Ruijun1，Li Ruifeng1，Bi Liangyan2，Liu Guoli1

（1.Inner Mongolia University of Technology， Hohhot 010051，Inner Mongolia Autonomous Region，China; 2.Hohhot Science and Technology Innovation and Entrepreneurship Service Center，Hohhot 010020，Inner Mongolia Autonomous Region，China）

Abstract： In this paper， coldrolled DP980 highstrength steel plate and SPCC lowcarbon steel plate were taken as research objects， the resistance welding parameters were optimized based on Taguchi method， and the microstructure and properties of welded joints with the optimal parameters were analyzed. The results showed that under the conditions of welding current 10.5 kA， welding time 30 cycles， electrode pressure 3 kN and holding time 10 cycles， the joint had the best mechanical properties. And the joint realized nugget peel fracture， which was ductile fracture. The starting position of nugget peel fracture was located at SPCC parent metal at the edge of nugget， and the maximum tensile force was 11.78 kN. Spot welding joints mainly included nugget zone， heat affected zone and base metal zone. The microstructure of nugget zone was mainly martensite， the microstructure of heat affected zone of DP980 high strength steel was mainly martensite and ferrite， and that of SPCC low carbon steel was mainly martensite， ferrite and pearlite. Hardness of heat affected zone of DP980 high strength steel was the highest， followed by nugget zone and SPCC heat affected zone， and hardness of SPCC base metal was the lowest.

Key words： Taguchi method; DP980 high strength steel; SPCC mild steel; peeling fracture of molten core; ductile fracture

0 前言

隨著各國對(duì)節(jié)能減排要求的提高，汽車輕量化是必然趨勢[1-2]。DP980高強(qiáng)鋼具有塑性高、抗拉強(qiáng)度高、初始加工硬化率高和屈強(qiáng)比低等優(yōu)點(diǎn)，是汽車安全籠部件的主要材料[3]。SPCC低碳鋼是典型的普通低碳鋼，具有良好的塑性、成形性及焊接性，是目前用途最廣泛的普通冷軋鋼板，可用于制造汽車的非承載件、連接件及內(nèi)外飾件[4]。因此，DP980高強(qiáng)鋼和SPCC低碳鋼結(jié)合使用可以充分發(fā)揮DP980高強(qiáng)鋼的性能優(yōu)勢和SPCC低碳鋼板的成本優(yōu)勢，在一定程度上達(dá)到輕量化的目的。但是兩者的導(dǎo)熱率、電阻率、熱膨脹系數(shù)等物理屬性和化學(xué)成分差別較大，使其焊接性較差[5-6]。

目前，已有相關(guān)人員對(duì)高強(qiáng)鋼與低碳鋼的焊接開展了一些研究工作。重慶大學(xué)的Long等人[7]研究DP590高強(qiáng)鋼和DC01低碳鋼異種鋼點(diǎn)焊接頭，認(rèn)為最大載荷和斷裂模式取決于斷裂區(qū)域的抗剪力。加拿大瑞爾森大學(xué)的Khan 等人[8]研究了鍍鋅HSLA350和DP600高強(qiáng)鋼異種鋼點(diǎn)焊接頭的顯微組織和力學(xué)性能，研究表明，熔核區(qū)主要為馬氏體組成和少量貝氏體，點(diǎn)焊接頭熱影響區(qū)硬度和同種材料的點(diǎn)焊接頭熱影響區(qū)硬度有明顯區(qū)別。伊朗伊斯蘭阿扎德大學(xué)Pouranvari 等人[9-10]對(duì)DP600/AlSi 1008異種鋼焊接參數(shù)和點(diǎn)焊接頭進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，研究結(jié)果表明，隨著焊接熱輸入的增加（即焊接電流的增加和焊接時(shí)間的延長）熔核直徑和壓痕深度不斷增加。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)岑耀東等人[11-12]對(duì)TRIP980高強(qiáng)鋼/SPCC低碳鋼的異種鋼板電阻點(diǎn)焊接頭組織及力學(xué)性能研究，結(jié)果表明熔合區(qū)主要為馬氏體組織，結(jié)合面靠近SPCC低碳鋼側(cè)的熔合區(qū)兩側(cè)組織差異較大，晶粒大小和取向與TRIP980高強(qiáng)鋼側(cè)存在較大差異，且有明顯的擇優(yōu)取向。但是，目前對(duì)優(yōu)化異種鋼電阻電焊的焊接參數(shù)的研究比較少，對(duì)推動(dòng)汽車輕量化發(fā)展和節(jié)能減排具有積極的意義。

