王鵬博 張永強(qiáng) 付參 伊日貴 鞠建斌 楊建煒

摘要：采用固定式中頻逆變電阻點(diǎn)焊機(jī)對(duì)2.2 mm板厚HR800CP復(fù)相高強(qiáng)鋼進(jìn)行焊接，研究了該工藝下鋼板的焊接電流窗口、焊點(diǎn)顯微組織、力學(xué)性能和電極壽命，評(píng)價(jià)其電阻點(diǎn)焊焊接特性。結(jié)果表明，其焊接窗口為1.8 kA，滿足使用要求。最大電流焊點(diǎn)的最大剪切力和十字抗拉力為28 212.9 N和16 917.2 N，較最小電流焊點(diǎn)的提高了14.4%和22.35%。以最大焊接電流連續(xù)焊接500個(gè)點(diǎn)后，焊核尺寸為6.30 mm，依舊大于最小焊核尺寸（5.93 mm），電極的使用壽命超過(guò)500個(gè)焊點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：復(fù)相鋼;電阻點(diǎn)焊;電流窗口;力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TG457.11? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）11-0067-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.11.12

0? ? 前言

節(jié)能減排已成為汽車工業(yè)應(yīng)對(duì)環(huán)境污染的首要問(wèn)題，車身輕量化是限制有害氣體排放和降低燃料消耗的重要措施。汽車制造商的另一個(gè)重要目標(biāo)是提高乘客的安全性，因此許多車身部件應(yīng)具有較高的耐撞性。高強(qiáng)度鋼提供了更高的極限強(qiáng)度和良好的延展性，越來(lái)越多地應(yīng)用于制造汽車車身及結(jié)構(gòu)件[1-2]。

復(fù)相鋼是第一代先進(jìn)高強(qiáng)鋼的一種，其顯微組織為鐵素體/貝氏體基體上包含少量的馬氏體、殘余奧氏體和珠光體，通過(guò)抑制再結(jié)晶或微合金元素的析出使晶粒尺寸顯著細(xì)化。復(fù)相鋼與高強(qiáng)度低合金單相鋼相比具有更好的強(qiáng)塑性，與相同抗拉級(jí)別的雙相鋼相比具有更高的屈服強(qiáng)度，復(fù)相鋼的特性具有更高的碰撞吸收能、高殘余變形能力和高擴(kuò)孔能力，可用于制造防撞梁、底盤件、防撞梁、B柱加強(qiáng)板等[3-5]。

高強(qiáng)鋼常見的焊接問(wèn)題有三個(gè)方面：熱影響區(qū)的軟化、熱影響區(qū)的脆化以及焊接冷裂紋。在焊接熱循環(huán)中，焊接熱影響區(qū)在高溫區(qū)域會(huì)停留一段時(shí)間，焊接熱影響區(qū)過(guò)熱區(qū)的溫度將達(dá)到約1 400 ℃，奧氏體晶粒由于過(guò)熱嚴(yán)重粗化，甚至發(fā)生局促軟化和脆化的現(xiàn)象[3-5]，粗大的晶粒會(huì)使得焊接構(gòu)件的力學(xué)性能下降。

目前對(duì)復(fù)相高強(qiáng)鋼的焊接工藝有一些研究， 但較多集中在激光焊和電弧焊，電阻點(diǎn)焊的報(bào)道不多。文中對(duì)板厚為2.2 mm的HR800CP復(fù)相高強(qiáng)鋼進(jìn)行了電阻點(diǎn)焊焊接試驗(yàn)，研究了該鋼種的可焊電流范圍、金相組織、焊點(diǎn)的力學(xué)性能，并對(duì)點(diǎn)焊過(guò)程中電極的使用壽命進(jìn)行了評(píng)估。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用鋼板為HR800CP熱軋酸洗復(fù)相高強(qiáng)鋼，厚度2.2 mm。鋼板的主要化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1、表2。試驗(yàn)采用OBARA DB-220型固定式中頻逆變點(diǎn)焊機(jī)，標(biāo)稱功率為220 kVA，電極端面直徑為6 mm （電極材料為鉻鋯銅），母材顯微組織見圖1。

1.2 焊接試驗(yàn)

電阻點(diǎn)焊焊接工藝中，對(duì)點(diǎn)焊接頭質(zhì)量影響最大的工藝參數(shù)有焊接電流、焊接時(shí)間、保持時(shí)間、電極壓力等，試驗(yàn)主要考查焊接電流對(duì)HR800CP復(fù)相高強(qiáng)鋼接頭質(zhì)量的影響。根據(jù)美國(guó)通用公司GWS-5A焊接規(guī)范，該厚度鋼種采用三段連續(xù)脈沖焊接，每次試驗(yàn)每段焊接電流和焊接時(shí)間均一樣，按照規(guī)范測(cè)試出焊接時(shí)間分別為110 ms、120 ms、130 ms的電流窗口，焊接工藝參數(shù)如表3所示。

