高强度热成形钢点焊性能与接头组织

李效文 ，盈 亮 ，2，申国哲 ，2，戴明华 ，韩小强 ，胡 平 ，2

（1.大连理工大学 汽车工程学院，辽宁 大连 116024；2.大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁 大连 116024）

0 前言

随着汽车轻量化和安全性要求的不断提高，热成形高强度钢在汽车中的应用越来越广泛。热成形高强度钢凭借其强度高、能量吸收率高和防撞性能好等优势，成为实现车身轻量化和提高碰撞安全性的最佳途径[1-3]。由于热成形高强度钢的应用越来越广泛，研究其焊接性能具有十分重要的意义。目前，国内外学者对高强度钢点焊仿真分析、断裂方式及熔核尺寸的研究比较多，比如，S.Dancette等人从试验和仿真两个方面研究了高强度钢点焊的破坏机理[4]；S.Aslanlar从熔核尺寸这个角度探究了熔核尺寸对车用钢板点焊性能的影响[5]；T.B.Hilditch等人主要研究结合面断裂方式对高强度钢点焊疲劳特性的影响[6]；王威等人探究了高强度钢点焊性能，对不同工艺参数条件下的焊接接头进行金相组织分析和硬度测试，从而确定了最优的焊接工艺参数[7]；张正林等人对超高强淬火钢中频点焊进行了详细研究，探究同种材料中频点焊的焊接性能，通过拉伸试验、硬度测试、断口分析等，研究了同种材料中频点焊的焊接性能[8]。然而，对热成形高强度钢在工频点焊条件下力学性能的研究并不多。

在此通过对点焊工艺参数进行正交试验设计，确定了最优焊接工艺参数，并研究不同因素对焊接性能的影响大小。通过分析点焊接头硬度和金相分析，从微观组织方面研究了热成形高强度钢点焊接头的焊接性能；同时，利用扫描电镜探究了点焊接头的断口形貌特征。

1 热成形高强度钢基础力学性能

1.1 材料成分

点焊试验采用的材料为热成形22MnB5高强度钢板。该类硼钢的成分特点是在C-Mn钢基础上添加一定质量分数的硼元素，固溶的硼偏析在奥氏体晶粒边界，延迟了铁素体和贝氏体的形核，进而增加了钢的强度。通过LAB CENTER XRF-1800扫描型X射线荧光光谱仪测定该种硼钢中各元素质量分数如表1所示。

表1 22MnB5材料化学成分Tab.1 Chemical composition analysis of 22MnB5 steel%

1.2 机械性能

将板料加热至900℃并保温适当时间使之完全奥氏体化，然后将红热的板料送入带冷却水道的模具内，合模并保压淬火获得热成形毛坯，按照GBT228-2002金属材料拉伸试验方法标准进行单向拉伸试验获取材料基础力学性能。

通过对热成形高强度钢板进行单向拉伸试验，测定了其基础力学性能。试验结果表明：热成形高强度钢的屈服强度1100 MPa，抗拉强度1550 MPa，延伸率8%～9%。强度高、塑性低是热成形高强度钢典型的力学特性。

2 热成形高强度钢点焊试验

2.1 点焊试验接头设计

本次点焊试验按照GB/T2654-2008进行点焊试验，所用设备为FY-9900点焊机，试验中所选用的板料厚度为 1.2 mm、1.6 mm、2.0 mm 三种。点焊试样如图1所示，L=100 mm为样件长度，B=25 mm为搭接宽度，H=25 mm为样件宽度，A为样件的厚度。

图1 点焊试验试样Fig.1 The specimen of the spot welding

热成形高强度钢点焊拉伸试验对应的抗剪载荷-位移曲线如图2所示，由图可知，热成形高强度在达到断裂极限时，会发生突然断裂，呈现出明显的脆性断裂特征。

图2 典型热成形高强度钢点焊拉伸曲线Fig.2 Typical tensile curve of the spot welding on the hot forming high strength steel

2.2 点焊工艺参数的正交优化试验

对热成形高强度钢进行点焊试验前先应确定电极端面的形状和尺寸，在此选用了直径为6 mm的圆形端面；其次，选择了电极焊接压力为2500 N。

为了更好、更快地找出点焊工艺参数对材料性能的影响规律，并得出最优点焊工艺参数，采用正交试验方法进行试验设计。正交试验设计了三个影响因素：板料厚度、焊接电流、焊接时间。采用3因素3水平的正交试验设计方法，共需要进行9个设计点的试验，如果采用全因子试验设计，则需要进行27次试验，很明显采用正交试验法能够节约大量试验成本和时间。建立的因素水平表如表2所示，正交表选取为4因素3水平正交表的前3列，最终得到的正交试验表如表3所示。对每个设计点的试验结果均进行了三次试验，然后取其平均值作为本次设计点的最终试验结果。

表2 正交试验设计Tab.2 The orthogonal experimental table

表3 点焊抗剪载荷极差分析计算Tab.3 Range analysis table of the spot welding shear load

2.3 试验数据的极差分析

根据表3可知：因素A（板料厚度）的2水平1.6 mm最好，因素B（焊接电流）的2水平7800 A最好，因素C（焊接时间）的3水平0.4 s最好，即本次正交试验最佳工艺参数为：A2、B2、C3。当板料厚度为1.6 mm、焊接电流7800 A、焊接时间0.4 s时，点焊接头抗剪载荷达到最大值。

根据极差R的大小可判定出各因素对试验结果影响程度的大小，评判标准为：极差R越大，所对应的因素就越重要。由表3可知，三个试验因素中板料厚度极差最大，说明板料厚度对抗剪载荷的影响最大，其次是焊接电流，再者是焊接时间。

