郭強(qiáng) 吳慶美 鄭連輝 卜凡征 俞亞杰 孫旭東

摘要：按照SEP1220-2標(biāo)準(zhǔn)，確定了高成形性熱鍍鋅DH600鋼板的電阻點(diǎn)焊電流工藝窗口，并結(jié)合剪切拉伸試驗(yàn)、十字拉伸試驗(yàn)、金相試驗(yàn)、顯微硬度試驗(yàn)、電極壽命試驗(yàn)對(duì)其焊接工藝性能進(jìn)了全面評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示，該新材料相比傳統(tǒng)DP590表現(xiàn)出更好的焊接工藝性。在焊接工藝窗口內(nèi)，隨焊接電流增加，其熔核直徑增大，焊點(diǎn)連接強(qiáng)度也隨之提升。其焊縫熔核處組織為板條狀馬氏體，且在其熱影響區(qū)處未檢測(cè)到軟化現(xiàn)象。電極壽命試驗(yàn)表明該新材料具有較好的耐電極磨損性能。

關(guān)鍵詞：高成形性DH600 電阻點(diǎn)焊 電流工藝窗口 性能評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)：U465.1+1? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B? ?DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20220117

Abstract： According to SEP1220-2 Standards， the resistance spot welding current process window of hot-dip galvanized DH600 steel plate with high formability was determined， and its welding process performance was comprehensively evaluated in combination with shear tensile test， cross tensile test， metallographic test， micro-hardness test and electrode life test. The results show that the new material shows better welding performance than traditional DP590. In the welding process window， with the increase of welding current， the nugget diameter increases， and the joint strength also increases. The microstructure of the weld nugget is lath Martensite， and no softening phenomenon is detected in heat affected zone. The electrode life test shows that the new material has good electrode wear resistance.

Key words： DH600 with high formability， Resistance spot welding， Current process window， Properties evaluation

1 前言

伴隨汽車工業(yè)的高速發(fā)展，節(jié)能減排、輕量化設(shè)計(jì)是汽車行業(yè)追求的目標(biāo)和必要手段。高強(qiáng)鋼的應(yīng)用成為各大車企的發(fā)展方向，其中DP鋼因具有較低的屈強(qiáng)比、較高的初始加工硬化率、良好的強(qiáng)塑性匹配的特點(diǎn)而具有較好的沖壓成形性能，成為目前應(yīng)用最廣泛的鋼種[1-3]。隨著汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的日益復(fù)雜，對(duì)材料的沖壓成形性能要求越來(lái)越高，為了解決復(fù)雜拉延成形零件出現(xiàn)的拉延和翻邊凸緣開裂問(wèn)題，同時(shí)滿足較高的汽車防腐蝕性能，需要開發(fā)具有較高延展性和翻邊凸緣特性的熱鍍鋅高成形性雙相鋼。

電阻點(diǎn)焊是汽車制造中的主流焊接方法，其具有環(huán)保、生產(chǎn)率高、低成本、加熱時(shí)間短、變形小、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化與自動(dòng)化優(yōu)勢(shì)[4]。有研究表明，車身生產(chǎn)線上約 90%以上的裝配量使用電阻點(diǎn)焊工藝[5]。但高強(qiáng)鋼點(diǎn)焊也存在一些問(wèn)題，由于合金含量高，點(diǎn)焊接頭中電、熱、力分布不同導(dǎo)致其焊接較為困難，易產(chǎn)生縮孔及裂紋缺陷，降低接頭質(zhì)量[6]。

