王敏，楊海峰，劉興毅

1.長春工程學(xué)院 機(jī)械與汽車學(xué)院，吉林 長春 130012

2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海） 山東省特種焊接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 威海 264209

0 引言

汽車造成的燃油及環(huán)境問題日漸嚴(yán)峻，輕量化已然成為汽車行業(yè)的重要發(fā)展方向。先進(jìn)高強(qiáng)鋼、鋁合金、鎂合金、復(fù)合材料等新型材料不斷地被應(yīng)用到汽車上，其中先進(jìn)車用高強(qiáng)鋼能在保證汽車安全性能的同時(shí)達(dá)到減輕整車質(zhì)量的目的，在車身中的使用高達(dá)60%，成為汽車行業(yè)的首選。Q&P980鋼作為第三代先進(jìn)高強(qiáng)鋼典型代表，合金含量低、力學(xué)性能較高，延伸率高達(dá)20%，塑性良好，成本低，適用于汽車結(jié)構(gòu)件和內(nèi)部加強(qiáng)板，更加具有使用前景，而焊接接頭的機(jī)械性能決定了汽車的安全性能［1-4］。于燕等［5］對(duì)1.5 mm TRIP鋼板進(jìn)行了電阻點(diǎn)焊研究，得出最佳焊接工藝參數(shù)，其拉伸斷口為韌窩狀的韌性斷口，焊接時(shí)易出現(xiàn)未熔合、縮孔、飛濺。Pasquale等［4］對(duì)Q&P980與TRIP進(jìn)行異種鋼電阻點(diǎn)焊研究，得出焊接接頭的斷裂模式以紐扣斷裂為主，大的工藝參數(shù)使得飛濺增多，致使點(diǎn)焊接頭熔核尺寸減小的同時(shí)，接頭抗剪強(qiáng)度也降低。陶博浩等人［5］采用極差法和方差法對(duì)DP600雙相鋼電阻點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得到最佳焊接參數(shù)，其中焊接電流對(duì)接頭拉剪強(qiáng)度的影響顯著，點(diǎn)焊接頭的熔核組織主要為馬氏體。Eftekharimilani等［6］對(duì)第三代高強(qiáng)鋼進(jìn)行雙脈沖電阻點(diǎn)焊，得出雙脈沖下的第二熔核完全馬氏體化，退火區(qū)為等軸馬氏體，該區(qū)元素偏析顯著降低；雙脈沖點(diǎn)焊能提高接頭的機(jī)械性能，實(shí)現(xiàn)良好的失效模式。陳樹君等［7］對(duì)熱沖壓高強(qiáng)鋼電阻+激光組合焊接，分析了接頭顯微組織、顯微硬度分布、力學(xué)性能、斷裂模式及其斷裂機(jī)理，得出組合焊焊接接頭相對(duì)于單獨(dú)電阻點(diǎn)焊或激光點(diǎn)焊強(qiáng)度和韌性得到明顯提高。

本文以Q&P980超高強(qiáng)鋼為對(duì)象，探索工藝參數(shù)與力學(xué)性能的變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了工藝參數(shù)優(yōu)化。這一研究對(duì)超高強(qiáng)Q&P鋼的實(shí)際生產(chǎn)和理論研究具有意義。

1 試驗(yàn)材料及方法

以1 mm厚的Q&P980鋼板作為試驗(yàn)材料，其化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1、表2。試驗(yàn)鋼的原始組織由貧碳的板條馬氏體和富碳的殘留奧氏體構(gòu)成，如圖1所示，組織中的板條馬氏體大幅度提高了鋼的強(qiáng)度，而殘余奧氏體的存在改善了鋼的韌性。點(diǎn)焊試樣的形式和尺寸如圖2所示。

表1 Q&P980鋼板化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Chemical composition of Q&P980 steel （wt.%）

