B1500HS热成形钢与DP钢的点焊接头拉剪性能

孙浩， 刘成杰, 2， 毕文珍, 2， 郭亚洲， 王武荣， 韦习成

(1.上海大学，上海 200444；2.宝山钢铁股份有限公司中央研究院，汽车用钢开发与应用技术国家重点实验室(宝钢)，上海 200126；3.上海汽车集团股份有限公司乘用车公司，上海 201804)

0 前言

电阻点焊(RSW)因其成本低、性能好、操作方便而成为汽车车身的主要焊接技术[1]。随着轻量化技术的发展，先进高强度钢(AHSS)的应用是实现汽车轻量化而不降低安全性有效途径之一[2]。热成形钢具有超高抗拉强度(一般≥1 500 MPa)和较好成形性，广泛应用于车身的防撞结构件，如A柱、B柱和防撞梁等[3]。随着车身AHSS钢应用比例日益增长，热成形钢零件与不同强度级别的双相钢(DP)零件的RSW接头量也同步增加，其接头强度必然会影响车身质量和安全性。因此，研究RSW接头性能和失效特征，对提高车辆的耐久性和安全性具有重要意义。

Tamizi等人[4]对热成形钢RSW接头拉剪断裂行为的研究表明，接头的断裂起源于严重软化的亚临界热影响区(SCHAZ)，且对接头强度有重要影响。对1 500 MPa级热成形钢[5-6]点焊接头的硬度分布结果显示，热成形钢侧SCHAZ的硬度比基体的降低约35%～40%。Baltazar等人[7-8]采用纳米压痕试验研究了DP980电阻点焊热影响区(HAZ)的软化特性。其软化主要发生在SCHAZ，硬度下降约10%。Xia等人[9]的研究表明，DP钢的软化程度与基体中马氏体体积分数呈正相关的线性关系。虽然国内外学者对热成形钢的RSW接头进行了大量研究[10-12]，但大多是对自连接的AHSS点焊接头组织性能的研究，对其与异种材料连接接头的对比研究相对较少[13-14]。

对此，文中以B1500HS分别与DP780，DP980，DP1180组成的RSW接头为研究对象，在研究其抗拉强度基础上，对接头的组织、硬度分布及软化机理进行了比较研究，以期指导热成形钢的工程应用。

1 试验材料与方法

1.1 材料

试验所用材料为宝钢B1500HS热成形钢和DP780钢、DP980钢和DP1180钢。B1500HS钢厚度均为1.6 mm，DP780钢的厚度为1.2 mm，DP980钢和DP1180钢的为1.4 mm，其化学成分和力学性能见表1。图1为4种钢板材料的金相组织。B1500HS压淬后的组织为全马氏体，DP780，DP980和DP1180的组织为马氏体+铁素体。

表1 板材的化学成分及力学性能

图1 钢板金相照片

1.2 试验方法与设备

在THP01-500A四柱单动高速压力机上，采用平板淬火模具及冷却系统，模拟B1500HS的热成形过程。试验用加热炉为HT-1800M高温炉(最高加热温度1 800 ℃)。参数如下：加热温度930 ℃，保温时间4 min，下压速度90 mm/s，保压时间15 s，保压吨位130 t。

点焊试验在宝钢的梅达DM150工频交流点焊试验机上进行，电极材料为CrCu合金、端部直径6 mm，点焊使用双脉冲电流方式进行。由于研究主要聚焦于与实际生产相结合的点焊接头性能，故研究的焊接工艺直接选用实际生产的成熟工艺。主要焊接参数为焊接电流7.5 kA，焊接时间分2个周波各10 cyc，2个周波之间间隔1 cyc，电极压力3.6 kN。根据通用标准GWS-5A《Test procedures resistance spot welding of steel》，由2块150 mm×50 mm的矩形钢板搭接焊接而成，重叠部分为50 mm×50 mm，熔核在重叠部分中心位置，如图2所示。由于拉剪试样搭接后的不对称，为消除因夹持不居中造成点焊接头在拉剪试验中板材附加弯矩，在试样两侧夹持部位添加与该侧母材等厚的垫片。接头的拉剪试验在MTS C45-305拉伸试验机上进行，拉伸速率10 mm/min，试验数据为至少3次试验结果的平均值。

图2 拉剪试样的形状和尺寸

采用尼康MA100金相显微镜(OM)观察板材和点焊接头显微组织。使用VHX-1500超景深显微镜观察焊缝宏观形貌。使用ZEISS SIGMA300扫描电子显微镜(SEM)对HAZ的显微组织和成分进行观察和分析，使用SEM观察点焊接头断口形貌。点焊接头显微硬度测试在MH-3型显微硬度计上进行，加载载荷2.94 N，保持时间10 s。根据通用标准GWS-5A进行点焊接头显微硬度的测试，显微硬度沿熔核对角线方向测试，如图3所示。

