熱成型鋼板點焊過程中Al-Si相偏聚分析

徐榮雷，劉旭濤，程先增

（一汽-大眾汽車有限公司青島分公司，山東 青島 266000）

1 問題概述

為了實現(xiàn)汽車更輕更安全的目標，目前各大主流汽車制造商正在車身上積極采用熱成型技術。如大眾全系車型在涉及車身碰撞安全的零件均采用 1300-1500Mpa的超高強度熱成型鋼[1,2]。車身上主要通過點焊工藝實現(xiàn)熱成型零件的連接，但由于熱成型零件的超高強度及表面的 Al-Si涂層會增加焊接困難，導致焊接過程中產(chǎn)生各種各樣的焊接缺陷。

某廠家在進行兩個熱成型零件點焊時，發(fā)現(xiàn)在焊核邊緣存在白色物質(zhì)的聚集（見圖1），經(jīng)能譜分析，確認白色物質(zhì)為Al-Si金屬間化合物。Al-Si相作為脆硬相分布在焊核邊緣，會嚴重影響焊點的力學承載性能，導致零件在服役過程中首先沿焊核邊緣開裂，引發(fā)失效問題。

圖1 白色Al-Si相偏聚

2 原因分析及改進方案

2.1 電極壓力

閻啟等對鍍鋅鋼板點焊工藝研究表明，鍍鋅板在點焊過程中，表面鍍鋅層首先會熔化，在電極壓力的作用下被擠出焊接區(qū)域[3]。同樣熱成型零件表面Al-Si涂層的熔點低，會先于鋼板熔化，在電極壓力的作用下，被擠出焊接區(qū)域。如果電極間壓力不足，可能會引起先熔化的 Al-Si涂層不能被完全擠出，可能會導致 Al-Si相的聚集。由于熱成型后零件的抗拉強度可以達到1300-1500Mpa，因此在焊接熱成型不能沿用焊接鍍鋅板的焊接參數(shù)，應適當提高電極壓力。因此，在維持其他焊接參數(shù)不變前提下，首

先對電極壓力進行了調(diào)整：

表1 電極壓力調(diào)整

在保持其他焊接參數(shù)不變的情況下，當電極壓力增加到4200N時，焊核邊緣Al-Si相聚集消失（見圖2），先熔化的Al-Si涂層都被完全擠出了焊接區(qū)域。但焊核邊緣依舊存在輕微發(fā)白現(xiàn)象，放大到200X發(fā)現(xiàn)，發(fā)白組織和基體組織一致，均為自回火馬氏體（見圖3）。發(fā)白原因可能是涂層中殘留的Al擴散進基體中，沒有完全擴散，導致局部基體中Al含量偏高，腐蝕后出現(xiàn)發(fā)白現(xiàn)象。

圖2 電極壓力4200N，焊核組織 25x

圖3 電極壓力4200N，焊核組織 200x

2.2 預熱電流

徐松等對熱成型鋼板點焊工藝研究表明，適當提高預熱電流，可以有效改善焊點的成分偏析[4]。因此焊核周圍存在Al偏析的原因可能是焊接預熱不足，在鋼板熔化之前，表面Al-Si涂層沒有完全熔化，導致少量Al隨著鋼板熔化，在隨后的冷卻過程中，來不及擴散，因此造成焊核邊緣局部含量偏高。為解決該問題，嘗試提高了預熱電流，當預熱電流提高到6.2KA時，焊核邊緣組織均勻，不再存在Al的偏析，見圖4-5。說明當預熱電流達到6.2KA時，表面Al-Si涂層已完全熔化。完全熔化后，在電極壓力作用下，被擠出焊接區(qū)域。

表2 預熱電流調(diào)整

圖4 電極壓力4200N，預熱電流6.2KA 焊核組織 25x

圖5 電極壓力4200N，預熱電流6.2KA 焊核組織 200x

2.3 破壞性檢測

圖6 優(yōu)化前，沿Al-Si相偏聚處開裂

圖7 優(yōu)化后，在熱影響區(qū)開裂

根據(jù)大眾集團內(nèi)部標準VW01105及PV6702對優(yōu)化前后焊點進行破壞性檢測[5,6]，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化前焊點沿著Al-Si聚集處開裂（見圖6），不滿足焊接的等強度原則，使用過程中存在沿焊核邊緣開裂風險。提高電極壓力和預熱電流后的焊點，焊點在熱影響區(qū)開裂（見圖7），說明焊點強度已超過原母材強度，滿足使用要求。

3 結(jié)論

熱成型焊接中 Al-Si相的偏聚會降低焊點的力學性能，導致后續(xù)使用中存在沿焊核邊緣開裂的風險。通過提高電極壓力和預熱電流可以有效解決 Al-Si相的偏聚，提高焊點的力學性能。