表2 Q&P980鋼板力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of Q&P980 steel

圖1 Q&P 980鋼的微觀組織Fig.1 Microstructure of Q&P980 steel

圖2 拉剪試驗(yàn)試樣尺寸Fig.2 The dimensions of tensile-shear test specimen

試驗(yàn)設(shè)備采用DN-50交流點(diǎn)焊機(jī)，工藝參數(shù)如表3所示。焊后用線切割將點(diǎn)焊接頭從熔核中心切下，制作金相試樣，使用4%硝酸酒精腐蝕，采用DSX510光學(xué)數(shù)碼顯微鏡測量熔核直徑，觀察接頭顯微組織。并用Zeiss-MERLIN Compact掃描電子顯微鏡對(duì)腐蝕后的金相試樣進(jìn)行分析。拉剪試驗(yàn)在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。采用HMAS-D1000SZ顯微硬度測量系統(tǒng)測量點(diǎn)焊接頭維氏硬度，載荷為100 g，保持加載10 s，測量間隔為0.2 mm。

表3 試驗(yàn)參數(shù)Table 3 Experimental parameters

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 焊接工藝參數(shù)對(duì)焊接接頭拉剪性能的影響

不同工藝參數(shù)對(duì)焊接接頭拉剪力的影響如圖3所示，工藝參數(shù)對(duì)點(diǎn)焊接頭拉剪力的影響趨勢相同，均為先增加后降低。由圖3a可知，拉剪強(qiáng)度隨著焊接電流的增加先增加后降低，當(dāng)電流為12.5 kA時(shí)拉剪力達(dá)到最大值。而當(dāng)電流繼續(xù)增加時(shí)飛濺量也增加，金屬損失率增加，且大的熱輸入會(huì)使熔合區(qū)組織粗大，性能下降。如圖3b所示，焊接時(shí)間較短時(shí)，熔核得不到充分融合，熔核尺寸較小，力學(xué)性能較小。隨著焊接時(shí)間的增加，力學(xué)性能增強(qiáng)；焊接時(shí)間繼續(xù)增加，點(diǎn)焊接頭出現(xiàn)飛濺，接頭質(zhì)量變差，抗剪性能開始明顯下降。如圖3c所示，電極壓力較小不利于散熱，容易產(chǎn)生飛濺，熔核尺寸小，力學(xué)性能差；電極壓力增加，拉剪強(qiáng)度增大；電極壓力增加到一定程度時(shí)，接觸面積增大，電阻變小，散熱速度加快，熔核尺寸變小，但熔核內(nèi)晶粒細(xì)化，因此力學(xué)性能基本保持不變；但當(dāng)電極壓力過大時(shí)，容易發(fā)生飛濺，導(dǎo)致抗剪性能快速下降。綜上，當(dāng)工藝參數(shù)焊接電流12.5 kA，焊接時(shí)間為10 cyc，電極壓力為2.4 kN，獲得較好的抗剪性能。

圖3 焊接工藝參數(shù)對(duì)點(diǎn)焊接頭性能的影響Fig.3 Effect of welding parameters on the properties of welded joints

2.2 焊接接頭斷裂形式和斷口形貌的分析

（1）斷裂模式分析。

斷裂失效模式是評(píng)價(jià)電阻焊接頭力學(xué)性能的重要指標(biāo)之一。本次試驗(yàn)點(diǎn)焊接頭的斷裂模式主要有兩種形式，即焊點(diǎn)斷裂和紐扣式斷裂，如圖4所示。3#試樣對(duì)應(yīng)工藝參數(shù)為：焊接電流12.5 kA，焊接時(shí)間10 cyc，電極壓力2.4 kN，斷裂位置在母材，且斷裂前發(fā)生了大量的塑性變形，該斷裂模式為紐扣式斷裂，且焊點(diǎn)的結(jié)合強(qiáng)度較高。而2#試樣對(duì)應(yīng)工藝參數(shù)為：焊接電流10.5 kA，焊接時(shí)間10 cyc，電極壓力2.4 kN，斷裂在熔核與母材的交界處，恰好位于熱影響區(qū)處塑性環(huán)，而塑性環(huán)是焊接接頭最薄弱的地帶。裂紋會(huì)從靠近塑性環(huán)區(qū)的柱狀晶晶界處開裂，因此認(rèn)為該處屬于薄弱地帶。

