孫臣玉 潘 華 雷 鳴 丁 凱 王遠(yuǎn)方 高玉來

(1.省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室、上海市鋼鐵冶金新技術(shù)開發(fā)應(yīng)用重點實驗室和上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200072；2.寶山鋼鐵股份有限公司研究院汽車用鋼研究所，上海 201900； 3.汽車用鋼開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)國家重點實驗室，上海 201900)

在科技與信息加速發(fā)展的時代，汽車已經(jīng)成了人們生活方式中必不可缺少的交通工具，加快了人們的生活節(jié)奏。隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，能源消耗與環(huán)境污染等問題日益加重[1- 2]。汽車質(zhì)量每降低10%，汽車的油耗就會下降8%，汽車尾氣排放量減少4%[3- 4]，這表明通過降低汽車整體的質(zhì)量能有效達(dá)到節(jié)能減排的要求。因此，自20世紀(jì)90年代初開始，汽車輕量化就成為人們研究熱點[5]。

汽車輕量化技術(shù)可分為3類：結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化、輕量化材料的設(shè)計和先進工藝的探究[6]。輕量化材料的研究和設(shè)計是目前輕量化領(lǐng)域的主流方向[7- 9]。汽車用材料中，鋼鐵材料以65%的比例占據(jù)最重要的位置。與鋁合金相比，高強度鋼不僅具有可觀的減重潛力，而且在成本與性能方面具有一定的優(yōu)勢，是滿足車身輕量化、提高碰撞安全性的優(yōu)選材料之一[10]。隨著研究水平的不斷提高，汽車用鋼已經(jīng)發(fā)展到了第3代。以中錳鋼為代表的第3代汽車用鋼的價格與第1代汽車用鋼相當(dāng)，其性能接近于第2代汽車用鋼，即第3代汽車用鋼同時滿足了人們對于價格與性能的要求，所以在研發(fā)與生產(chǎn)過程中，第3代汽車用鋼已經(jīng)成為研究者關(guān)注的熱點[11]。

在工業(yè)生產(chǎn)中，高強鋼零件通過各種連接技術(shù)拼裝成小總成乃至整車。連接技術(shù)主要包括機械連接、焊接、釬接和膠接等。其中電阻點焊具有生產(chǎn)效率高、易于集成化、自動化等優(yōu)點，在汽車領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計，一輛汽車上點焊的焊點數(shù)可以達(dá)到2 000～5 000個[12]。汽車的碰撞安全性體現(xiàn)在事故發(fā)生過程中以及事故發(fā)生之后，最大程度地減輕乘員損傷的性能，其對汽車零部件焊點的完整性有嚴(yán)格要求，焊點力學(xué)性能決定了接頭的承載性，因此電阻點焊接頭失效已被確定為汽車焊點的主要失效模式之一[13]。根據(jù)焊接冶金學(xué)理論，電阻點焊的力學(xué)性能在宏觀上與熔核尺寸相關(guān)，在微觀上與熔核區(qū)的微觀組織相關(guān)。減少點焊缺陷[14]、增加熔核直徑[15]、細(xì)化晶粒[16- 17]等都可以提高電阻點焊焊接點的力學(xué)性能。因此，研究不同焊接條件下中錳鋼電阻點焊后的組織具有重要的實際意義。

1 試驗材料與方法

試驗用中錳鋼的化學(xué)成分見表1，牌號為7Mn鋼，碳當(dāng)量為0.52%。電阻點焊的電極壓力為5.5 kN，焊接電流為8.6 kA。選取保載時間分別為100與400 ms的焊接試樣進行對比，并分別標(biāo)記為1號與2號。中錳鋼鋼板的尺寸為150 mm×50 mm×1.4 mm，在電阻點焊試樣的正中心切取尺寸為17 mm×17 mm×1.4 mm的區(qū)域以取出電阻點焊接頭，并將該取出部分縱剖為二，所得試樣的最終尺寸為17 mm×8.5 mm×1.4 mm，見圖1。

表1 7Mn鋼的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of 7Mn steel (mass fraction) %

圖1 電阻點焊的中錳鋼(a)原始試樣和(b)焊接接頭部位Fig.1 Original specimen and (b) welded joint position of resistance spot welded medium- manganese steel