采用汽車工業(yè)中廣泛使用的電阻點(diǎn)焊方法，對(duì)基于田口法優(yōu)化出DP980/SPCC異種鋼板點(diǎn)焊最優(yōu)參數(shù)下的接頭進(jìn)行組織與力學(xué)性能研究，對(duì)推動(dòng)汽車輕量化發(fā)展和節(jié)能減排具有積極的意義。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料分別為冷軋DP980高強(qiáng)鋼板與冷軋SPCC低碳鋼板，厚度均為1.5 mm。2種鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表1和表2所示。

1.2 試驗(yàn)方法

焊接試驗(yàn)設(shè)備采用DN50B電阻點(diǎn)焊機(jī)，額定容量為50 kVA，額定電壓為380 V，采用圓錐平CuCr電極頭，端面直徑為8 mm，試樣搭接形式及尺寸如圖1所示。采用田口法確定最優(yōu)焊接參數(shù)，利用線切割設(shè)備，將最優(yōu)參數(shù)時(shí)的點(diǎn)焊接頭沿熔核中心橫截面切開，然后用金相砂紙打磨、P1型金相試樣拋光機(jī)拋光后制作金相試樣。用濃度為4%的硝酸酒精溶液對(duì)金相試樣腐蝕10～12 s，用酒精清洗后吹風(fēng)機(jī)吹干，防止其氧化，然后置于顯微鏡載物臺(tái)上進(jìn)行顯微組織觀察。然后對(duì)該參數(shù)下的點(diǎn)焊接頭進(jìn)行硬度測試，采用維氏硬度測量方法。同時(shí)對(duì)該參數(shù)下的點(diǎn)焊接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)使用WDW200型微機(jī)控制電子式萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)DP980高強(qiáng)鋼和SPCC低碳鋼的電焊試樣進(jìn)行靜態(tài)拉伸剪切試驗(yàn)。并使用Sigma500場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察DP980/SPCC異種鋼電阻點(diǎn)焊接頭的拉伸剪切斷口形貌，并分析其斷裂失效形式和原因。

2 田口試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)因素的篩選

電阻點(diǎn)焊是將焊件裝配成搭接接頭，并壓緊在兩電極之間，利用電阻熱熔化母材金屬，形成焊點(diǎn)的電阻焊方法。電阻點(diǎn)焊的熱源是電流通過焊接區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱，點(diǎn)焊時(shí)電流通過焊件產(chǎn)生的熱量可由以式（1）確定：

Q=I2Rt（1）

式中：Q為產(chǎn)生的熱量;I為焊接電流;R為兩電極之間的電阻;t為通電時(shí)間。

由式（1）可以看出，決定電阻點(diǎn)焊焊接熱輸入的是焊接電流、兩電極之間的電阻及通電時(shí)間3大因素。

2.2 因素水平表設(shè)計(jì)

選取的焊接參數(shù)及其水平見表3，除考慮焊接電流（A）、焊接時(shí)間（B）、電極壓力（C）3個(gè)因素本身外，還考慮了各因素之間的交互作用，即A×B，A×C和B×C。焊接通電結(jié)束后的維持時(shí)間對(duì)點(diǎn)焊接頭的性能有一定影響，因此還考慮了焊后維持時(shí)間的影響?？紤]到電極壓力變化的影響，故設(shè)置的焊接時(shí)間保證不發(fā)生飛濺和電極粘損。

2.3 正交試驗(yàn)表設(shè)計(jì)

根據(jù)表3所述的因素水平及其交互作用對(duì)試驗(yàn)的影響程度，因此選用交互正交表L27（313）設(shè)計(jì)試驗(yàn)，試驗(yàn)方案表頭見表4。