3 硬度分析

硬度分析选用以上最佳工艺参数条件下的点焊试样进行分析。使用线切割将热成形高强度钢点焊接头切开，通过打磨抛光处理后，用4%的硝酸酒精溶液进行腐蚀处理，得到如图3a所示的试样点焊接头横截面。为了全面测评热成形高强度钢点焊接头的硬度分布，从熔核中心向两侧进行硬度测试[9]，硬度测试选取点如图3a所示，每个硬度测试点的间距为0.2 mm，得到硬度分布曲线如图3b所示。

图3 硬度选取点及对应的硬度分布曲线Fig.3 Selected points ofthe hardness and the corresponding hardness distribution curve

图3b说明了从熔核中心经过热影响区到母材区的硬度分布特征。从硬度分布曲线看出，熔核区的硬度分布呈现出不均匀分布的特性，熔核中心处的硬度略高于母材区的硬度，这是由于熔核中心温度偏高并且散热慢，在晶粒形成过程中，出现了较多的粗大马氏体组织，致使硬度偏高。在热影响区附近硬度出现骤降的情况，由于热影响区部分晶粒融化，在冷却过程中发生了组织的快速过渡，致使形成的金相组织比较疏松，此处的硬度才会出现降低现象。

4 金相分析

将硬度测试完毕的试样重新经过研磨和抛光工序处理以后，利用显微镜在放大400倍条件下测得的热成形高强度钢点焊接头金相组织如图4所示。

图4 焊接接头金相组织（400×）Fig.4 Microstructure of the spot welding joint（400×）

由图4可知，母材区金相组织主要以细小的板条状马氏体为主，由于热成形高强度钢通过热成形工艺加工而得到，因此热成形高强度钢母材为致密的轧制组织，这是热成形高强度钢典型的金相组织；而热影响区金相组织主要为铁素体+少量马氏体，正是由于铁素体的出现，使得热影响区硬度偏低；熔核区金相组织主要为粗大的板条状马氏体，这是由于在焊接过程中发生了马氏体晶粒粗化造成的。

5 点焊试样拉伸断口解析

选用最佳工艺参数条件下的点焊拉断试样进行断口扫描，微观形貌如图5所示。图5a为断口凸台上部的断口形貌组织，图5c为断口凸台下部靠近板材处的微观形貌组织。通过断口形貌发现，断口初始断裂位置大多发生在母材区和热影响区的交界处，这是由于此处的晶粒组织快速过渡导致出现应力集中现象，金相分析显示该处的金相组织主要为低碳板条状马氏体和铁素体。由于板条状马氏体内部存在极高密度的位错，在拉伸过程中产生了高密度位错和高应力的交互影响，使得热成形高强度钢具有很高的抗剪强度，然而，高密度的位错也使得材料的塑性变形下降，所以热成形高强度钢点焊试样在拉伸过程中的延伸率偏低。5a所示的断口微观组织为解理小平面；而图5b出现了河流花样的断口微观特征，沿着河流花样的逆向观察，即寻找到发生断裂时的裂纹源基本发生在母材区和热影响区交界处；图5c有明显的撕裂棱特征，说明发生断裂时产生了微裂纹彼此相连的过程，使得断裂时具有更多的微观塑性特征。

图5 点焊接头断口形貌特征Fig.5 Fracture morphology of the spot welding joint

5 结论

（1）正交试验极差分析可得，热成形高强度钢点焊接头抗剪载荷的最佳工艺参数为：板料厚1.6 mm、焊接电流7800 A、焊接时间 0.4 s。各因素对抗剪载荷影响的主次顺序为：板料厚度＞焊接电流＞焊接时间。

(2)焊接接头的硬度分布显示：熔核区的硬度分布不均匀，熔核区的硬度要略高于母材区的硬度；热影响区的硬度呈现出骤降的现象。

(3)金相组织测试表明：热影响区金相组织主要以铁素体和马氏体为主，熔核区金相组织主要以粗大的板条状马氏体为主，母材区金相组织主要以细小的板条状马氏体为主。

(4)点焊接头断口形貌特征表现为解理小平面、撕裂棱和河流花样并存。

[1]谷诤巍，张正林，于 鸣，等.超高强度钢板冲压件的激光点焊性能[J].吉林大学学报，2010，40(3)：705-708.

[2]马 宁，胡 平，闫康康，等.高强度硼钢热成形技术研究及其应用[J].机械工程学报，2010，46(14)：68-72.

[3]孙宏图，申国哲，胡 平，等.考虑碰撞安全性的汽车车身轻量化设计[J].机械科学与技术，2010，29(3)：379-386.

[4]Dancette S，Fabregue D，Massardier V，et al.Experimental and modeling investigation of the failure resistance of Adv-anced High Strength Steels spot welds[J].Engineering Fracture Mechanics.2011（78）：2259-2272.

[5]Aslanlar S.The effect of nucleus size on mechanical properties in electrical resistance spot welding of sheets used in automotive industry[J].Materials and Design，2006（27）：125-131.

[6]Hilditch T B，Speer J G，Matlock D K.Effect of susceptibility to interfacial fracture on fatigue properties of spotwelded high strength sheet steel[J].Materials and Design，2007，28:2566-2576.

[7]王 威，张永强，刘兴全，等.TRIP780高强钢的点焊工艺性能[J].电焊机，2011，41（10）：73-76.

[8]张正林.超高强度钢的中频点焊行能研究[D].长春：吉林大学，2010.

[9]金泉军，李中兵，徐有忠，等.热压成型钢板焊接性能研究[J].电焊机，2008，38(11)：15-17.