針對(duì)新開發(fā)的熱鍍鋅CR330Y590T-DH（以下簡(jiǎn)稱DH600），進(jìn)行了一系列電阻點(diǎn)焊工藝及力學(xué)性能試驗(yàn)，分析該鋼種的點(diǎn)焊工藝窗口、拉伸力學(xué)性能、點(diǎn)焊接頭的微觀組織、硬度、電極壽命，以滿足歐美特別是德系高端汽車客戶的使用要求。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料采用1.6 mm厚的熱鍍鋅DH600鋼板，鋅層厚度7 μm。表1、表2分別給出了其與常規(guī)DP590的主要化學(xué)成分、典型力學(xué)性能的對(duì)比情況，圖1 為其與常規(guī)DP590的微觀組織對(duì)比。經(jīng)對(duì)比可知，與常規(guī)DP590相比，該產(chǎn)品化學(xué)成分上具有較低的C含量，較高的Si含量，并略微降低了Mn+Cr+Mo的添加量，同時(shí)其微觀組織為更加純凈的鐵素體和彌散分布的馬氏體，力學(xué)性能上表現(xiàn)出更高的加工硬化率n值、延伸率及擴(kuò)孔率，因而具有更優(yōu)異的材料沖壓延展性和翻邊凸緣性能。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

本點(diǎn)焊實(shí)驗(yàn)采用ZDT-B260中頻逆變點(diǎn)焊機(jī)，配備PSI6200中頻逆變控制器，按照德系汽車客戶要求，采用德國(guó)鋼鐵協(xié)會(huì)SEP1220-2 Testing and Documentation Guideline for the Joinability of thin sheet of steel - Part 2 Resistance Spot Welding標(biāo)準(zhǔn)，焊接工藝如下表3所示。

2.2.1 焊接工藝窗口

確定最大電流Imax：從3.0 kA開始，每次增加電流200 A。測(cè)熔點(diǎn)直徑[≥4t]（即5.1mm）時(shí)，確定為Ivmin，然后再連續(xù)增加電流200 A，直到連續(xù)2次發(fā)生飛濺，然后電流減少100 A，直到連續(xù)3次無(wú)飛濺，此時(shí)電流記錄為Imax。

確定最小電流Imin：從Ivmin開始，先減小100 A，此電流下如果連續(xù)5次焊點(diǎn)直徑均[≥4t]（即5.1 mm），則此時(shí)電流記錄為Imin；如無(wú)法獲得連續(xù)5次焊點(diǎn)直徑均[≥4t]，則再逐漸增大100 A，直到所有5次焊點(diǎn)直徑均[≥4t]（即5.1 mm），此時(shí)電流記錄為Imin。

2.2.2 剪切拉伸和十字拉伸性能試驗(yàn)

按照ISO 14273和ISO 14272標(biāo)準(zhǔn)，利用BCS300電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，分別在最大電流Imax、最小電流Imin條件下，分別做5次剪切拉伸試驗(yàn)和5次十字拉伸試驗(yàn)，記錄連接試樣的斷裂類型、熔核直徑、力-位移曲線等結(jié)果，剪切拉伸及十字拉伸試樣尺寸見(jiàn)圖2。

2.2.3 組織和顯微硬度試驗(yàn)

利用FM-7000維氏顯微硬度計(jì)（載荷9.8N（HV1），標(biāo)準(zhǔn)ISO14271）、DMI5000M體式顯微鏡，分別在Imax、Imin條件下做顯微硬度試驗(yàn)和宏觀金相試驗(yàn)，測(cè)量母材、熱影響區(qū)、熔核區(qū)硬度，相鄰測(cè)試點(diǎn)間隔0.5 mm，硬度測(cè)試移動(dòng)軌跡見(jiàn)圖3。使用Axio Imager金相顯微鏡分析Imax下熔核區(qū)、熱影響區(qū)金相組織。

2.2.4 電極壽命試驗(yàn)

對(duì)于帶鍍層的汽車鋼板來(lái)說(shuō)，電極壽命也是衡量焊接性能的重要指標(biāo)。點(diǎn)焊時(shí)，在高溫和壓力作用下，電極失效較快，將影響焊接生產(chǎn)效率和成本。按照SEP1220-2標(biāo)準(zhǔn)，在Imax電流下焊92個(gè)點(diǎn)，然后在單獨(dú)的樣板上另焊8個(gè)點(diǎn)，第一個(gè)點(diǎn)不用記錄，其余7個(gè)點(diǎn)做剝離試驗(yàn)，并且記錄焊點(diǎn)直徑。重復(fù)100個(gè)焊點(diǎn)試驗(yàn)，直到獲得2 000個(gè)可接受的焊點(diǎn)，或者7個(gè)焊點(diǎn)中有3個(gè)焊點(diǎn)直徑[<4t]時(shí)，表明超出電極壽命，焊接結(jié)束。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 點(diǎn)焊電流工藝窗口結(jié)果分析

