摘要：采用不同工藝參數(shù)（焊接電流、焊接時間、電極力及保溫時間）進(jìn)行鋁硅鍍層22MnB5熱成形鋼電阻點(diǎn)焊試驗，分析各個工藝參數(shù)對焊點(diǎn)成形質(zhì)量的影響，并研究鋁硅鍍層鋼點(diǎn)焊接頭組織演變及其對性能的影響。結(jié)果表明：鋁硅鍍層鋼可焊性工藝窗口較窄。焊接電流與焊點(diǎn)時間對焊點(diǎn)熔核直徑影響較大，電極力對焊點(diǎn)壓痕深度影響較大。焊點(diǎn)熔核區(qū)顯微組織為粗大的馬氏體，硬度可達(dá)520 HV；熱影響區(qū)組織為鐵素體與馬氏體的復(fù)相組織，硬度約為310 HV。在焊點(diǎn)熔核直徑與壓痕深度均符合要求的情況下焊接質(zhì)量最佳的焊點(diǎn)在拉伸試驗中能夠以“熔核拔出”方式斷裂，斷裂力值可達(dá)質(zhì)量恰好合格焊點(diǎn)的兩倍。

關(guān)鍵詞：電阻點(diǎn)焊；鋁硅鍍層鋼；工藝窗口；力學(xué)性能

0 引言

汽車輕量化是實現(xiàn)節(jié)能減排的最有效途徑之一.車身結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)度鋼/超高強(qiáng)度鋼（Advanced high strength steel，AHSS），可以在提高碰撞安全性同時實現(xiàn)汽車輕量化［1］。熱成形鋼（Press hardened steel，PHS）是汽車制造過程中的主要材料之一，主要用于制造汽車車身安全結(jié)構(gòu)件，如A柱、B柱等［2～4］。這些部件在熱沖壓成形過程（Hot Stamping）中被加熱至900～950 ℃以實現(xiàn)完全奧氏體化，并在隨后的淬火過程中被快速冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)榘鍡l馬氏體組織，抗拉強(qiáng)度可達(dá)500～2000 MPa［5～7］。為防止在熱沖壓成形過程中板材表面出現(xiàn)脫碳氧化，常在板材表面涂鍍一層保護(hù)涂層，如鋁硅鍍層［8，9］和鋅鍍層［10，11］等。其中，鋁硅鍍層由于具有最佳的耐腐蝕性和高溫抗氧化性而得到廣泛應(yīng)用。

隨著汽車安全要求不斷提高，鋁硅鍍層鋼制造的汽車結(jié)構(gòu)件占比不斷增加［12］。鋁硅鍍層鋼結(jié)構(gòu)件之間的電阻點(diǎn)焊是汽車車身制造過程中不可避免的環(huán)節(jié)［13］。相較于傳統(tǒng)低碳鋼，鋁硅鍍層鋼的電阻點(diǎn)焊是一個挑戰(zhàn)，因其存在可焊性受鍍層影響、母材成分與顯微組織復(fù)雜、易飛濺、焊點(diǎn)易界面斷裂、熔核易產(chǎn)生縮孔等問題［14，15］。李等人［16］的研究結(jié)果表明，相較于無鍍層鋼，鋁硅鍍層鋼焊接窗口較小，在電阻點(diǎn)焊過程中需要減少0.7 kA的最佳焊接電流和3.2 kA的飛濺電流.孔等人的研究結(jié)果表明，不恰當(dāng)?shù)碾娮椟c(diǎn)焊工藝會引發(fā)淬硬組織的形成，從而降低焊點(diǎn)的塑性、韌性和強(qiáng)度，導(dǎo)致服役過程中出現(xiàn)界面斷裂，而非理想的熔核拔出斷裂模式［17］。曾等人［18］的研究表明，鋁硅鍍層的存在會加速電極的磨損，并增加點(diǎn)焊過程中飛濺的產(chǎn)生，這對焊接質(zhì)量和電極壽命構(gòu)成了潛在威脅。

綜上所述，針對鋁硅鍍層鋼在電阻點(diǎn)焊中存在的問題，為了進(jìn)一步改善電阻點(diǎn)焊接頭的顯微組織和力學(xué)性能，開發(fā)一種既能確保焊點(diǎn)性能優(yōu)良又能適應(yīng)汽車自動化生產(chǎn)需求的工藝窗口顯得尤為重要。本文深入研究了焊接電流、焊接時間、電極壓力及保持時間四個關(guān)鍵參數(shù)對其產(chǎn)生的影響.通過系統(tǒng)實驗與數(shù)據(jù)分析，最終確定合適的加工工藝窗口。本研究成果將為汽車工業(yè)中鋁硅鍍層鋼電阻點(diǎn)焊自動化生產(chǎn)提供參考依據(jù)。