采用Zeiss Axio Imager A2m型正置萬能金相顯微鏡、荷蘭飛納公司的Phenom ProX掃描電子顯微鏡以及VEGA 3 SBH- Easy Probe掃描電子顯微鏡(SEM)對焊接接頭的組織進行表征。利用能譜面掃描確定元素種類及其分布，并利用三維重構(gòu)對樣品的缺陷區(qū)域進行更加直觀的表征。

2 結(jié)果與討論

2.1 電阻點焊接頭組織分析

圖2為1號電阻點焊試樣的全景金相圖，保載時間為100 ms。從圖2中可以看出，電阻點焊接頭分為3個區(qū)域：母材、熱影響區(qū)和熔核區(qū)，熔核區(qū)與熱影響區(qū)的交界線為熔核線。試驗表明，電阻點焊中錳鋼焊接接頭力學(xué)性能的薄弱區(qū)域為熔核區(qū)，所以對電阻點焊試樣的熔核區(qū)進行重點研究。如圖2所示，在1號電阻點焊試樣的熔核區(qū)的A、B處發(fā)現(xiàn)了缺陷。

圖2 1號電阻點焊試樣的全景金相圖Fig.2 Overall metallographic image of resistance spot welded specimen No.1

為了確定缺陷類型，對A、B區(qū)域作進一步表征，結(jié)果如圖3所示。從圖3(b)、3(e)三維重構(gòu)圖可以看出，A、B區(qū)域處的缺陷為凝固縮松。并且從該試樣的全景金相圖可以看出，這兩處的縮松均分布在電阻點焊接頭的中心線處，為典型的中心線凝固縮松?？s松A沿板厚方向的長度約60 μm，最大深度約5 μm；縮松B沿板厚方向的長度約200 μm，最大深度約28 μm，其尺寸較縮松A更大。

在電阻點焊過程中，試樣由于焊接電流的作用產(chǎn)生電阻熱，在焊接區(qū)形成液態(tài)熔核。通電結(jié)束后，熔化的液態(tài)金屬以柱狀晶的形式從半熔化的母材表面向熔核中心凝固結(jié)晶，由于保載時間過短、焊接壓力不足或者焊接熱量不足等原因[18]，金屬收縮后形成的孔洞未能得到液態(tài)金屬足夠的補充，從而形成縮松，導(dǎo)致焊核力學(xué)性能降低[19- 21]。

利用掃描電子顯微鏡對A、B區(qū)域的凝固縮松進行面掃描，以便對1號試樣熔核區(qū)的縮松作進一步分析，結(jié)果如圖3(c)、3(f)所示。為了防止磨拋過程中外界雜質(zhì)的影響，使用乙醇對磨拋后的試樣進行超聲波振蕩清洗，每次清洗10 min， 共清洗5次。由圖3(c)、 3(f)可知， A、B兩處的縮松出現(xiàn)了碳元素的富集。

圖3 1號試樣A區(qū)域(a～c)和B區(qū)域(d～f)的(a、d)局部放大圖、(b、e)三維重構(gòu)圖和(c、f)面掃描能譜圖Fig.3 (a,d) Partially enlarged view, (b,e) 3D reconstruction map and (c,f) surface scanning energy spectrum of zones A (a～c) and B (d～f) of specimen No.1

產(chǎn)生元素富集主要是因為在電阻點焊后的冷卻過程中，熔核內(nèi)液態(tài)金屬凝固為非平衡凝固，已經(jīng)結(jié)晶的固相會向熔化的液相中排出一部分溶質(zhì)原子。由于電阻點焊凝固過程中的液相沒有對流或者外界的攪拌，因此無法將固相排出的溶質(zhì)原子快速地輸送到遠(yuǎn)處的液相中，在固液界面附近的液相中形成了濃度梯度。由于擴散速度小，所以在固液界面前沿的液相中形成了元素富集，伴隨著柱狀晶的不斷長大以及固液界面向液相中快速推移，溶質(zhì)原子不斷被推向最后的熔核中心，富集程度也越來越大，當(dāng)最后凝固的區(qū)域得不到充分的液體補充時，就在縮松處形成了元素富集[22]。