图3 显微硬度分布示意图

2 试验结果与讨论

2.1 B1500HS/DP1180接头的组织

图4为B1500HS/DP1180点焊接头热影响区宏观组织，其中上部为B1500HS，下部为DP1180。图5和图6为B1500HS/DP1180点焊接头热影响区不同区域显微组织。图5为B1500HS侧HAZ微观组织。根据HAZ的峰值温度的影响，将HAZ可分为粗晶热影响区(CGHAZ，图5a)、细晶热影响区(FGHAZ，图5b)、临界热影响区(ICHAZ，图5c)和亚临界热影响区(SCHAZ，图5d)4个部分。CGHAZ和FGHAZ属于完全淬火区，两者其峰值温度在Ac3以上，组织为全马氏体；与FGHAZ相比，CGHAZ马氏体板条较粗大，因为其和熔核区相邻，峰值温度高，马氏体形核驱动力较大；ICHAZ属于不完全淬火区，其峰值温度在Ac1和Ac3之间，组织呈铁素体(α)+马氏体(M)两相组织；SCHAZ属于回火区域，峰值温度小于Ac1，组织仅发生回火转变，电阻点焊过程中加热时间极短，时间可以忽略，属于非等温回火[8]。此外，从图4e可见大量细小的碳化物颗粒沿着原奥氏析晶界、马氏体块边界等位置弥散析出。与文献[4, 8]对马氏体钢和双相钢焊接接头的非等温回火的研究结果一致。

图4 宏观组织

图5 B1500HS侧HAZ微观组织

图6是DP1180侧HAZ微观组织。其组织演变规律与B1500HS侧相似，图6a是CGHAZ的SEM照片，图6b是FGHAZ的SEM照片，图6c是ICHAZ的SEM照片，图6d是SCHAZ的SEM照片。在ICHAZ中，白色块状铁素体在原DP1180马氏体边界生成。而在SCHAZ，白色亚微米碳化物颗粒可以沿着原奥氏体晶界，马氏体板条块等位置析出[8]。因此，DP1180侧ICHAZ和SCHAZ组织形貌的相似度较高。

图6 DP1180侧HAZ微观组织

B1500HS/DP780和B1500HS/DP980点焊接头的HAZ组织演变情况和B1500HS/DP1180的相似，此处不再赘述。

2.2 3种点焊接头的拉剪性能及断裂模式

图7为3种点焊接头拉剪断裂的峰值力。DP780，DP980和DP1180与B1500HS的点焊接头最大拉剪力平均值分别为22.62 kN，23.92 kN和24.04 kN。三者差值较小，最大差值不足5%。说明文中研究的3种DP钢的强度对接头的拉剪强度影响较小。

图7 不同DP钢与B1500HS点焊接头在拉剪测试中的断裂力

图8为拉剪断裂试样的宏观照片。可以看到，3组点焊接头断裂方式均为半界面断裂。对于B1500HS/DP780(图8a,)而言，焊核被从DP780侧拔出；B1500HS/DP980和B1500HS/DP1180的焊核被从B1500HS侧拔出(图8b和图8c)。这说明在B1500HS/DP780的拉剪过程中，接头的失效首先起源于DP780一侧，其断裂模式与DP780侧的HAZ组织和性能密切相关。而对另外2种接头而言，其失效则起源于B500HS侧，接头强度应取决于B1500HS的HAZ组织和性能。

图8 拉剪断裂试样宏观形貌

图9为3种点焊接头拉剪断口截面形貌。从图9a可见，焊核从DP780侧撕裂，留在B1500HS侧。拉剪过程中，DP780侧SCHAZ最先开始出现颈缩，随后出现裂纹直至焊核完全拔出。该区域组织经历了高温回火，且DP780基体强度远小于B1500HS基体强度，成为了点焊接头最薄弱处。相反，由于缺口的应力集中效应，最终焊核拔出并不与初始断裂位置对称，而是在熔核区和HAZ之间的过渡区域。综上，点焊接头中，SCHAZ由于回火引起的严重软化和熔核区和HAZ之间过渡区的缺口应力集中效应而成为点焊接头薄弱处。图9b和图9c分别是B1500HS/DP980和B1500HS/DP1180的拉剪断口截面形貌。可见2组焊点断裂方式与B1500HS/DP780的相同，均为纽扣断裂，但其熔核从B1500HS侧拔出，分别留在DP1180和DP980侧。这说明B1500HS为点焊接头中的薄弱方，点焊接头失效从B1500HS开始，点焊接头强度取决于B1500HS。因此，为提高汽车的安全性，在研究RSW接头断裂行为时应重点关注这些区域的组织和硬度变化。

