780 MPa級DP鋼點焊焊接性能與失效分析

汪小培，張永強，王　威，楊建煒，章　軍

（首鋼技術研究院，北京100043）

780 MPa級DP鋼點焊焊接性能與失效分析

汪小培，張永強，王威，楊建煒，章軍

（首鋼技術研究院，北京100043）

高強度DP鋼在汽車制造生產中得到了廣泛的應用。研究780 MPa級別的DP鋼點焊后焊點的性能，并分析焊點失效情況。結果表明，1 mm厚的該級別鋼種的焊接窗口為3.4 kA，最優焊接電流為11 kA；增加預熱脈沖后，能夠有效防止和改善高強鋼點焊焊核上的焊接冷裂紋；焊接電流較小時，點焊后的汽車前縱梁容易造成軸向失穩，使得其吸收碰撞能量的能力減弱。

DP鋼；點焊；性能；失效

0　前言

隨著能源危機、石油價格不斷上升以及地球溫室效應加重，世界各國對能源和CO2排放引起的環境問題越加重視，紛紛制定和采取各種嚴格的措施進行控制。在汽車領域，應對環境問題和提高沖撞安全性成為最常見的關鍵詞。在減少燃油消耗、減低廢氣排放的諸多措施中，降低車重效果最明顯。資料表明，車重減輕10％可節省燃油3％～7％[1-2]。

滿足汽車行業更安全、更輕量化、更環保以及更經濟油耗的需求，AHSS（Advanced High Strength Steel先進高強度鋼）一直是材料研發工作的重點。20世紀70年代發展起來的雙相（DP）鋼是一類新鋼種，也是開發較早的汽車先進高強鋼，因其制造工藝和方法較為容易，產品系列較為齊全，在汽車加強件、防撞件及結構件等方面得到了廣泛的應用[3-4]。

在此研究780 MPa級別的DP鋼點焊后焊點的焊接性能，以及焊接工藝對焊點質量的影響，并分析焊點的失效情況。

1　實驗材料和設備

1.1試驗材料

試驗使用的材料為高強度熱鍍鋅雙相鋼，鋼板厚度1.0 mm。鋼板的主要化學成分和力學性能如表1、表2所示。

表1　鋼板的化學成分％

表2　鋼板的力學性能

1.2試驗設備

焊接試驗使用設備是OBARA DB-220型固定式逆變點焊機，標稱功率220kVA，電極頭直徑6mm。點焊接頭試樣焊接成形后，取點焊接頭焊點的最大橫截面制備標準金相試樣，試樣腐蝕液為4％硝酸酒精溶液，使用型號為Leica DMI5000M的金相顯微鏡和Hitachi S-3400NⅡ型的掃描電子顯微鏡觀察微觀組織形貌，使用型號為Leica HXHXD-1000TM的顯微硬度測試儀測量顯微硬度，選用型號為Zwick-Z100的剪切拉伸設備測試抗剪性能。

2　試驗方法

采用40 mm×150 mm標準試樣片進行點焊試驗，焊后通過剝離試驗將焊點撕裂。試驗中最小焊接電流是指最小焊核直徑所對應的電流，最大焊接電流是指產生飛濺時所對應的電流，通過計算可知最小焊接直徑為4.0mm。通過點焊試驗研究發現，該鋼板的最小焊接電流為7.8kA，最大焊接電流為11.2kA，最優焊接電流為11 kA，具體焊接參數和試驗結果如表3所示。

表3　焊接參數和試驗結果

3　分析和討論

3.1焊點的組織與性能

鋼板在最優焊接電流（11.0 kA）下的金相組織如圖1所示，基體組織為鐵素體+馬氏體組織，焊縫組織為馬氏體+少量貝氏體組織。

圖1　焊點微觀組織形貌

在最優焊接電流（11.0 kA）下，焊點的剪切拉伸力學性能如圖2所示。從圖中兩次抗剪試驗的拉伸曲線可以看出，在最優焊接電流下焊點的最大抗剪力約為16.5 kN。

圖2　剪切拉伸試驗曲線

在最優焊接電流（11.0 kA）下，對焊點進行顯微硬度分析，結果如圖3所示。圖中反映的是從母材到熱影響區到焊縫，再到熱影響區到母材，焊點的顯微硬度變化情況。母材的硬度約為250 HV，焊縫硬度的平均值約為430 HV。