2.4 SN 比的計(jì)算

信噪比是特征參數(shù)（信號(hào)）值與非特異性參數(shù)（噪聲）的比值。試驗(yàn)中希望SN比越大越好。對(duì)表4內(nèi)的每一個(gè)條件下的數(shù)據(jù)可以根據(jù)式（2）求得一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的SN比。

式（2）即為SN比計(jì)算公式：

η=10lgn∑n1y2i=-10lg1n∑n1y2i（2）

2.5 方差分析及顯著性檢驗(yàn)

以η作為指標(biāo)，按L27（313）的列平方和與自由度計(jì)算公式計(jì)算各因素的平方和，列出方差分析見表5。

從表5方差分析可知，DP980高強(qiáng)鋼和SPCC低碳鋼在焊接工藝窗口內(nèi)進(jìn)行焊接時(shí)，焊接時(shí)間B高度顯著，焊接電流A、交互作用B×C顯著，交互作用A×B有一定影響，其余因素都不顯著。

2.6 確定最優(yōu)焊接參數(shù)并驗(yàn)證

根據(jù)SN比的計(jì)算結(jié)果，可得出因素A（焊接電流）、因素B（焊接時(shí)間）、因素B×C（焊接時(shí)間和電極壓力的交互作用）和因素A×B（焊接電流和焊接時(shí)間）各水平的拉伸剪切失效能總和。然后通過交互作用的數(shù)據(jù)表可以得出最佳焊接參數(shù)，即在最佳焊接參數(shù)下接頭的拉伸剪切強(qiáng)度和失效能比前面試驗(yàn)結(jié)果都好，因此可知以點(diǎn)焊接頭的失效能為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)DP980高強(qiáng)鋼和SPCC低碳鋼的最佳焊接參數(shù)為：焊接電流10.5 kA、焊接時(shí)間30 cycles、電極壓力3 kN、維持時(shí)間 10 cycles。

3 最優(yōu)參數(shù)預(yù)測及驗(yàn)證

3.1 最優(yōu)參數(shù)下點(diǎn)焊接頭顯微組織分析

DP980/SPCC點(diǎn)焊接頭各區(qū)域的微觀組織如圖2所示，圖2中a區(qū)～k區(qū)分別對(duì)應(yīng)宏觀組織圖中相應(yīng)位置。圖中2中a和b區(qū)為DP980高強(qiáng)鋼一側(cè)熔核區(qū)的顯微組織，圖2中c區(qū)為SPCC低碳鋼一側(cè)熔核區(qū)顯微組織，圖2中d區(qū)為DP980高強(qiáng)鋼一側(cè)厚度方向上熔核區(qū)邊緣區(qū)域顯微組織，圖2中e區(qū)為SPCC低碳鋼一側(cè)厚度方向熔核區(qū)邊緣區(qū)域顯微組織，圖2中f區(qū)為DP980高強(qiáng)鋼一側(cè)熔核區(qū)與熱影響區(qū)邊緣區(qū)域顯微組織，圖2中g(shù)區(qū)為DP980高強(qiáng)鋼一側(cè)熱影響區(qū)顯微組織，圖2中h區(qū)為DP980高強(qiáng)鋼一側(cè)熱影響區(qū)與母材邊緣區(qū)域顯微組織，圖2中i區(qū)為SPCC低碳鋼一側(cè)熔核區(qū)與熱影響區(qū)邊緣區(qū)域顯微組織，圖2中j區(qū)為SPCC低碳鋼一側(cè)熱影響區(qū)顯微組織，圖2中k區(qū)為SPCC低碳鋼一側(cè)熱影響區(qū)與母材邊緣區(qū)域顯微組織。

從圖2中a區(qū)～c區(qū)中可以看出，熔核區(qū)顯微組織主要為板條馬氏體，還有部分先共析鐵素體和少量魏氏體組織，這是由于在點(diǎn)焊熱循環(huán)過程中，熔核區(qū)金屬由于電阻熱的作用熔化，然后在電極頭冷卻水的作用下快速冷卻。而且由于DP980高強(qiáng)鋼和SPCC低碳鋼含碳量都較低，屬于亞共析鋼，在連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變時(shí)，奧氏體中碳含量比冷卻平衡組織碳含量低，因此有部分鐵素體先析出，形成了先共析鐵素體。在點(diǎn)焊過程中由于瞬間加熱溫度很高而且冷卻速度很快，形成的部分先共析鐵素體就會(huì)在奧氏體晶界上生長，形成針狀鐵素體，及魏氏組織。

