B1500HS熱成形鋼與DP鋼的點焊接頭拉剪性能

孫浩， 劉成杰, 2， 畢文珍, 2， 郭亞洲， 王武榮， 韋習成

(1.上海大學，上海 200444；2.寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院，汽車用鋼開發與應用技術國家重點實驗室(寶鋼)，上海 200126；3.上海汽車集團股份有限公司乘用車公司，上海 201804)

0 前言

電阻點焊(RSW)因其成本低、性能好、操作方便而成為汽車車身的主要焊接技術[1]。隨著輕量化技術的發展，先進高強度鋼(AHSS)的應用是實現汽車輕量化而不降低安全性有效途徑之一[2]。熱成形鋼具有超高抗拉強度(一般≥1 500 MPa)和較好成形性，廣泛應用于車身的防撞結構件，如A柱、B柱和防撞梁等[3]。隨著車身AHSS鋼應用比例日益增長，熱成形鋼零件與不同強度級別的雙相鋼(DP)零件的RSW接頭量也同步增加，其接頭強度必然會影響車身質量和安全性。因此，研究RSW接頭性能和失效特征，對提高車輛的耐久性和安全性具有重要意義。

Tamizi等人[4]對熱成形鋼RSW接頭拉剪斷裂行為的研究表明，接頭的斷裂起源于嚴重軟化的亞臨界熱影響區(SCHAZ)，且對接頭強度有重要影響。對1 500 MPa級熱成形鋼[5-6]點焊接頭的硬度分布結果顯示，熱成形鋼側SCHAZ的硬度比基體的降低約35%～40%。Baltazar等人[7-8]采用納米壓痕試驗研究了DP980電阻點焊熱影響區(HAZ)的軟化特性。其軟化主要發生在SCHAZ，硬度下降約10%。Xia等人[9]的研究表明，DP鋼的軟化程度與基體中馬氏體體積分數呈正相關的線性關系。雖然國內外學者對熱成形鋼的RSW接頭進行了大量研究[10-12]，但大多是對自連接的AHSS點焊接頭組織性能的研究，對其與異種材料連接接頭的對比研究相對較少[13-14]。

對此，文中以B1500HS分別與DP780，DP980，DP1180組成的RSW接頭為研究對象，在研究其抗拉強度基礎上，對接頭的組織、硬度分布及軟化機理進行了比較研究，以期指導熱成形鋼的工程應用。

1 試驗材料與方法

1.1 材料

試驗所用材料為寶鋼B1500HS熱成形鋼和DP780鋼、DP980鋼和DP1180鋼。B1500HS鋼厚度均為1.6 mm，DP780鋼的厚度為1.2 mm，DP980鋼和DP1180鋼的為1.4 mm，其化學成分和力學性能見表1。圖1為4種鋼板材料的金相組織。B1500HS壓淬后的組織為全馬氏體，DP780，DP980和DP1180的組織為馬氏體+鐵素體。

表1 板材的化學成分及力學性能

圖1 鋼板金相照片

1.2 試驗方法與設備

在THP01-500A四柱單動高速壓力機上，采用平板淬火模具及冷卻系統，模擬B1500HS的熱成形過程。試驗用加熱爐為HT-1800M高溫爐(最高加熱溫度1 800 ℃)。參數如下：加熱溫度930 ℃，保溫時間4 min，下壓速度90 mm/s，保壓時間15 s，保壓噸位130 t。

點焊試驗在寶鋼的梅達DM150工頻交流點焊試驗機上進行，電極材料為CrCu合金、端部直徑6 mm，點焊使用雙脈沖電流方式進行。由于研究主要聚焦于與實際生產相結合的點焊接頭性能，故研究的焊接工藝直接選用實際生產的成熟工藝。主要焊接參數為焊接電流7.5 kA，焊接時間分2個周波各10 cyc，2個周波之間間隔1 cyc，電極壓力3.6 kN。根據通用標準GWS-5A《Test procedures resistance spot welding of steel》，由2塊150 mm×50 mm的矩形鋼板搭接焊接而成，重疊部分為50 mm×50 mm，熔核在重疊部分中心位置，如圖2所示。由于拉剪試樣搭接后的不對稱，為消除因夾持不居中造成點焊接頭在拉剪試驗中板材附加彎矩，在試樣兩側夾持部位添加與該側母材等厚的墊片。接頭的拉剪試驗在MTS C45-305拉伸試驗機上進行，拉伸速率10 mm/min，試驗數據為至少3次試驗結果的平均值。

圖2 拉剪試樣的形狀和尺寸

采用尼康MA100金相顯微鏡(OM)觀察板材和點焊接頭顯微組織。使用VHX-1500超景深顯微鏡觀察焊縫宏觀形貌。使用ZEISS SIGMA300掃描電子顯微鏡(SEM)對HAZ的顯微組織和成分進行觀察和分析，使用SEM觀察點焊接頭斷口形貌。點焊接頭顯微硬度測試在MH-3型顯微硬度計上進行，加載載荷2.94 N，保持時間10 s。根據通用標準GWS-5A進行點焊接頭顯微硬度的測試，顯微硬度沿熔核對角線方向測試，如圖3所示。