按照SEP1220-2標(biāo)準(zhǔn)，新開發(fā)DH600的最小焊接電流為6.4 kA，最大焊接電流為7.7 kA，電流工藝窗口為1.3 kA（>1.0 kA），具有良好的可焊接性能。本材料的點(diǎn)焊接頭的斷裂模式有凸臺(tái)斷裂，部分凸臺(tái)斷裂和界面斷裂。該材料在不同焊接電流下，剝離試驗(yàn)中檢測(cè)的熔核直徑變化情況和斷裂方式如圖4所示。焊點(diǎn)熱輸入量的計(jì)算方法如公式（1）[7]所示：

Q=I2Rt? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中，Q為熱輸入量；I為焊接電流；R為電阻；t為焊接時(shí)間。

焊接時(shí)間不變條件下，隨著焊接電流的增加，焊接時(shí)的熱輸入量增大。焊接電流在3.0～5.8 kA時(shí)，焊接熱輸入量太小，焊點(diǎn)無(wú)法形核；焊接電流在6.0～6.4 kA時(shí)，熱輸入量增大，熔化金屬量增多，形成了熔核，但焊點(diǎn)熔核直徑仍較小，發(fā)生結(jié)合面界面斷裂。焊接電流在6.4～7.7 kA時(shí)，焊接熱輸入量進(jìn)一步增大，熔核直徑增大（[≥4t]），點(diǎn)焊接頭能夠承受的拉剪力也逐漸增大，熔核直徑由部分凸臺(tái)斷裂到完全凸臺(tái)斷裂。焊接電流>7.7 kA，將產(chǎn)生焊接飛濺，減少焊點(diǎn)處熔化金屬量，導(dǎo)致熔核尺寸減小，此時(shí)若繼續(xù)增大焊接電流將產(chǎn)生更大的飛濺，引起熔核尺寸進(jìn)一步減小。

該材料具有較好的可焊接性能。這與母材的成分有關(guān)。碳當(dāng)量（Carbon Equivalent）是反映鋼種化學(xué)成分對(duì)硬化程度的影響，它是把鋼中合金元素（包括碳）按對(duì)脆硬（包括冷裂、脆化等）的影響程度折合成碳的相當(dāng)含量。世界各國(guó)根據(jù)具體情況建立的許多碳當(dāng)量公式。新開發(fā)的DH600具有較低的碳含量（C≤0.1%），而傳統(tǒng)的國(guó)際焊接學(xué)會(huì)推薦的CE（IIW）和日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JIS）的碳當(dāng)量計(jì)算公式Ceq（JIS）均適用于碳的碳含量偏高的（C≥0.18%）低合金高強(qiáng)鋼。日本鈴木和百合岡等人通過(guò)大量試驗(yàn)，提出的碳含量適用范圍為0.034%～0.254%的碳當(dāng)量公式（2）[8]：

[CEN=C+fCSi24+Mn6+Cu15+Ni20+? ? ? ? ? ? （Cr+Mo+Nb+V）5+5B]（2）

式中，[fC=0.75+0.25tanh {20C-0.12}]；元素符號(hào)代表元素量。

通過(guò)上述公式（2）計(jì)算，新開發(fā)DH600鋼板的CEN=0.21，傳統(tǒng)DP590鋼板的CEN=0.23。盡管DH600增加了Si元素，但由于降低了C元素的添加，且略微降低了Mn+Cr+Mo的添加量，使其碳當(dāng)量CEN略有下降，故而其表現(xiàn)出更好的焊接性。