1 試驗方法

試驗中所用的材料為厚度1.5 mm的鋁硅鍍層熱成形鋼，母材顯微組織為鐵素體與珠光體，抗拉強(qiáng)度約為500 MPa。在熱沖壓過程中，將熱成形鋼在900～950 ℃溫度區(qū)間內(nèi)加熱5 min使其完全奧氏體化，然后將材料同時成形與淬火，使其在快速冷卻條件下轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織.經(jīng)熱沖壓后，材料抗拉強(qiáng)度可達(dá)1500 MPa.本試驗所用母材材料為22 MnB5，并具有鋁硅鍍層.鋁硅鍍層的厚度約為30～40 μm，鍍層由鋁硅共晶層與鐵鋁金屬間化合物構(gòu)成.鍍層與母材的化學(xué)成分與顯微組織分別如表1與圖1所示。

使用酒精對待焊板材進(jìn)行超聲清洗，并采用烘干箱進(jìn)行干燥處理，以保證板材表面清潔無灰塵油污等殘留。采用SSIN0225QS電阻點(diǎn)焊機(jī)進(jìn)行電阻點(diǎn)焊試驗。點(diǎn)焊電極為尖端直徑為6 mm的標(biāo)準(zhǔn)球形Cr-Cu合金電極，依次調(diào)整焊接電流、焊接時間、電極壓力及保溫時間等工藝參數(shù)完成不同組合下的焊接試驗，分析焊點(diǎn)的熔核直徑、拉剪載荷及接頭失效形式，確定合理的焊接工藝窗口范圍，其工藝參數(shù)如表2所示。

焊點(diǎn)力學(xué)性能測試在DNS-100萬能材料試驗機(jī)上完成，拉伸式樣尺寸與硬度測試軌跡如圖2所示，拉伸速度為2 mm/min。根據(jù)GB/T 228.1-2010金屬材料室溫拉伸試驗標(biāo)準(zhǔn)完成室溫拉伸試驗。并對拉伸試樣的斷口形貌進(jìn)行了掃描電鏡觀察。為了研究焊接接頭的微觀組織演變，從焊縫處切下了貫穿厚度的橫截面。遵循常規(guī)制備工藝，包括研磨、拋光至1.5 μm和蝕刻。采用SU5000掃描電鏡（SEM）和能譜儀（EDS）對焊接接頭的腐蝕試樣進(jìn)行了觀察。焊接接頭的顯微硬度試驗在上海大恒光學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)的HV-1000顯微硬度計上完成。所用載荷為2.94 N，保載時間為10 s，硬度測試點(diǎn)之間的間距為0.2 mm，以保證彼此之間距離足夠遠(yuǎn)，避免相鄰壓痕的局部應(yīng)變硬化產(chǎn)生不必要的干擾.硬度測試方向為母材→熱影響區(qū)→熔核區(qū)→熱影響區(qū)→母材。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 焊接工藝參數(shù)對焊點(diǎn)質(zhì)量的影響

焊接工藝參數(shù)對鋁硅鍍層鋼電阻點(diǎn)焊接頭熔核直徑及壓痕深度的影響如圖3所示。如圖3（a）與（b）可以看出，隨著焊接電流的增加，焊點(diǎn)熔核直徑呈現(xiàn)先增大后降低的變化趨勢。當(dāng)焊接電流小于8 kA時，金屬未發(fā)生熔化，未能形成有效焊點(diǎn)。當(dāng)焊接電流為9 kA與10 kA時，焊點(diǎn)熔核直徑D分別為5.8 mm與7.7 mm，均滿足Dmin=4T0.5（T為母材厚度）即Dmin大于4.90 mm標(biāo)準(zhǔn)。同時焊點(diǎn)壓痕深度H分別為0.24 mm與0.27 mm，均滿足Hmax＜0.2 t即Hmax＜0.3 mm標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)焊接電流增加至11kA時，出現(xiàn)焊接飛濺，焊點(diǎn)處金屬熔化量減少，進(jìn)而熔核直徑降低且壓痕深度增高，焊點(diǎn)質(zhì)量無法符合標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)焦耳定律，電阻點(diǎn)焊過程熱輸入量為Q=I2Rt，

