王立剛

摘 要：（超）高強鋼由于其優(yōu)異的力學性能，在汽車中的應用逐年增加，必須對其焊接行為進行研究。以最新型2 000 MPa級PHS2000汽車鋼進行電阻點焊試驗，建立了其焊接工藝窗口，并對力學性能和微觀組織進行了分析。結果顯示該高強鋼具有較大的可焊工藝窗口，在230、200 和170 ms條件下，焊接電流范圍分別為6.6～11.4、7.6～11.8和8.8～12.2 kA。焊后焊點內部形成了針狀馬氏體結構，硬度與母材相比有所提升。在熱影響區(qū)中則形成了鐵素體與馬氏體的混合組織，其平均硬度值為360 HV，低于母材水平。

關鍵詞：PHS2000；電阻點焊；微觀組織；力學性能

RESEARCH ON PHS2000 AUTOMOTIVE STEEL RESISTANCE SPOT WELDING PROCESS

Wang Ligang

（Zhuji Xinfu Entertainment Equipment Technology Co.， Ltd.? ? Zhuji? ? 311824，China）

Abstract：The application of high-strength steel in automobiles is increasing year by year due to its excellent mechanical properties， and its welding behavior must be investigated. In this paper， resistance spot welding experiments were conducted with the latest 2 000 MPa grade PHS2000 automotive steel to establish its welding process window and to analyze the mechanical properties and microstructure. The results show that the high-strength steel has a large weldable process window， with welding currents ranging from 6.6 to 11.4 kA， 7.6 to 11.8 kA and 8.8 to 12.2 kA at 230 ms， 200 ms and 170 ms， respectively. The welded joints form a pin-like martensitic structure in the fusion zone， with an increase in hardness compared to the base material. In the heat affected zone， a mixed ferrite and martensite structure was formed with an average hardness value of 360 HV， which is lower than the level of the base material.

Key words：PHS2000; resistance spot welding; microstructure; mechanical property

0? ? 前? ?言

汽車輕量化可以有效減少碳排放、增加新能源汽車續(xù)航里程，成為研究的焦點[1-2]。使用高強鋼和超高強鋼是降低車身重量的有效途徑，目前車身用高強鋼已經由980 MPa級別向1 500 MPa級擴展，未來2 000 MPa熱成形鋼的應用成為必然的趨勢[1-3]。采用更高強度的汽車鋼可以在保證強度的同時，使結構件更為輕薄[4-5]。據統(tǒng)計2 000 MPa熱成型鋼零件可以比現有1 500 MPa級別的鋼種進一步實現零件減重10%～15%[6]。

目前，國內外學者已經對2 000 MPa高強鋼的強韌化機制、氫致延遲斷裂行為、動態(tài)變形行為等進行了研究，實現了汽車鋼的制備以及結構件的初步生產[7-9]。然而，先進熱成形鋼在車身的應用離不開焊接技術支撐，對此，目前國內外學者都進行了廣泛的研究。主要的研究方法包括激光焊接、電弧焊接和電阻點焊等方法，通過對焊接參數進行優(yōu)化、對微觀組織進行觀察，以及對力學性能進行測試。針對1 500、1 800 MPa級熱成形鋼，目前研究結果表明，由于鋼的強度和硬度提升，會使其焊接工藝窗口減小、缺陷增加。最主要的是，由于熱循環(huán)的作用，焊后熱成形鋼原有的強化機制失效，不可避免的會出現熱影響區(qū)的軟化問題，這對熱成形鋼的應用提出了挑戰(zhàn)。

2 000 MPa熱成形鋼屬于國際領先技術，目前還極少在車身中得到應用，相關結構件設計和制作都處于先期研發(fā)階段。隨著力學性能的進一步提升，2 000 MPa熱成形鋼組織和性能與傳統(tǒng)鋼存在更為顯著的差異，其可焊性與焊后的力學性能均需要系統(tǒng)的試驗以進行評估。PHS2000是最新型的2 000 MPa級汽車熱成形高強鋼，電阻點焊是車身中應用最廣的焊接方法。因此，本論文針對PHS2000超高強鋼進行電阻點焊試驗。以車企焊接標準為參考，研究焊接工藝對力學性能、微觀組織、硬度的影響規(guī)律，建立相應的焊接工藝數據庫，為超高強度熱壓成型鋼在汽車行業(yè)的應用和結構件的焊接提供技術支持。

1? ? 試驗材料和方法

試驗所用材料為本鋼PHS2000，厚度均為

1.4 mm，化學成分如表1所示，原始微觀組織如圖2所示。

參考《Global Welding Standard Test Procedures： Resistance spot welding of steel GWS-5A》標準規(guī)范要求，根據1.4 mm板厚確定最大焊接時間230 ms；中等焊接時間200 ms；最小焊接時間170 ms；電極加載力3.6 kN。在不同焊接時間條件下，進行焊接實驗并采用十字拉伸、拉伸剪切實驗進行力學性能測試。對典型接頭局部微觀組織進行分析，并對維氏硬度進行測量以研究接頭軟化行為，測試點間距200 μm，載荷為50 kgf。