從圖2中d區(qū)～2中e區(qū)中可以看出，在熔核區(qū)的邊緣處為較細(xì)小的等軸晶，這是由于熔核區(qū)的熔融金屬在冷卻時(shí)，由于電極頭冷卻水的作用，表層的金屬溫度較低，因此和電極頭接觸的表層金屬具有較強(qiáng)的吸熱和散熱作用，使得靠近表層的一薄層液態(tài)金屬產(chǎn)生了極大地過冷度，所以這一薄層液態(tài)金屬以和電極頭接觸的表層金屬作為形核的基底，立即產(chǎn)生了大量的晶核，并同時(shí)向各個(gè)方向生長，因此在熔核的邊緣處形成了一層很薄得的等軸晶粒區(qū)，即激冷區(qū)。熱影響區(qū)由于各個(gè)位置的冷卻速度不同，導(dǎo)致熱影響區(qū)的溫度梯度較大，因此熱影響區(qū)不同位置顯微組織也不相同。DP980高強(qiáng)鋼一側(cè)靠近熔核區(qū)的熱影響區(qū)在加熱過程中超過A1溫度，在電極頭冷卻作用下急速冷卻，奧氏體中的碳來不及擴(kuò)散，因此顯微組織為馬氏體組織，如圖2中f區(qū)所示;中間區(qū)域冷卻速度較靠近熔核區(qū)的位置冷卻速度較慢，因此在點(diǎn)焊熱循環(huán)作用下生成的馬氏體晶粒較細(xì)小，且生成部分貝氏體組織和先共析鐵素體，如圖2中g(shù)區(qū)所示;靠近母材的熱影響區(qū)冷卻速度更慢，而且在焊接過程中沒有達(dá)到奧氏體化溫度，因此其顯微組織基本和母材組織相同，但是晶粒在熱循環(huán)作用下晶粒發(fā)生了粗化，如圖2中h區(qū)所示。SPCC低碳鋼一側(cè)靠近熔核區(qū)的熱影響區(qū)在快速加熱過程中超過A1溫度就急速冷卻，還未完全奧氏體化，奧氏體中的碳來不及擴(kuò)散，且在冷卻過程中形成的馬氏體限制了奧氏體的長大，因此在此區(qū)域仍保留一部分先共析鐵素體，在快速冷卻后形成了馬氏體和少量粒狀珠光體，如圖2中i區(qū)所示;熱影響區(qū)中間區(qū)域冷卻速度較慢，形成了貝氏體，還有較細(xì)的鐵素體和珠光體組織，如圖2中j區(qū)所示;靠近母材的熱影響區(qū)顯微組織和母材相近，為鐵素體和珠光體組織，如圖2中k區(qū)所示。

3.2 最優(yōu)參數(shù)下點(diǎn)焊接頭顯微硬度分析

點(diǎn)焊接頭各個(gè)區(qū)域的硬度分布可以反映接頭的性能，DP980高強(qiáng)鋼/SPCC低碳鋼電阻點(diǎn)焊接頭硬度分布如圖3所示。