（I為焊接電流，t為焊接時間，R為接觸電阻）。焊接時間t與焊接電流I作為影響熱輸入量的主要因素，直接影響著焊點(diǎn)熔核直徑及壓痕深度。如圖3（c）與（d）可以看出，隨著焊接時間的增加，焊點(diǎn)熔核直徑與壓痕深度均呈現(xiàn)先增大后降低的變化趨勢。當(dāng)焊接時間低于0.3 s時，金屬未發(fā)生熔化，未能形成有效焊點(diǎn)。當(dāng)焊接時間為0.4～0.6 s時，焊點(diǎn)熔核直徑與壓痕深度分別為7.19～7.88 mm與0.22～0.24 mm，均滿足要求。當(dāng)焊接時間達(dá)到0.7 s時，由于熱輸入過大焊點(diǎn)被燒穿未能形成有效焊點(diǎn)。如圖3（e）和（f）可以看出，隨著電極力的增加，焊點(diǎn)熔核直徑呈現(xiàn)先增大后降低的變化趨勢，焊點(diǎn)壓痕深度呈現(xiàn)出逐漸增大的變化趨勢。當(dāng)電極力小于2.5 kN時，金屬未發(fā)生熔化，未能形成有效焊點(diǎn)。當(dāng)電極力達(dá)到6 kN時，焊點(diǎn)熔核直徑達(dá)到最大，熔核直徑為7.89 mm，此時焊點(diǎn)壓痕深度為0.26 mm也符合要求。當(dāng)電極力超過7 kN時，焊點(diǎn)壓痕深度超過0.3 mm，焊點(diǎn)質(zhì)量不符合要求。如圖3（g）和（h）可以看出，隨著保溫時間的增加，焊點(diǎn)熔核直徑與壓痕深度的變化不明顯。當(dāng)保溫時間為1～2 s時，焊點(diǎn)質(zhì)量均滿足要求。綜上所述可以得出，鋁硅鍍層鋼電阻點(diǎn)焊可焊性窗口的理想焊接電流為9～10 kA，理想焊接時間為0.4～0.6 s，理想電極力為3～7 kN，理想保溫時間為1～2 s.綜上所述，根據(jù)熱輸入公式Q=I2Rt計算，當(dāng)系統(tǒng)總接觸電阻R一致時，在滿足40≤I2t≤60的條件下，焊點(diǎn)質(zhì)量能夠滿足要求。

為了驗證本節(jié)得到的鋁硅鍍層鋼電阻點(diǎn)焊焊接工藝窗口范圍是否合理，并進(jìn)一步分析工藝參數(shù)對焊點(diǎn)拉剪載荷及接頭失效形式的影響，采用表3所示參數(shù)進(jìn)行鋁硅鍍層鋼電阻點(diǎn)焊試驗，并制備金相樣品與拉伸式樣，對焊點(diǎn)的顯微組織與力學(xué)性能進(jìn)行進(jìn)一步分析。

2.2 接頭顯微組織

圖4為鋁硅鍍層鋼電阻點(diǎn)焊接頭橫截面的宏觀形貌及不同區(qū)域的顯微組織。從圖4（a）中可以看出，鋁硅鍍層鋼電阻點(diǎn)焊焊點(diǎn)由5個不同的區(qū)域（熔核區(qū)、熱影響區(qū)、熔核舌區(qū)、熱影響區(qū)與母材邊界層及母材）組成。鋁硅鍍層鋼母材顯微組織為鐵素體與珠光體的復(fù)相組織。如圖4（b）所示，熔核區(qū)顯微組織為粗大的板條馬氏體.這是由于該區(qū)域金屬在電阻點(diǎn)焊過程中發(fā)生熔化并在凝固過程中快速冷卻導(dǎo)致奧氏體發(fā)生切變型相變轉(zhuǎn)化為板條馬氏體形成的。如圖4（c）與（e）所示，焊點(diǎn)熱影響區(qū)和熱影響區(qū)與母材邊界層的顯微組織均為馬氏體與鐵素體的復(fù)相組織。這是由于熱影響區(qū)在焊接過程中受到焊接熱循環(huán)影響，當(dāng)溫度超過692 ℃（22MnB5的Ac1溫度）與817 ℃（22MnB5的Ac3溫度）時珠光體與鐵素體分別開始向奧氏體轉(zhuǎn)變，在隨后的快速冷卻過程中，奧氏體發(fā)生切變型相變轉(zhuǎn)化為馬氏體。如圖4（d）所示，受電極壓力的影響焊點(diǎn)熔核區(qū)旁邊通常會形成一個舌狀區(qū)域，被稱為熔核舌區(qū)，該區(qū)域顯微組織為板條馬氏體。

圖5為No.30與No.31樣品焊點(diǎn)熔核區(qū)顯微組織的EBSD檢測結(jié)果。No.30與No.31樣品的晶粒尺寸分別為2.59 μm與2.47 μm，相差不大.根據(jù)KAM圖所示，No.30與No.31樣品的位錯密度無明顯差距。如圖5（c）與（f）所示為No.30與No.31樣品的大小角度晶界占比統(tǒng)計結(jié)果，兩個焊點(diǎn)的大小角度晶界占比也不存在明顯差別。