2? ? 結果與討論

首先對焊點尺寸、焊接過程進行觀察和測量，以確定PHS2000電阻點焊的焊接窗口值。窗口值得評定標準為：開焊工藝邊界為當焊點可以被徒手掰斷時，電流最小值A、B和C點；焊點尺寸最小值時（4 mm板厚的焊點直徑）為焊接窗口最小值，而當產生飛濺時判定為電流上限G、H和I。測試結果顯示，焊接時間分別為230、200 和170 ms時，分別在11.4、11.8和12.2 kA條件下分別產生明顯的焊接飛濺，對應窗口中G、H和I點，如圖3所示。進一步對接頭強度進行測試，首先確定徒手拉斷條件，以確定開焊區(qū)邊界線焊接電流為6.0、7.2和8.4 kA，分別為A、B和C點。

焊接結束后，對不同參數條件下的焊點橫截面進行觀察并對，尺寸進行測量，典型形貌如圖4所示。接頭分為焊核區(qū)、熱影響區(qū)和母材三個典型區(qū)域。焊點尺寸隨焊接電流變化的規(guī)律如圖5所示。從圖中可以看出，電流隨著焊接時間的增加，焊接成形所需的最小焊接電流也隨之提高。在相同焊接時間條件下，焊點尺寸隨著焊接電流的提高而整體呈線性增加，但當焊接電流較大時，其尺寸增長趨勢變緩。當達到焊接電流最大閾值時，由于飛濺的產生焊點直徑均有所減小。最終根據焊點尺寸對應焊接工藝標準，確定在230、200 和170 ms時，焊接工藝窗口分別為6.6～11.4、7.6～11.8和8.8～

12.2 kA，如圖3所示。

對典型230 ms焊接時間條件下的接頭進行力學性能測試，結果如圖6所示?？梢钥闯?，隨著焊接電流的增加，十字拉伸和剪切拉伸試驗其強度都呈線性增加，其中十字拉伸最高強度可以達到4.8 kN，而剪切拉伸試驗最高值為19.7 kN，其拉伸斷裂模式均為紐扣斷裂特征，滿足電阻點焊接頭失效模式要求。

采用光學顯微鏡進一步分析焊接接頭不同區(qū)域的組織，觀察區(qū)域如圖4 中a-f 點所示，a 為焊核區(qū)中心，b 為焊核靠近熔合區(qū)位置，c、d、e 為熱影響區(qū)從焊核往母材方向三個特征點，f 為母材。焊點截面微觀組織如圖7 所示。焊核區(qū)組織為馬氏體組織，熱影響區(qū)由于焊接熱循環(huán)的作用，其不同區(qū)域組織差異較大，靠近焊核區(qū)加熱溫度高于Ac3 溫度，冷卻后為粗大馬氏體組織，硬度值較高，而加熱溫度介于Ac1～Ac3 的區(qū)域，形成鐵素體與馬氏體的混合組織，硬度值明顯降低，形成軟化區(qū)。母材區(qū)沒有受到焊接熱量影響，為細晶馬氏體組織。

焊點硬度測試結果如圖8所示，母材（BM）平均硬度為467 HV，焊核（FZ）平均硬度為610 HV，熱影響區(qū)（HAZ）出現軟化現象，最低值為360 HV，形成明顯的軟化區(qū)。這是由于熱循環(huán)的作用下，高強鋼原有板材強化機制失效導致硬度相應的降低，成為接頭薄弱區(qū)域。軟化區(qū)的硬度值及其寬度受焊接參數影響顯著，對接頭整體力學性能表現有決定性作用。雖然高強鋼焊后不可避免的會存在熱影響區(qū)，但在力學性能測試中可以看出，焊點尺寸的增加可以提供足夠的強度，焊接接頭滿足車身等結構件的需求。

3? ? 結? ? 論

1）熱壓成型鋼PHS2000點焊接頭的熔核區(qū)顯微組織為馬氏體為主，熱影響區(qū)近母材一側由于F鐵素體析出，焊接窗口曲線范圍內，點焊接頭的破壞性試驗中焊點的失效形式為熔核拔出。

2）當采用最大焊接時間230 ms時，焊接電流從6.6 kA到11.4 kA；中等焊接時間200 ms，焊接電流從7.6 kA到11.8 kA；當采用最小焊接時間170 ms時，焊接電流從8.8 kA到12.2 kA。工藝窗口范圍內接頭失效形式均為紐扣式失效（韌性斷裂）。

3）焊接接頭的顯微硬度分布規(guī)律如下：熔核區(qū)的平均硬度為610 HV，從熔核邊界到母材熱影響區(qū)的硬度逐漸降低至最低360 HV。母材一側出現了熱影響區(qū)軟化現象，但接頭軟化區(qū)最大寬度在1.5 mm。金相組織分析發(fā)現是由于回火馬氏體和少量鐵素體存在，導致該區(qū)域顯微硬度降低。

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