圖3 顯微硬度分布示意圖

2 試驗結果與討論

2.1 B1500HS/DP1180接頭的組織

圖4為B1500HS/DP1180點焊接頭熱影響區宏觀組織，其中上部為B1500HS，下部為DP1180。圖5和圖6為B1500HS/DP1180點焊接頭熱影響區不同區域顯微組織。圖5為B1500HS側HAZ微觀組織。根據HAZ的峰值溫度的影響，將HAZ可分為粗晶熱影響區(CGHAZ，圖5a)、細晶熱影響區(FGHAZ，圖5b)、臨界熱影響區(ICHAZ，圖5c)和亞臨界熱影響區(SCHAZ，圖5d)4個部分。CGHAZ和FGHAZ屬于完全淬火區，兩者其峰值溫度在Ac3以上，組織為全馬氏體；與FGHAZ相比，CGHAZ馬氏體板條較粗大，因為其和熔核區相鄰，峰值溫度高，馬氏體形核驅動力較大；ICHAZ屬于不完全淬火區，其峰值溫度在Ac1和Ac3之間，組織呈鐵素體(α)+馬氏體(M)兩相組織；SCHAZ屬于回火區域，峰值溫度小于Ac1，組織僅發生回火轉變，電阻點焊過程中加熱時間極短，時間可以忽略，屬于非等溫回火[8]。此外，從圖4e可見大量細小的碳化物顆粒沿著原奧氏析晶界、馬氏體塊邊界等位置彌散析出。與文獻[4, 8]對馬氏體鋼和雙相鋼焊接接頭的非等溫回火的研究結果一致。

圖4 宏觀組織

圖5 B1500HS側HAZ微觀組織

圖6是DP1180側HAZ微觀組織。其組織演變規律與B1500HS側相似，圖6a是CGHAZ的SEM照片，圖6b是FGHAZ的SEM照片，圖6c是ICHAZ的SEM照片，圖6d是SCHAZ的SEM照片。在ICHAZ中，白色塊狀鐵素體在原DP1180馬氏體邊界生成。而在SCHAZ，白色亞微米碳化物顆粒可以沿著原奧氏體晶界，馬氏體板條塊等位置析出[8]。因此，DP1180側ICHAZ和SCHAZ組織形貌的相似度較高。

圖6 DP1180側HAZ微觀組織

B1500HS/DP780和B1500HS/DP980點焊接頭的HAZ組織演變情況和B1500HS/DP1180的相似，此處不再贅述。

2.2 3種點焊接頭的拉剪性能及斷裂模式

圖7為3種點焊接頭拉剪斷裂的峰值力。DP780，DP980和DP1180與B1500HS的點焊接頭最大拉剪力平均值分別為22.62 kN，23.92 kN和24.04 kN。三者差值較小，最大差值不足5%。說明文中研究的3種DP鋼的強度對接頭的拉剪強度影響較小。

圖7 不同DP鋼與B1500HS點焊接頭在拉剪測試中的斷裂力

圖8為拉剪斷裂試樣的宏觀照片。可以看到，3組點焊接頭斷裂方式均為半界面斷裂。對于B1500HS/DP780(圖8a,)而言，焊核被從DP780側拔出；B1500HS/DP980和B1500HS/DP1180的焊核被從B1500HS側拔出(圖8b和圖8c)。這說明在B1500HS/DP780的拉剪過程中，接頭的失效首先起源于DP780一側，其斷裂模式與DP780側的HAZ組織和性能密切相關。而對另外2種接頭而言，其失效則起源于B500HS側，接頭強度應取決于B1500HS的HAZ組織和性能。

圖8 拉剪斷裂試樣宏觀形貌

圖9為3種點焊接頭拉剪斷口截面形貌。從圖9a可見，焊核從DP780側撕裂，留在B1500HS側。拉剪過程中，DP780側SCHAZ最先開始出現頸縮，隨后出現裂紋直至焊核完全拔出。該區域組織經歷了高溫回火，且DP780基體強度遠小于B1500HS基體強度，成為了點焊接頭最薄弱處。相反，由于缺口的應力集中效應，最終焊核拔出并不與初始斷裂位置對稱，而是在熔核區和HAZ之間的過渡區域。綜上，點焊接頭中，SCHAZ由于回火引起的嚴重軟化和熔核區和HAZ之間過渡區的缺口應力集中效應而成為點焊接頭薄弱處。圖9b和圖9c分別是B1500HS/DP980和B1500HS/DP1180的拉剪斷口截面形貌。可見2組焊點斷裂方式與B1500HS/DP780的相同，均為紐扣斷裂，但其熔核從B1500HS側拔出，分別留在DP1180和DP980側。這說明B1500HS為點焊接頭中的薄弱方，點焊接頭失效從B1500HS開始，點焊接頭強度取決于B1500HS。因此，為提高汽車的安全性，在研究RSW接頭斷裂行為時應重點關注這些區域的組織和硬度變化。