1.3 金相組織和硬度測(cè)試

點(diǎn)焊接頭試樣焊接成形后，用線切割方式取點(diǎn)焊接頭焊點(diǎn)的最大橫截面制備標(biāo)準(zhǔn)金相試樣，經(jīng)鑲嵌、研磨、拋光后用濃度為4%的硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕，采用 Leica DMI5000M 型金相顯微鏡觀察焊點(diǎn)宏觀形貌和微觀組織，通過(guò)Leica HXD-1000TM 型顯微硬度測(cè)試儀測(cè)量點(diǎn)焊焊接接頭不同區(qū)域的顯微硬度，加載載荷為1.96 N，加載時(shí)間為15 s。

1.4 力學(xué)性能測(cè)試

用 Zwick-Z100型拉伸設(shè)備在室溫下測(cè)試焊點(diǎn)剪切性能和十字拉伸性能，拉伸速率為5 mm/min。剪切拉伸試樣和十字拉伸試樣如圖2、圖3所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 焊接電流窗口

對(duì)HR800CP復(fù)相高強(qiáng)鋼試樣進(jìn)行點(diǎn)焊，對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行剝離實(shí)驗(yàn)，測(cè)量其焊核直徑。在最大焊接時(shí)間130 ms下，由小電流值以100 A的步進(jìn)遞增，直至焊核直徑達(dá)到d=4? ? ? （t為板厚，即5.93 mm），此時(shí)焊接電流為焊接時(shí)間130 ms最小電流Imin，確定A點(diǎn);由A點(diǎn)焊接電流開始，將焊接時(shí)間改為120 ms，焊接電流以100 A的步進(jìn)遞增，直至焊核直徑達(dá)到5.93 mm，此時(shí)焊接電流為焊接時(shí)間120 ms最小電流Imin，確定B點(diǎn);由B點(diǎn)焊接電流開始，將焊接時(shí)間改為110 ms，焊接電流以100 A的步進(jìn)遞增，直至焊核直徑達(dá)到5.93 mm，此時(shí)焊接電流為焊接時(shí)間110 ms最小電流Imin，確定C點(diǎn)。由C點(diǎn)焊接電流+200 A開始，將焊接時(shí)間改為130 ms，焊接電流以200 A的步進(jìn)遞增，至焊核飛濺，第一個(gè)飛濺焊接電流為焊接時(shí)間130 ms最大電流Imax，確定D點(diǎn);由D點(diǎn)焊接電流+200 A開始，將焊接時(shí)間改為120 ms，焊接電流以200 A的步進(jìn)遞增，至焊核飛濺，第一個(gè)飛濺焊接電流為焊接時(shí)間120 ms最小電流Imax，確定F點(diǎn);由F點(diǎn)焊接電流+200 A開始，將焊接時(shí)間改為110 ms，焊接電流以200 A的步進(jìn)遞增，至焊核飛濺，第一個(gè)飛濺焊接電流為焊接時(shí)間110 ms最大電流Imax，確定E點(diǎn);G點(diǎn)焊接電流為E點(diǎn)焊接電流減去200 A。

通過(guò)試驗(yàn)確定的2.2 mm板厚HR800CP復(fù)相高強(qiáng)鋼的焊接窗口如圖4所示，在焊接時(shí)間分別為110 ms、120 ms、130 ms的焊接電流窗口均為1.8 kA，高于GWS-5A焊接規(guī)范要求的1.0 kA，表明該鋼種能夠在較大的電流范圍內(nèi)獲得滿足要求的焊核直徑，具有良好的焊接性能。

2.2 焊點(diǎn)金相組織

焊點(diǎn)宏觀組織照片如圖5所示，焊核區(qū)呈“ 橢圓 ”形，外側(cè)環(huán)繞其周圍顏色較淺部分為熱影響區(qū)，熱影響區(qū)外側(cè)相鄰顏色較深部分為母材區(qū)。可以看出，在最小電流焊核中心容易出現(xiàn)縮孔，電流小，熱輸入小，冷卻速率快，焊核中心還未擴(kuò)展已凝固，而增大電流可有效抑制縮孔的產(chǎn)生。

2.3 焊點(diǎn)顯微硬度

焊點(diǎn)顯微硬度是影響接頭失效模式的內(nèi)在因素，因此對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行顯微硬度分析。如圖6所示，在橫斷面上從母材一側(cè)經(jīng)過(guò)焊縫到母材另一側(cè)，每隔200 μm 打一個(gè)硬度點(diǎn)。