图9 拉剪断裂截面形貌

2.3 断裂机理分析

2.3.1点焊接头硬度分布

图10为3种点焊接头的显微硬度分布。对B1500HS/ DP780而言，B1500HS侧熔核区与HAZ之间的过渡区域有轻微硬度下降趋势，Eller等人[15]的研究中也观察到这种现象。Sherepenko等人[16]发现，碳偏析的影响可以解释熔融边界的软化。起源于液相或γ相的高温δ铁素体在加热过程中在熔融边界形成。在随后的快速冷却过程中，它可能会限制碳的重新分配。B1500HS侧CGHAZ的马氏体板条粗大(图5b)，硬度值略有上升，最大达466.0 HV0.3。在ICHAZ中，该区域形成了α+M两相组织，硬度开始快速下降。在SCHAZ中，回火导致碳化物析出(图5a)，马氏体过饱和度下降，但少量碳化物的析出不足以弥补因回火导致的硬度降低，硬度值最低达297.4 HV0.3，较基体硬度(420 HV0.3)下降约29%，软化严重。DP780侧的SCHAZ硬度值为268.7 HV0.3，和其基体硬度(273 HV0.3)相比，无明显软化现象。

图10 3种点焊接头的硬度分布

在B1500HS/DP980组中，B1500HS侧CGHAZ硬度上升，最大值为515.9 HV0.3，SCHAZ硬度最小值为303.7 HV0.3，较其基体硬度470 HV0.3下降约35%。

DP980侧SCHAZ硬度最小值为273.6 HV0.3，基体硬度为330 HV0.3，硬度较基体下降约17%。在B1500HS/DP1180组中，B1500HS侧CGHAZ硬度上升，最大值为537.3 HV0.3，SCHAZ硬度最小值为302.4 HV0.3，较其基体硬度470 HV0.3下降约36%。在DP1180侧，CGHAZ硬度无明显上升，SCHAZ硬度最低，其值为301.3 HV0.3，较其基体硬度400 HV0.3下降约25%。表2对3种点焊接头B1500HS和DP钢侧热影响区硬度最大值、最小值和软化率进行了对比。

表2 3组点焊接头热影响区硬度最大值、最小值和软化率 HV0.3

2.3.2点焊接头SCHAZ组织分析

为了研究接头软化与组织的关系，对3种接头的SCHAZ组织进行了分析。图11为3种接头B1500HS侧和DP钢侧SCHAZ的SEM照片，对应3种接头首先出现颈缩的部位。B1500HS侧SCHAZ大量细小的亚微米级碳化物沿原奥氏体晶界、马氏体块边界和马氏体板束等位置析出，马氏体过饱和度下降。在3种DP钢的SCHAZ中，随着DP钢强度上升，铁素体量下降，回火马氏体量增加，相应的软化程度增大。相反，DP钢强度级别越高，对应的基体硬度越高，接头的SCHAZ软化越严重。虽然3种接头DP钢侧的软化程度不同，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硬度差值远小于其基体的硬度差(273 HV0.3，330 HV0.3和400 HV0.3)，见表2。

图11 3种点焊接头SCHAZ组织

对于B1500HS/DP780，由于DP780的HAZ无明显软化现象，且其基体硬度较低，导致在拉剪试验过程中最终从该侧HAZ断裂(图9a)。对于B1500HS/DP980和B1500HS/DP1180，B1500HS的HAZ表现出更严重的软化现象，且CGHAZ和SCHAZ之间的硬度梯度较大(表2)，导致B1500HS侧HAZ首先开始颈缩(图9b和图9c)。因此，在B1500HS与异种钢的焊接中，也应该关注对焊DP钢的强度。随着DP钢强度的上升(主要是马氏体含量增加)，焊核拔出位置会由DP钢侧转变到B1500HS侧。

3 结论

(1)根据HAZ的峰值温度的影响, 可以将HAZ分为粗晶HAZ，细晶HAZ，临界HAZ和亚临界HAZ。其中粗晶HAZ和细晶HAZ属于完全淬火区，组织为马氏体；临界HAZ属于不完全淬火区，组织为铁素体+马氏体；亚临界HAZ经历回火转变，马氏体过饱和度下降，板条分解，有细小的碳化物析出。

(2)3种点焊接头强度最大拉剪力平均值分22.62 kN，23.92 kN和24.04 kN，三者差值较小，最大差值不足5%。对于B1500HS/DP780，焊核从DP钢侧拔出；而对于B1500HS/DP980和B1500HS/DP1180，焊核从B1500HS侧拔出。初始断裂位置在亚临界HAZ，最终断裂位置在熔核区和HAZ之间的过渡区域。

(3)B1500HS侧亚临界HAZ软化严重，较基体硬度下降约29%～36%，而DP780无明显软化现象，DP980和DP1180侧的亚临界HAZ软化率分别为17%和25%。随着DP钢强度的上升，焊核拔出位置会由DP钢侧转变到B1500HS侧。