圖9 拉剪斷裂截面形貌

2.3 斷裂機理分析

2.3.1點焊接頭硬度分布

圖10為3種點焊接頭的顯微硬度分布。對B1500HS/ DP780而言，B1500HS側熔核區與HAZ之間的過渡區域有輕微硬度下降趨勢，Eller等人[15]的研究中也觀察到這種現象。Sherepenko等人[16]發現，碳偏析的影響可以解釋熔融邊界的軟化。起源于液相或γ相的高溫δ鐵素體在加熱過程中在熔融邊界形成。在隨后的快速冷卻過程中，它可能會限制碳的重新分配。B1500HS側CGHAZ的馬氏體板條粗大(圖5b)，硬度值略有上升，最大達466.0 HV0.3。在ICHAZ中，該區域形成了α+M兩相組織，硬度開始快速下降。在SCHAZ中，回火導致碳化物析出(圖5a)，馬氏體過飽和度下降，但少量碳化物的析出不足以彌補因回火導致的硬度降低，硬度值最低達297.4 HV0.3，較基體硬度(420 HV0.3)下降約29%，軟化嚴重。DP780側的SCHAZ硬度值為268.7 HV0.3，和其基體硬度(273 HV0.3)相比，無明顯軟化現象。

圖10 3種點焊接頭的硬度分布

在B1500HS/DP980組中，B1500HS側CGHAZ硬度上升，最大值為515.9 HV0.3，SCHAZ硬度最小值為303.7 HV0.3，較其基體硬度470 HV0.3下降約35%。

DP980側SCHAZ硬度最小值為273.6 HV0.3，基體硬度為330 HV0.3，硬度較基體下降約17%。在B1500HS/DP1180組中，B1500HS側CGHAZ硬度上升，最大值為537.3 HV0.3，SCHAZ硬度最小值為302.4 HV0.3，較其基體硬度470 HV0.3下降約36%。在DP1180側，CGHAZ硬度無明顯上升，SCHAZ硬度最低，其值為301.3 HV0.3，較其基體硬度400 HV0.3下降約25%。表2對3種點焊接頭B1500HS和DP鋼側熱影響區硬度最大值、最小值和軟化率進行了對比。

表2 3組點焊接頭熱影響區硬度最大值、最小值和軟化率 HV0.3

2.3.2點焊接頭SCHAZ組織分析

為了研究接頭軟化與組織的關系，對3種接頭的SCHAZ組織進行了分析。圖11為3種接頭B1500HS側和DP鋼側SCHAZ的SEM照片，對應3種接頭首先出現頸縮的部位。B1500HS側SCHAZ大量細小的亞微米級碳化物沿原奧氏體晶界、馬氏體塊邊界和馬氏體板束等位置析出，馬氏體過飽和度下降。在3種DP鋼的SCHAZ中，隨著DP鋼強度上升，鐵素體量下降，回火馬氏體量增加，相應的軟化程度增大。相反，DP鋼強度級別越高，對應的基體硬度越高，接頭的SCHAZ軟化越嚴重。雖然3種接頭DP鋼側的軟化程度不同，但其SCHAZ的硬度接近(268.7 HV0.3，273.6 HV0.3和301.9 HV0.3)，三者的SCHAZ硬度差值遠小于其基體的硬度差(273 HV0.3，330 HV0.3和400 HV0.3)，見表2。

圖11 3種點焊接頭SCHAZ組織

對于B1500HS/DP780，由于DP780的HAZ無明顯軟化現象，且其基體硬度較低，導致在拉剪試驗過程中最終從該側HAZ斷裂(圖9a)。對于B1500HS/DP980和B1500HS/DP1180，B1500HS的HAZ表現出更嚴重的軟化現象，且CGHAZ和SCHAZ之間的硬度梯度較大(表2)，導致B1500HS側HAZ首先開始頸縮(圖9b和圖9c)。因此，在B1500HS與異種鋼的焊接中，也應該關注對焊DP鋼的強度。隨著DP鋼強度的上升(主要是馬氏體含量增加)，焊核拔出位置會由DP鋼側轉變到B1500HS側。

3 結論

(1)根據HAZ的峰值溫度的影響, 可以將HAZ分為粗晶HAZ，細晶HAZ，臨界HAZ和亞臨界HAZ。其中粗晶HAZ和細晶HAZ屬于完全淬火區，組織為馬氏體；臨界HAZ屬于不完全淬火區，組織為鐵素體+馬氏體；亞臨界HAZ經歷回火轉變，馬氏體過飽和度下降，板條分解，有細小的碳化物析出。

(2)3種點焊接頭強度最大拉剪力平均值分22.62 kN，23.92 kN和24.04 kN，三者差值較小，最大差值不足5%。對于B1500HS/DP780，焊核從DP鋼側拔出；而對于B1500HS/DP980和B1500HS/DP1180，焊核從B1500HS側拔出。初始斷裂位置在亞臨界HAZ，最終斷裂位置在熔核區和HAZ之間的過渡區域。

(3)B1500HS側亞臨界HAZ軟化嚴重，較基體硬度下降約29%～36%，而DP780無明顯軟化現象，DP980和DP1180側的亞臨界HAZ軟化率分別為17%和25%。隨著DP鋼強度的上升，焊核拔出位置會由DP鋼側轉變到B1500HS側。