3.2 點(diǎn)焊接頭力學(xué)性能結(jié)果分析

最大、最小電流下的剪切拉伸與十字拉伸試驗(yàn)檢測(cè)均值結(jié)果如表4所示，拉伸曲線如圖5所示。在焊接工藝窗口內(nèi)，隨著焊接電流增大，剪切試樣和十字拉伸試樣的破壞力均呈現(xiàn)升高趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著焊接電流的逐漸增加，熱輸入量增大，熔核直徑增大，使得點(diǎn)焊接頭連接強(qiáng)度提高所致。

最大、最小電流下的剪切拉伸與十字拉伸試驗(yàn)焊點(diǎn)的斷裂模式如圖6所示。對(duì)于剪切拉伸試驗(yàn)，當(dāng)在最小焊接電流時(shí)試樣焊點(diǎn)的斷裂位置出現(xiàn)在兩塊試板搭接的界面處（圖6a），說(shuō)明此時(shí)焊點(diǎn)強(qiáng)度較低；當(dāng)在最大焊接電流時(shí)，拉剪過(guò)程中焊點(diǎn)將被從一側(cè)母材中拔出（圖6b），說(shuō)明此時(shí)焊點(diǎn)處的強(qiáng)度高于母材。而十字拉伸試驗(yàn)的最小電流和最大電流下，焊點(diǎn)均從一側(cè)母材中拔出，即均為凸臺(tái)斷裂。

3.3 點(diǎn)焊接頭組織與顯微硬度結(jié)果分析

焊點(diǎn)橫截面宏觀組織如圖7所示，可見(jiàn)焊點(diǎn)可明顯區(qū)分為3個(gè)區(qū)域，分別為熔核區(qū)（Nugget）、熱影響區(qū)（Heat Affected Zone，HAZ）和母材（Base Material，BM），熔核區(qū)和熱影響區(qū)因?yàn)槭艿綗嶙饔闷浣M織與母材組織有明顯的差別，最大電流Imax的掃描電鏡微觀組織見(jiàn)圖8。

熔核區(qū)的微觀組織為粗大的板條狀馬氏體，呈柱狀晶形態(tài)。其形成原因?yàn)辄c(diǎn)焊時(shí)在電極壓力和熱量的雙重作用下，被焊材料獲得了塑性變形能和熱能，這兩種能量使電極接觸部位的原子能激活，逐漸形成了熔化核心，成為熔核，熔核中的液態(tài)金屬在電動(dòng)力的作用下強(qiáng)烈地進(jìn)行攪拌，使得熔核內(nèi)的金屬成分均勻化，結(jié)合界面消失。停止加熱后，核心處的液態(tài)金屬以自由能最低的熔核邊界半熔化晶粒表面為結(jié)晶核心，并以枝晶形態(tài)沿著散熱梯度最大方向的反方向，即向熔核內(nèi)部生長(zhǎng) 因此馬氏體呈柱狀晶的形態(tài)[9]；同時(shí)由于點(diǎn)焊電極冷卻速率遠(yuǎn)大于馬氏體轉(zhuǎn)變的臨界速率，因此熔核區(qū)在冷卻過(guò)程中形成粗大的板條狀馬氏體，見(jiàn)圖8a所示。

熱影響區(qū)的顯微組織為塊狀馬氏體+鐵素體，由于加熱過(guò)程中形成較多的奧氏體，冷卻后形成了較多的塊狀馬氏體，見(jiàn)圖8b。母材組織由純凈的鐵素體和彌散分布的馬氏體組成，圖8c。

