熱鍍鋅TRIP鋼點焊焊接裂紋分析

賈松青，張永強(qiáng)，劉興全，王 威

（首鋼技術(shù)研究院，北京 100043）

0 前言

隨著節(jié)能減排要求逐漸嚴(yán)格和汽車制造技術(shù)的發(fā)展越來越多的高強(qiáng)度鋼板應(yīng)用于汽車結(jié)構(gòu)件和覆蓋件的制造。汽車應(yīng)用高強(qiáng)度鋼板有烘烤硬化（BH）鋼、含磷強(qiáng)化鋼、雙相（DP）鋼和相變誘發(fā)塑性（TRIP）鋼等。與其他高強(qiáng)度鋼板相比TRIP鋼具有強(qiáng)度高和韌性好的優(yōu)點，是汽車輕量化的理想材料。在汽車制造業(yè)中，電阻點焊是主要的連接技術(shù)[1-2]。由于電阻點焊具有生產(chǎn)效率高、易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，在汽車工業(yè)中廣泛采用，并將繼續(xù)成為汽車工業(yè)中鋼板的主要焊接方法[3]。熱鍍鋅TRIP鋼點焊裂紋比較嚴(yán)重，試驗著重分析600 MPa級別和700 MPa級別兩個鋼種進(jìn)行可焊電流窗口和焊接接頭金相組織，分析TRIP鋼裂紋形成的原因。

1 試驗材料及設(shè)備

1.1 試驗材料

試驗所使用的材料是首鋼順義冷軋公司生產(chǎn)的熱鍍鋅TRIP590+Z鋼板和TRIP690+Z鋼板，鋼板規(guī)格為1.2 mm×40 mm×160 mm。材料成分見表1，力學(xué)性能見表2。

表1 鋼板的化學(xué)成分 %

表2 鋼板的力學(xué)性能和鋅層質(zhì)量

1.2 試驗設(shè)備

試驗所采用的焊接設(shè)備是OBARA st31 IT85固定式中頻逆變點焊機(jī)，電極極頭材質(zhì)為CrZrCu，極頭直徑6 mm。點焊接頭試樣焊接成形后，取點焊接頭焊點的最大橫截面制備標(biāo)準(zhǔn)金相，金相試樣腐蝕試液為4%硝酸酒精溶，使用型號為Leica DMI5000M的金相顯微鏡觀察及照相設(shè)備采集顯微組織相片，并使用型號為Leica HXHXD-1000TM顯微硬度測試儀采集顯微硬度數(shù)據(jù)。同時使用抗剪試驗設(shè)備的型號為Zwick-Z100。

2 試驗方法

焊接試驗的具體參數(shù)見表3，焊接后通過拉伸試驗機(jī)將焊點撕裂，觀察焊核大小。試驗中所用到的可焊電流范圍下限為最小焊核直徑所對應(yīng)的電流，可焊電流范圍上限為焊接時產(chǎn)生飛濺的臨界電流。通過計算可知，最小焊核直徑為4.4 mm。由于焊件表面狀態(tài)、電極表面狀態(tài)等有差別，所得電流值亦有一定差別，但在一個較小范圍內(nèi)變化，可視為合理。焊接過程中電極充分水冷。

當(dāng)極頭安裝好后，對試樣進(jìn)行焊接，以200 A為步長遞增，找到焊接工藝窗口的A點，按照三點滿足條件確定A點原則。焊接工藝窗口由最小焊點直徑曲線和飛濺曲線組成。最小焊點直徑曲線由三個不同焊接時間下的三個試樣確定的最小直徑所對應(yīng)的電流值組成，三個焊接時間在本測試中為：最大（1脈沖、480 ms）、中等（1脈沖、400 ms）、最?。?脈沖、320 ms）。飛濺曲線由這三個焊接時間下試驗發(fā)生飛濺時所對應(yīng)的電流組成。尋找飛濺點時，電流以300 A為步長增長。

表3 焊接窗口試驗參數(shù)表及結(jié)果

在400 ms焊接時間條件下，測試兩種材料持久性打點性能。持久性打點性能測試打點頻率24點/min，每隔100個點測量一次焊點直徑，若焊點形核直徑大于4.4 mm，繼續(xù)進(jìn)行持久性打點性能測試；焊點形核直徑小于4.4 mm，立刻停止試驗，持久性極限值按照最近一次合格的焊點數(shù)計算。當(dāng)測試?yán)鄯e達(dá)到1 000點時，停止試驗。持久性打點性能測試及結(jié)果如表4所示。

表4 持久性打點性能測試及結(jié)果

3 結(jié)果與討論

3.1 焊接電流窗口

兩個焊接試樣的平均焊接窗口分別為3.1 kA，3.3 kA（見圖1），相差0.2 kA。由于此差別在點焊鋼板系統(tǒng)平均誤差以內(nèi)，因此無法分辨是由基板強(qiáng)度引起的誤差還是系統(tǒng)誤差，可以認(rèn)為兩個強(qiáng)度級別的鋼種焊接窗口無明顯差別。