焊點(diǎn)的顯微硬度分布如圖7所示。焊縫區(qū)的顯微硬度約為350 HV，遠(yuǎn)高于母材區(qū)的160 HV，熱影響區(qū)的顯微硬度從靠近母材區(qū)至靠近焊核區(qū)域出現(xiàn)快速的增長(zhǎng)，軟化區(qū)域較小。最小電流焊點(diǎn)（A、B、C）顯微硬度在350～400 HV，較為穩(wěn)定;而最大電流焊點(diǎn)（D、E、F）顯微硬度在300～400 HV，波動(dòng)較大。分析原因是：隨著焊接電流的增大，熱輸入增加，過(guò)冷度降低，焊核區(qū)馬氏體粗大，因此最小電流焊縫區(qū)顯微硬度略高于最大電流焊縫區(qū)硬度;同時(shí)，熱輸入的增加使得焊點(diǎn)增大，焊點(diǎn)組織分布不均勻，造成最大電流焊點(diǎn)區(qū)域顯微硬度波動(dòng)較大。

2.4 焊點(diǎn)力學(xué)性能

在點(diǎn)焊接頭中，抗拉強(qiáng)度是重要的特性。抗拉強(qiáng)度有在剪切方向上負(fù)載拉伸載荷來(lái)進(jìn)行判定的抗拉伸剪切力（TSS），在剝離方向上負(fù)載拉伸載荷來(lái)測(cè)定的十字抗拉力（CTS）。最小電流焊點(diǎn)和最大電流焊點(diǎn)的剪切拉伸性能、十字拉伸性能如表4所示。

最小電流焊點(diǎn)的平均抗剪切力、十字抗拉力分別為28 212.9 N和16 917.2 N，最大電流焊點(diǎn)的平均抗剪切力、十字抗拉力分別為32 279.9 N和20 698.3 N，分別提高了14.4%和22.35%。

最大電流和最小電流十字拉伸試樣焊點(diǎn)的失效模式均為紐扣失效，一片試樣的焊核部位被撕裂拔出一個(gè)孔洞，另一片試樣上保留著完整的焊核，斷裂發(fā)生在熱影響區(qū)靠近母材的過(guò)渡區(qū)域，說(shuō)明焊點(diǎn)力學(xué)性能良好，熱影響區(qū)靠近母材的過(guò)渡區(qū)域?yàn)楸∪鯀^(qū)域。

最大電流和最小電流剪切拉伸試樣焊點(diǎn)的失效模式為界面失效，但是最大電流剪切拉伸最大力高于最小電流。在電阻點(diǎn)焊中，焊接時(shí)間和焊接電流是影響焊接熱輸入的重要因素，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，因此焊核尺寸隨焊接電流的增加而增大，焊核尺寸的增加，使焊點(diǎn)的承載面積、界面結(jié)合力增加，從而提高了焊點(diǎn)的剪切力。

2.5 電極壽命

對(duì)鋼板進(jìn)行電極壽命試驗(yàn)，點(diǎn)焊電流為9.2 kA。在125 mm×400 mm板子上，48個(gè)一組，剩下2個(gè)焊一組，第50個(gè)做撕裂試驗(yàn)，測(cè)量焊核尺寸并記錄，結(jié)果如圖8所示。

研究表明[6-7]，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，電極端面由于反復(fù)加熱和機(jī)械沖擊磨損加劇，降低了電阻點(diǎn)焊焊接時(shí)的電流密度和熱輸入，焊核尺寸的變化趨勢(shì)是逐漸減小。

當(dāng)焊到第500個(gè)點(diǎn)時(shí)，電極頭鐓粗現(xiàn)象嚴(yán)重，此時(shí)焊點(diǎn)焊核的直徑為6.30 mm，仍然大于焊點(diǎn)最小要求直徑5.93 mm。在最大焊接電流下，連續(xù)焊接500個(gè)焊點(diǎn)時(shí)，焊點(diǎn)焊核的直徑仍然大于最小焊核直徑，即電極的使用壽命超過(guò)500個(gè)焊點(diǎn)。

3 結(jié)論

（1）2.2 mm板厚HR800CP復(fù)相高強(qiáng)鋼的電阻點(diǎn)焊焊接電流窗口為1.8 kA，滿足使用要求。

（2）最小電流焊點(diǎn)的平均剪切力和十字抗拉力分別為28 212.9 N和16 917.2 N，最大電流焊點(diǎn)的平均剪切力和十字抗拉力分別為32 279.9 N和20 698.3 N，最大焊接電流焊點(diǎn)最大剪切力、正拉力分別比最小焊接電流提高了14.4%和22.35%。

（3）以最大焊接電流連續(xù)焊接500個(gè)點(diǎn)后，焊核尺寸依舊大于臨界焊核尺寸，電極的使用壽命超過(guò)500個(gè)焊點(diǎn)。

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