Imax、Imin下點(diǎn)焊接頭各區(qū)域維氏硬度分布曲線如圖9所示，最大、最小電流下點(diǎn)焊接頭各區(qū)域?qū)?yīng)的硬度差異不大，熔核區(qū)平均硬度分別為 320HV、321HV，平均硬度最高，且硬度分布比較均勻；母材區(qū)Imax、Imin平均硬度為170HV、171HV，平均硬度最低，且硬度分布也比較均勻；熱影響區(qū)Imax、Imin平均硬度為203HV、207HV，硬度分布差異較大，但未發(fā)生軟化行為。顯微組織形態(tài)與含量直接影響接頭硬度，熔核區(qū)馬氏體形態(tài)為粗大板條狀，因此硬度最高。母材中馬氏體呈島狀分布于鐵素體基體中，其含量遠(yuǎn)低于鐵素體，因此其硬度值相對(duì)較低。而熱影響區(qū)的硬度呈線性變化，由母材側(cè)到熔核側(cè)硬度急劇增大，這是因?yàn)闊嵊绊憛^(qū)內(nèi)不同位置受到的熱輸入有差異，靠近熔核區(qū)的位置熱輸入量大，加熱過(guò)程中形成的奧氏體量多，導(dǎo)致隨后的冷卻過(guò)程中形成更多的馬氏體，硬度更高，而靠近母材的位置熱輸入量少，加熱過(guò)程中形成的奧氏體量少，導(dǎo)致隨后冷卻過(guò)程中形成較少的馬氏體，硬度較低[10]。

3.4 電極壽命結(jié)果分析

電極銅合金和鋅之間具有較強(qiáng)的親和力，點(diǎn)焊過(guò)程中熔核鋅與銅電極形成合金層，使銅電極軟化溫度降低，合金層在焊接過(guò)程中不斷形成和消除，使點(diǎn)焊電極損耗，直至失效。本材料2 000個(gè)焊點(diǎn)的熔核直徑變化見(jiàn)圖10所示，在Imax條件下的2 000個(gè)焊點(diǎn)的電極壽命試驗(yàn)中，焊點(diǎn)熔核直徑均大于5.1 mm（[4t]），該材料具有較好的耐電極磨損性能。

2 000個(gè)焊點(diǎn)表面狀態(tài)如圖11所示，按照SEP1220-2標(biāo)準(zhǔn)，表面評(píng)價(jià)分為5個(gè)等級(jí)：OF1-樣板表面沒(méi)有飛濺，OF2-樣板表面極少飛濺，OF3-偶爾表面飛濺，OF4-中等表面飛濺，OF5-嚴(yán)重表面飛濺。經(jīng)評(píng)定，本材料2000個(gè)焊點(diǎn)樣板均為OF1級(jí)，即樣板表面均無(wú)飛濺。

4 結(jié)論

a.確定了高成形性熱鍍鋅DH600的電阻點(diǎn)焊電流工藝窗口，最小焊接電流為6.4 kA，最大焊接電流為7.7 kA，焊接電流窗口區(qū)間為1.3 kA。該材料具有較好的焊接性能，這與母材的化學(xué)成分有關(guān)，碳當(dāng)量CEN=0.21， 略低于傳統(tǒng)DP590的CEN=0.23，盡管DH600增加了Si元素量，但由于降低了C元素量，且略微降低了Mn+Cr+Mo的添加量，使其碳當(dāng)量CEN略有下降，故而其表現(xiàn)更好的焊接性。

b.在焊接工藝窗口內(nèi)，隨著焊接電流增大，剪切試樣和十字拉伸試樣的破壞力均呈現(xiàn)升高趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著焊接電流的逐漸增加，熱輸入量增大，熔核直徑增大，使得點(diǎn)焊接頭連接強(qiáng)度提高所致。

c.DH600點(diǎn)焊接頭熔核區(qū)顯微組織為粗大板條狀馬氏體，馬氏體呈現(xiàn)柱狀晶形態(tài)，熱影響區(qū)顯微組織為塊狀馬氏體+鐵素體。

d.顯微硬度試驗(yàn)顯示：DH600點(diǎn)焊接頭熔核區(qū)硬度（HV）為359～384，熱影響區(qū)硬度（HV）為212～386，母材硬度（HV）為191～220，熱影響區(qū)未發(fā)生軟化現(xiàn)象。

e.在最大電流下連續(xù)焊接2 000個(gè)焊點(diǎn)，焊點(diǎn)熔核直徑均滿足要求（[≥4t]），且焊點(diǎn)均無(wú)飛濺，說(shuō)明DH600鋼板材料具有較好的耐電極磨損性能。

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