圖1 兩種材料焊接電流窗口對比

3.2 組織性能分析

對試驗樣品進(jìn)行金相組織（見圖2）分析可知，兩種規(guī)格鋼種的金相組織均勻，無明顯的氣孔和裂紋的缺陷，電極壓痕明顯，焊點TRIP590+Z材料在7.2 kA條件下焊點減薄15%，在10.4 kA條件下焊點減薄28%；相比TRIP690+Z材料在7.4 kA條件下焊點減薄12%，在10.7 kA條件下焊點減薄25%。從焊點減薄情況分析，基板強(qiáng)度高的材料減薄情況要優(yōu)于基板強(qiáng)度低的材料，主要原因是基板強(qiáng)度高的材料高溫力學(xué)性能要優(yōu)于基板強(qiáng)度低的材料。

使用掃描電鏡進(jìn)行顯微分析，焊接電流窗口下限時兩種材料的裂紋如圖3所示。

圖2 兩種材料的金相組織

圖3 焊接電流窗口下限時兩種材料的裂紋

圖3a為TRIP590+Z材料在7.4 kA電流條件下焊核邊緣照片，由圖3可知，處于焊接電流窗口下限，焊核直徑比較小，邊緣部分由于注入能量比較小還未形核，形成邊緣間隙，由圖3a測量得邊緣間隙長度約1.2 mm。圖3b為TRIP590+Z材料焊核邊緣的裂紋情況，由圖3b可知，該裂紋與邊緣間隙連接在一起，且隨著距邊緣間隙的距離增大，裂紋逐漸減弱，說明該裂紋主要由邊緣間隙引起，在焊核凝固的過程中，由于邊緣間隙的存在，將產(chǎn)生應(yīng)力集中，裂紋向焊核內(nèi)部擴(kuò)展，屬于焊接冷裂紋。在TRIP690+Z材料焊接電流窗口下限，也會發(fā)現(xiàn)由于邊緣間隙引起的焊接冷裂紋，如圖3c所示。

分析焊接電流窗口上限邊緣間隙，如圖4所示。由圖4a可知，焊核邊緣有長度約0.5 mm的帶狀物，比焊接電流下限時的邊緣間隙小。主要原因是焊接電流大，注入焊核的能量增加，形核充分。

對圖4a中的帶狀物進(jìn)行分析（見圖4b），帶狀物為邊緣間隙的熔合線，對其夾雜物進(jìn)行成分分析，主要夾雜物為Al2O3（見表5），部分位置存在少量的Mg、Si氧化物。形成的主要原因是該位置在焊接前是兩塊鋼板的表面，由于鋅層中含有少量Al，以及鋼板表面的油污水漬等影響，在焊接過程中雜質(zhì)溶入到熔池，熔池邊緣流動性較差，且冷卻速度快，形成的Al2O3夾雜物沉積在邊緣間隙處。

圖4 焊接電流窗口上限時缺陷分析

表5 缺陷位置元素分析 %

3.3 力學(xué)性能分析

對兩個規(guī)格材料進(jìn)行焊點硬度測量，如圖5所示，由圖5可知，TRIP590+Z材料母材的維氏硬度為180～200，焊點中心位置的維氏硬度為400～450。TRIP690+Z材料母材維氏硬度為200～210，焊點中心位置的維氏硬度為420～480。對比兩種規(guī)格材料，TRIP690+Z的硬度較TRIP590+Z無論是母材還是焊縫均有所提高。兩種規(guī)格材料焊點位置硬度波動屬正常情況，未發(fā)現(xiàn)明顯的軟化點或脆性硬化點。

對兩個規(guī)格的試樣進(jìn)行焊點抗剪試驗和正向拉伸試驗，斷裂位置均位于母材，焊點無開裂現(xiàn)象。力學(xué)試驗結(jié)果見表6。

通過力學(xué)分析，對于TRIP590+Z和TRIP690+Z兩種材料的焊接性能滿足使用要求，最大破壞力的差異主要是由強(qiáng)度差異造成的。

4 結(jié)論

（1）對于1.2mm厚熱鍍鋅TRIP590+Z和TRIP690+Z材料的電阻點焊，焊接電流窗口均在3 kA以上，兩個強(qiáng)度級別的鋼種焊接窗口無明顯差別，基板強(qiáng)度高的材料減薄情況要優(yōu)于基板強(qiáng)度低的材料。

（2）焊接電流窗口下限時，邊緣間隙是主要的應(yīng)力集中點，是裂紋產(chǎn)生的開裂源。在焊接電流窗口上限時，邊緣間隙會融合，但內(nèi)部存有Al、Mg、Si的氧化物雜質(zhì)。

圖5 焊縫硬度分布

表6 力學(xué)試驗結(jié)果

（3）兩種材料的顯微硬度和最大破壞力的差異主要是母材性能的差異性造成的。

[1]楊思乾，張勇，李京龍，等.TC3鈦合金的雙脈沖點焊試驗研究[J].新工藝·新技術(shù)·新設(shè)備，2002（11）：45-48.

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