為了消除中錳鋼電阻點焊熔核區(qū)處的縮松，將電阻點焊的保載時間由原來的100 ms延長至400 ms，得到2號試樣，其全景金相圖如圖4所示。對比100與400 ms電阻點焊試樣的全景金相圖(圖2與圖4)可知，當(dāng)電阻點焊的保載時間延長至400 ms之后，熔核區(qū)中心線附近的縮松基本得以消除，達(dá)到了預(yù)期效果，說明延長保載時間有利于消除點焊接頭的縮松。

圖4 2號電阻點焊試樣的全景金相圖Fig.4 Overall metallographic image of resistance spot welded specimen No.2

縮松得以消除的原因分析如下：一個完整的電阻點焊過程包括預(yù)壓階段、焊接階段和維持階段3個時序。保載時間的延長實際上是增加了維持階段的時間。焊接階段是焊件加熱熔化形成液態(tài)熔核的階段，維持階段不再輸入熱量，液態(tài)熔核快速冷卻結(jié)晶。由于熔核體積小，且夾持在水冷電極間，冷卻速度較高，一般在幾周波時間內(nèi)凝固結(jié)束。如果無外力維持或者外力維持時間過短，液態(tài)收縮與凝固收縮時將產(chǎn)生三向拉應(yīng)力，最后凝固的部分得不到足夠的液體補充，容易產(chǎn)生縮松、縮孔等缺陷。然而，延長保載時間意味著在電阻點焊冷卻的過程中，熔核承受更長時間的電極壓力，使熔核凝固引起的收縮量得到更多補償，且提高熔核的凝固速度，減少乃至消除中心線凝固縮松的產(chǎn)生。

2.2 熔核區(qū)柱狀晶組織分析

由圖5可以看出，電阻點焊中錳鋼試樣熔核區(qū)的組織為柱狀晶。在電阻點焊冷卻的過程中，熔核內(nèi)液態(tài)金屬沿與散熱方向相反的方向以枝晶形式向熔核心部長大。這是由于水冷電極及焊點周圍的母材具有較好的散熱作用，使熔核中的液態(tài)金屬過冷，并以自由能最低的熔核邊界半熔化狀態(tài)晶粒表面為晶核開始結(jié)晶。雖然在結(jié)晶前沿液體有適當(dāng)?shù)倪^冷度，但此過冷度不足以生成新的晶核，離柱狀晶前沿稍遠(yuǎn)處的液態(tài)金屬尚處于過熱狀態(tài)，無法另行生核，因此結(jié)晶需要靠晶粒的繼續(xù)長大來進行；晶粒長大方向沿與散熱方向相反的方向以枝晶形式向熔核心部成長，因為這個方向溫度梯度最大[23]。晶體的長大速度是各向異性的，一次晶軸方向長大速度最大，但是由于散熱條件的影響，只有那些一次晶軸方向平行于最大溫度梯度的晶粒長大最快，迅速地并排優(yōu)先長入液體中。由于這些優(yōu)先生長的晶粒并排向液體中生長，側(cè)面受到彼此的限制而不能側(cè)向生長，只能沿與散熱方向相反的方向生長，從而形成了柱狀晶區(qū)。但當(dāng)沿不同方向生長的兩組柱狀晶相遇時，則會形成柱晶間界。

圖5 2號電阻點焊試樣的熔核區(qū)柱狀晶組織Fig.5 Columnar microstructure in nugget zone of resistance spot welded specimen No.2

3 結(jié)論

(1)保載時間為100 ms的1號試樣的熔核區(qū)處出現(xiàn)了長度分別約為60與200 μm的凝固縮松，在縮松處伴有元素富集的現(xiàn)象，且縮松均分布在電阻點焊接頭的中心線處。而保載時間為400 ms的2號試樣的熔核區(qū)處未發(fā)現(xiàn)縮松，說明延長電阻點焊的保載時間可以減少乃至消除中心線凝固縮松的產(chǎn)生，有利于提高焊接接頭的力學(xué)性能。

(2)電阻點焊接頭的熔核區(qū)為柱狀晶組織，受散熱方向的影響，柱狀晶主要沿板材的厚度方向生長。