從圖3中可以看出熔核區(qū)的硬度最高，約為360 HV，這是由于熔核區(qū)在凝固過程中發(fā)生了非平衡共析轉(zhuǎn)變，生成了馬氏體脆硬相。DP980高強(qiáng)鋼一側(cè)在熔核區(qū)和熱影響區(qū)的邊緣處很小的區(qū)域內(nèi)硬度比母材降低約5%～10%，發(fā)生了熱影響區(qū)軟化現(xiàn)象。這是由于在焊接完成后，熔核邊緣的熱影響區(qū)由于熱循環(huán)作用發(fā)生了自回火，使其硬度降低;DP980高強(qiáng)鋼一側(cè)母材區(qū)和熱影響區(qū)邊緣區(qū)域硬度最高達(dá)到390 HV。這是由于此區(qū)域形成的馬氏體晶粒較小，在點(diǎn)焊熱循環(huán)過程中此區(qū)域的DP980高強(qiáng)鋼沒有熔化，沒有和SPCC低碳鋼的液態(tài)金屬混合，因此冷卻后形成的馬氏體組織的化學(xué)成分仍然為DP980高強(qiáng)鋼原始成分，而DP980高強(qiáng)鋼的碳當(dāng)量較SPCC低碳鋼碳當(dāng)量高，因此此區(qū)域的硬度最高;SPCC低碳鋼一側(cè)熱影響的硬度介于熔核區(qū)和母材之間，并且從熔核區(qū)到母材，熱影響區(qū)的硬度不斷降低，這是由其顯微組織決定的。DP980高強(qiáng)鋼母材硬度為327 HV，顯微組織為島狀馬氏體均勻分布到鐵素體基體上;SPCC低碳鋼母材硬度為103 HV，由鐵素體和珠光體組織組成。

3.3 最優(yōu)參數(shù)下點(diǎn)焊接頭斷裂失效分析

最優(yōu)參數(shù)下的點(diǎn)焊接頭實(shí)現(xiàn)熔核剝離斷裂，且斷裂起始位置位于SPCC母材，如圖4所示。

熔核剝離斷裂時(shí)，斷裂首先發(fā)生于SPCC低碳鋼一側(cè)熔核邊緣處，然后在拉伸剪切力的作用下沿著熔核邊緣不斷擴(kuò)展，最終發(fā)生斷裂。且接頭實(shí)現(xiàn)熔核剝離斷裂，為韌性斷裂，熔核剝離斷裂起始位置位于熔核邊緣處SPCC母材，最大拉伸力為11.78 kN。

斷裂方式典型的拉伸載荷—位移曲線如圖5所示。

從圖5中也可看出熔核剝離斷時(shí)拉伸剪切力達(dá)到最大值后，隨著拉伸位移增加，拉伸剪切載荷下降速度較小，對(duì)于汽車防碰撞性能來說，點(diǎn)焊接頭的這種斷裂方式是有利的，有利于汽車在碰撞時(shí)吸收更多的能量。

該參數(shù)下的斷口形貌圖如圖6所示。從圖中可知，斷裂起始位置的斷口處分布著大小不一的韌窩，屬于微孔聚集性斷裂，由此可以推斷出熔核剝離斷裂屬于韌性斷裂。

4 結(jié)論

（1）DP980/SPCC點(diǎn)焊接頭顯微組織分析表明，點(diǎn)焊接頭主要分為熔核區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)3個(gè)區(qū)域，熔核區(qū)的主要組織為馬氏體，還有部分上先共析鐵素體和魏氏組織;熱影響區(qū)的組織較為復(fù)雜，含有馬氏體、貝氏體、先共析鐵素體、鐵素體和珠光體;DP980母材組織為馬氏體和鐵素體，SPCC母材組織為鐵素體和珠光體。

（2）DP980/SPCC點(diǎn)焊接頭的硬度分布表明，DP980高強(qiáng)鋼熱影響區(qū)靠近母材邊緣的硬度最高為400 HV，其次為熔核區(qū)、SPCC熱影響區(qū)，SPCC母材的硬度最低為100 HV左右，DP980高強(qiáng)鋼一側(cè)熱影響區(qū)由于自回火作用發(fā)生了軟化。

（3）最優(yōu)參數(shù)下的接頭斷裂形貌表明，斷裂起始于熔核邊緣的SPCC母材處，接頭的斷裂方式為熔核剝離斷裂，為韌性斷裂，力學(xué)性能良好。

（4）運(yùn)用田口試驗(yàn)法，根據(jù)接頭失效能的信噪SN比優(yōu)化了DP980/SPCC的焊接參數(shù)，得出其最佳焊接參數(shù)為：焊接電流10.5 kA、焊接時(shí)間30 cycles、電極壓力3 kN、維持時(shí)間10 cycles的條件。

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