2.3 接頭力學(xué)性能

以焊點(diǎn)一側(cè)母材為起始點(diǎn)，向焊點(diǎn)方向進(jìn)行顯微硬度測試，測試路徑依次經(jīng)過母材（BM）、熱影響區(qū)（HAZ）、熔核區(qū)（Nugget）、熱影響區(qū)（HAZ）、母材（BM）。No.30與No.31樣品的硬度分布情況如圖6所示。兩個樣品的顯微硬度分布沒有明顯差異。No.30與No.31樣品熔核區(qū)硬度分別約為522 HV與516 HV，這是因為熔核區(qū)組織為粗大的板條馬氏體，硬度較高.No.30與No.31樣品母材硬度分別約為170 HV與171 HV。這是因為母材顯微組織為珠光體與鐵素體的復(fù)相組織，硬度較低。No.30與No.31樣品熱影響區(qū)硬度分別為317 HV與305 HV，這是因為熱影響區(qū)形成了鐵素體與馬氏體的復(fù)相組織，因此硬度在母材與熔核區(qū)之間。

圖7為No.30與No.31樣品淬火后的拉伸試驗曲線。如圖所示，No.30樣品的拉剪力僅為10.83 kN，發(fā)生“界面撕裂”失效。No.31樣品的拉剪力則達(dá)到24.09 kN，接頭失效形式由“界面撕裂”轉(zhuǎn)變?yōu)椤叭酆税纬觥?。結(jié)果表明，隨著熔核直徑增大，焊點(diǎn)被破壞所需的拉剪力就增大。因此，由于No.30樣品的熔核直徑較小，焊點(diǎn)所能承載的拉剪力小于母材，故造成“界面撕裂”的失效形式。而No.31樣品的熔核直徑更大，焊點(diǎn)承載的拉剪力顯著提升且超過母材，故從母材斷裂，即“熔核拔出”的失效形式。通常來講，“熔核拔出”式斷裂時鋁硅鍍層鋼電阻點(diǎn)焊焊點(diǎn)最理想的失效形式，這表明了No.31樣品工藝參數(shù)下制備的焊點(diǎn)具有很強(qiáng)的承載能力。

圖8為No.30與No.31樣品的斷口形貌與焊點(diǎn)橫截面形貌。從圖8（a）可以看出，采用可焊性窗口外制備的No.30樣品呈現(xiàn)“界面撕裂”失效形式。對焊點(diǎn)熔核區(qū)斷裂位置進(jìn)行斷口形貌觀察結(jié)果如圖8（b所示），斷口雖呈現(xiàn)韌性斷裂，但觀察到的韌窩淺而小，這意味著焊點(diǎn)在斷裂前未進(jìn)行充分的塑性變形，焊點(diǎn)承載能力較差。從圖8（c）可以看出，采用可焊性窗口內(nèi)制備的No.31樣品呈現(xiàn)“熔核拔出”失效形式。對焊點(diǎn)熱影響區(qū)斷裂位置進(jìn)行斷口形貌觀察結(jié)果如圖8（d）所示，斷口呈現(xiàn)韌性斷裂，觀察到了大而深的韌窩，這意味著焊點(diǎn)在斷裂前進(jìn)行了充分的塑性變形，焊點(diǎn)承載能力較強(qiáng)。因此，控制焊接工藝確定適用于鋁硅鍍層鋼電阻點(diǎn)焊的工藝窗口對于鋁硅鍍層鋼點(diǎn)焊性能而言是非常重要的。

3 結(jié)論

（1）對鋁硅鍍層鋼進(jìn)行電阻點(diǎn)焊試驗，在焊點(diǎn)熔核直徑與壓痕深度均滿足要求的情況下焊點(diǎn)拉剪力更高。

（2）鋁硅鍍層鋼電阻點(diǎn)焊工藝窗口較窄，理想焊接參數(shù)范圍為焊接電流9～10 kA，焊接時間0.4～0.6 s，電極力3～7 kN，保溫時間為1～2 s，當(dāng)系統(tǒng)總接觸電阻R一致時，在滿足40≤I2 t≤60的條件下，焊點(diǎn)質(zhì)量能夠滿足實際生產(chǎn)要求。

（3）焊點(diǎn)各區(qū)域顯微組織不同導(dǎo)致力學(xué)性能存在差異。熔核區(qū)顯微組織為粗大的板條馬氏體，硬度為520 HV左右.熱影響區(qū)顯微組織為鐵素體與馬氏體的復(fù)相組織，硬度為310 HV左右。在可焊工藝窗口內(nèi)制備的No.31試樣由于熔核直徑更大，在拉伸試驗中能夠以“熔核拔出”方式斷裂，拉剪力可達(dá)24.09 kN，是No.30試樣的兩倍。

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基金項目：國家自然科學(xué)基金面上項目（No.51975391）

第一作者：馮杰，2002年出生，男，金屬材料工程專業(yè)本科生，Email：2298471044@qq.com.

通訊作者：王曉南，1984年出生，男，工學(xué)博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：受控激光焊接/連接理論與技術(shù)，Email：wxn@suda.edu.cn