3.2預熱對焊接冷裂紋的影響

在焊接熱循環的作用下，焊縫及熱影響區由于組織、性能發生變化，加之受焊接應力作用以及擴散氫的影響，可能產生冷裂紋。冷裂紋在高強鋼焊接中是最為常見的缺陷，這種缺陷的發生往往具有延遲性并且危害很大。為了消除焊接冷裂紋的影響，在焊接電流之前，增加一個預熱電流，進行了如表4所示的兩組對比試驗，在較大電流下使用不同的焊接工藝進行點焊試驗。1#樣中只有一個焊接電流，在2#樣中加入了一個預熱電流，研究焊前預熱對焊點質量的影響。

圖3　焊點顯微硬度變化曲線

表4　焊接工藝參數

分別觀察兩組試樣的微觀形貌，分析焊點截面的裂紋情況，各組試樣的微觀形貌如圖4、圖5所示。在1#樣中，焊核上表面存在一條微裂紋，由圖4可知，裂紋起源于焊核表面，隨著距表面距離的增大，裂紋逐漸減弱，裂紋向焊核內部擴展，屬于焊接冷裂紋。

圖4　焊核截面微觀形貌（1#試樣）

圖5　焊核截面微觀形貌（2#試樣）

2#試樣在焊接脈沖之前，增加了一個預熱脈沖，其焊核截面微觀形貌如圖5所示。2#樣在預熱后進行焊接，焊核熔合情況良好，表面無明顯微裂紋。由此可見，在焊接電流之前，增加一個預熱電流，能有效改善焊核上的冷裂紋。

3.3焊點高速碰撞性能分析

汽車的前縱梁是由高強鋼通過電阻點焊結合形成的，是汽車在高速碰撞下吸收碰撞能量的主要部件，而焊點質量是影響其防撞能力的重要因素。為了研究高速碰撞過程中焊點的失效情況，使用之前所述的高強度DP鋼加工成汽車前縱梁部件，通過電阻點焊焊合后，進行壓潰試驗，試驗情況如圖6所示。

圖6　進行壓潰試驗后的試樣

焊接電流較小時，在高速碰撞情況下，試樣容易造成軸向失穩，使得其吸收碰撞能量的能力變弱。在焊接電流接近電流窗口上限時，試樣是呈層狀被壓縮的，能夠充分吸收碰撞的能量，提高汽車的安全性能。

焊接電流較小時，由于焊核較小，鋼板焊接結合處的強度較低，在碰撞過程中易在焊點處出現開裂，引起母材被撕裂，如圖7所示。

圖7　試樣破壞形貌

4　結論

（1）厚1.0 mm的780 MPa級DP鋼焊接窗口為3.4kA，最小焊接電流7.8kA，最大焊接電流11.2kA；在11.0kA下，焊點最大抗剪力16.5kN，焊縫硬度430HV。

（2）在焊接脈沖前進行一個預熱脈沖，能夠有效防止和改善高強鋼點焊焊核上的焊接冷裂紋。

（3）汽車前縱梁點焊焊合處，焊接電流較小時，容易造成軸向失穩，減弱其吸收碰撞能量的能力。

[1]康永寧.汽車輕量化先進高強鋼與節能減排[J].鋼鐵，2008，43（6）：1-7.

[2]李揚，劉漢武，杜云慧，等.汽車用先進高強鋼的應用現狀和發展方向[J].材料導報，2011，25（7）：101-104.

[3]劉超，王磊，劉楊.汽車用先進高強鋼的發展及其在車身設計中的應用[J].特鋼技術，2012，18（2）：1-4.

[4]張志勤，黃維，高真鳳.汽車用第3代先進高強度鋼的研發進展[J].特殊鋼，2013，34（1）：16-20.

Spot welding properties and failure analysis of 780 MPa grade DP steel

WANG Xiaopei，ZHANG Yongqiang，WANG Wei，YANG Jianwei，ZHANG Jun
（Shougang Research Institute of Technology，Beijing 100043，China）

High strength DP steel has been widely used in auto manufacture.The spot welding properties of 780 MPa grade DP steel and the failure of the welds are studied.The results show that the welding lobe of the steel with 1mm thick is 3.4 kA，and the optimal welding current is 11 kA.The welding cold crack in weld nugget can be prevented or improved by preheating treatment.The front rail is likely to cause axial instability in low welding current，which decreases the ability to absorb impact energy.

DP steel；spot welding；properties；failure

TG457.11

A

1001－2303（2016）04－0075-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.04.16

2015-12-07；

2015-12-21

汪小培（1987—），男，湖北人，碩士，主要從事材料焊接性和焊接工藝的研究工作。。