圖4 斷裂模式Fig.4 Fracture method

（2）斷口的微觀分析。

采用掃描電鏡觀察微觀斷口，3#試樣斷口呈現(xiàn)大量不同尺寸的圓形或橢圓形韌窩，如圖5a所示。該區(qū)域的韌窩開口沒有明顯變化。韌窩周圍也有凸起的撕裂棱，但沒有解理臺(tái)階，撕裂邊緣均勻且精細(xì)，顯示出典型的韌性斷裂特征。2#試樣斷口形貌如圖5b所示，該斷口屬于混合斷口，存在少量韌窩和大量撕裂棱，且中間混有少量的河流花樣，斷裂模式屬于混合斷裂。

圖5 微觀斷口形貌Fig.5 Micographic of fracture

2.3 較優(yōu)工藝參數(shù)下的點(diǎn)焊接頭顯微組織

焊接電流為12.5 kA、焊接時(shí)間10 cyc、電極壓力2.4 kN時(shí)各區(qū)的微觀組織如圖6所示。按照?qǐng)D6a所示的位置進(jìn)行采點(diǎn)，分析各區(qū)的顯微組織。熔核區(qū)相較于其他區(qū)域的峰值溫度高，高的熱輸入致使該區(qū)組織粗大，晶粒垂直于熔合線生長，該區(qū)微觀組織由粗大板條狀馬氏體及少量鐵素體F構(gòu)成，見圖6b。熱影響區(qū)受到熱循環(huán)以及電極壓力的影響發(fā)生相變。焊接過程中，粗晶熱影響區(qū)峰值溫度遠(yuǎn)高于Ac3，促進(jìn)了奧氏體晶粒的生長，冷卻后形成了較為粗大的板條狀馬氏體組織，見圖6c；細(xì)晶區(qū)峰值溫度剛剛超過奧氏體相變線，加熱過程中形成的細(xì)小的奧氏體冷卻后轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的板條馬氏體組織，見圖6d。臨界區(qū)溫度介于Ac1～Ac3且時(shí)間較短，組織部分奧氏體化，鐵素體、殘余奧氏體含量明顯降低，冷卻后生成了細(xì)小的板條馬氏體LM，部分馬氏體回火分解生成回火馬氏體TM，TM相較于LM更為細(xì)??；同時(shí)在電極壓力作用下，點(diǎn)焊接頭發(fā)生塑性變形，部分殘余奧氏體RA發(fā)生部分相變，轉(zhuǎn)化細(xì)小的LM和鐵素體F，見圖6e。

圖6 點(diǎn)焊接頭的宏觀形貌Fig.6 Macroscopic appearance of spot welded joints

2.4 較優(yōu)工藝參數(shù)下點(diǎn)焊接頭顯微硬度分析

硬度分布如圖7所示，在焊接接頭處細(xì)晶區(qū)硬度最高，這是由于該區(qū)馬氏體含量較多，且晶粒細(xì)小，致使該部分顯微硬度較高，約為485 HV。還可看出焊接接頭熔核中心硬度偏低，可能是該區(qū)組織較粗大所致。

圖7 點(diǎn)焊接頭顯微硬度Fig.7 Hardness distribution of welded joint

2.5 點(diǎn)焊接頭焊接缺陷

Q&P980鋼在焊接時(shí)發(fā)生了內(nèi)部飛濺和外部飛濺，如圖8所示。熔核附近未熔化的母材生成了塑性環(huán)，阻隔了液態(tài)金屬與外界的接觸，焊接時(shí)溫度上升，電極壓力上升，熔核長大，塑性環(huán)向外擴(kuò)張，一旦熱輸入過多，熔核生長速度大于塑性環(huán)的擴(kuò)張速度，塑性環(huán)遭到破壞，熔核內(nèi)的液態(tài)金屬流出，發(fā)生飛濺。焊接接頭的質(zhì)量及力學(xué)性能受內(nèi)部飛濺的影響較大。

圖8 飛濺缺陷表面Fig.8 Surface of the spatter defect

飛濺使得焊接部位金屬缺失，熔核容易生成縮孔，同時(shí)壓痕深度增加，熔核表面容易生成裂紋。內(nèi)部飛濺與焊接工藝參數(shù)有關(guān)，焊接電流大，焊接時(shí)間長，熱輸入大，金屬熔化速度快，而電極壓力小，不利于焊件與焊件、電極與焊件之間的散熱，發(fā)生飛濺。因此，為了保證焊件接頭質(zhì)量，盡可能避免飛濺的發(fā)生，應(yīng)選擇合適的焊接工藝參數(shù)——降低焊接電流，縮短焊接時(shí)間，增大電極壓力。

焊件在熔核區(qū)出現(xiàn)了縮孔缺陷，如圖9所示。焊接接頭冷卻時(shí)，由為熔化的母材處開始結(jié)晶，隨著溫度下降，液態(tài)金屬和結(jié)晶固體的體積都減小，若鍛壓力不足或加壓不及時(shí)，塑性環(huán)內(nèi)金屬運(yùn)動(dòng)速度不及收縮速度，就容易產(chǎn)生縮孔；焊接時(shí)間過長，電極壓力不足，熔核發(fā)生內(nèi)部飛濺，內(nèi)部金屬欠缺，凝固前不能填充孔洞，冷卻速度過快，熔核受到了塑性環(huán)的保護(hù)，結(jié)晶速度快，剩余的液體不足。為了避免縮孔的發(fā)生，應(yīng)保證焊接件表面清潔，調(diào)整焊接參數(shù)，修磨電極表面。

圖9 縮孔形貌Fig.9 Magnification appearance of shrinkage

結(jié)合線伸入缺陷分為單結(jié)合線伸入和雙結(jié)合線深入，結(jié)合線可以深入到熔核區(qū)附近，結(jié)合線兩側(cè)晶粒方向不同，在焊接接頭中普遍存在，如圖10所示。單結(jié)合線伸入的結(jié)合線呈現(xiàn)三角；雙結(jié)合線伸入的生成由飛濺有關(guān)，其結(jié)合線接近于平行，兩結(jié)合線之間存在著大量的飛濺金屬。這種缺陷降低接頭的質(zhì)量，表面質(zhì)量較差。為避免結(jié)合線伸入，應(yīng)避免飛濺的產(chǎn)生，調(diào)整焊接參數(shù)；此外結(jié)合線伸入也可能是因?yàn)楹讣砻娴难趸で宄桓蓛粢鸬?，焊接前?yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的表面清理。

圖10 結(jié)合線伸入Fig.10 Junction line entering

3 結(jié)論

（1）在本文條件下，隨著焊接電流、焊接時(shí)間和電極壓力的增加，接頭拉剪載荷呈先增后減的趨勢，點(diǎn)焊接頭熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)顯微硬度最高，約為485 HV。

（2）Q&P980點(diǎn)焊接頭在不同工藝下的斷裂模式分為兩種，分別是韌性斷裂和混合型斷裂。

（3）當(dāng)焊接時(shí)間10 cyc，焊接電流12.5 kA，電極壓力2.4 kN時(shí)，綜合力學(xué)性能最好。熔核區(qū)由尺寸較粗大的板條馬氏體構(gòu)成，熱影響區(qū)由板條狀馬氏體、鐵素體和奧氏體構(gòu)成。

（5）焊接過程中，焊接接頭存在縮孔以及大量的飛濺和結(jié)合線伸入缺陷，為了避免這些缺陷，需要調(diào)整焊接參數(shù)，保持板材表面清潔，及時(shí)修磨電極表面。