PHS2000汽車鋼電阻點(diǎn)焊焊接工藝研究

王立剛

摘 要：（超）高強(qiáng)鋼由于其優(yōu)異的力學(xué)性能，在汽車中的應(yīng)用逐年增加，必須對(duì)其焊接行為進(jìn)行研究。以最新型2 000 MPa級(jí)PHS2000汽車鋼進(jìn)行電阻點(diǎn)焊試驗(yàn)，建立了其焊接工藝窗口，并對(duì)力學(xué)性能和微觀組織進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示該高強(qiáng)鋼具有較大的可焊工藝窗口，在230、200 和170 ms條件下，焊接電流范圍分別為6.6～11.4、7.6～11.8和8.8～12.2 kA。焊后焊點(diǎn)內(nèi)部形成了針狀馬氏體結(jié)構(gòu)，硬度與母材相比有所提升。在熱影響區(qū)中則形成了鐵素體與馬氏體的混合組織，其平均硬度值為360 HV，低于母材水平。

關(guān)鍵詞：PHS2000；電阻點(diǎn)焊；微觀組織；力學(xué)性能

RESEARCH ON PHS2000 AUTOMOTIVE STEEL RESISTANCE SPOT WELDING PROCESS

Wang Ligang

（Zhuji Xinfu Entertainment Equipment Technology Co.， Ltd.? ? Zhuji? ? 311824，China）

Abstract：The application of high-strength steel in automobiles is increasing year by year due to its excellent mechanical properties， and its welding behavior must be investigated. In this paper， resistance spot welding experiments were conducted with the latest 2 000 MPa grade PHS2000 automotive steel to establish its welding process window and to analyze the mechanical properties and microstructure. The results show that the high-strength steel has a large weldable process window， with welding currents ranging from 6.6 to 11.4 kA， 7.6 to 11.8 kA and 8.8 to 12.2 kA at 230 ms， 200 ms and 170 ms， respectively. The welded joints form a pin-like martensitic structure in the fusion zone， with an increase in hardness compared to the base material. In the heat affected zone， a mixed ferrite and martensite structure was formed with an average hardness value of 360 HV， which is lower than the level of the base material.

Key words：PHS2000; resistance spot welding; microstructure; mechanical property

0? ? 前? ?言

汽車輕量化可以有效減少碳排放、增加新能源汽車?yán)m(xù)航里程，成為研究的焦點(diǎn)[1-2]。使用高強(qiáng)鋼和超高強(qiáng)鋼是降低車身重量的有效途徑，目前車身用高強(qiáng)鋼已經(jīng)由980 MPa級(jí)別向1 500 MPa級(jí)擴(kuò)展，未來2 000 MPa熱成形鋼的應(yīng)用成為必然的趨勢(shì)[1-3]。采用更高強(qiáng)度的汽車鋼可以在保證強(qiáng)度的同時(shí)，使結(jié)構(gòu)件更為輕薄[4-5]。據(jù)統(tǒng)計(jì)2 000 MPa熱成型鋼零件可以比現(xiàn)有1 500 MPa級(jí)別的鋼種進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)零件減重10%～15%[6]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)2 000 MPa高強(qiáng)鋼的強(qiáng)韌化機(jī)制、氫致延遲斷裂行為、動(dòng)態(tài)變形行為等進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了汽車鋼的制備以及結(jié)構(gòu)件的初步生產(chǎn)[7-9]。然而，先進(jìn)熱成形鋼在車身的應(yīng)用離不開焊接技術(shù)支撐，對(duì)此，目前國內(nèi)外學(xué)者都進(jìn)行了廣泛的研究。主要的研究方法包括激光焊接、電弧焊接和電阻點(diǎn)焊等方法，通過對(duì)焊接參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化、對(duì)微觀組織進(jìn)行觀察，以及對(duì)力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試。針對(duì)1 500、1 800 MPa級(jí)熱成形鋼，目前研究結(jié)果表明，由于鋼的強(qiáng)度和硬度提升，會(huì)使其焊接工藝窗口減小、缺陷增加。最主要的是，由于熱循環(huán)的作用，焊后熱成形鋼原有的強(qiáng)化機(jī)制失效，不可避免的會(huì)出現(xiàn)熱影響區(qū)的軟化問題，這對(duì)熱成形鋼的應(yīng)用提出了挑戰(zhàn)。

2 000 MPa熱成形鋼屬于國際領(lǐng)先技術(shù)，目前還極少在車身中得到應(yīng)用，相關(guān)結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)和制作都處于先期研發(fā)階段。隨著力學(xué)性能的進(jìn)一步提升，2 000 MPa熱成形鋼組織和性能與傳統(tǒng)鋼存在更為顯著的差異，其可焊性與焊后的力學(xué)性能均需要系統(tǒng)的試驗(yàn)以進(jìn)行評(píng)估。PHS2000是最新型的2 000 MPa級(jí)汽車熱成形高強(qiáng)鋼，電阻點(diǎn)焊是車身中應(yīng)用最廣的焊接方法。因此，本論文針對(duì)PHS2000超高強(qiáng)鋼進(jìn)行電阻點(diǎn)焊試驗(yàn)。以車企焊接標(biāo)準(zhǔn)為參考，研究焊接工藝對(duì)力學(xué)性能、微觀組織、硬度的影響規(guī)律，建立相應(yīng)的焊接工藝數(shù)據(jù)庫，為超高強(qiáng)度熱壓成型鋼在汽車行業(yè)的應(yīng)用和結(jié)構(gòu)件的焊接提供技術(shù)支持。

1? ? 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)所用材料為本鋼P(yáng)HS2000，厚度均為

1.4 mm，化學(xué)成分如表1所示，原始微觀組織如圖2所示。

參考《Global Welding Standard Test Procedures： Resistance spot welding of steel GWS-5A》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，根據(jù)1.4 mm板厚確定最大焊接時(shí)間230 ms；中等焊接時(shí)間200 ms；最小焊接時(shí)間170 ms；電極加載力3.6 kN。在不同焊接時(shí)間條件下，進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)并采用十字拉伸、拉伸剪切實(shí)驗(yàn)進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。對(duì)典型接頭局部微觀組織進(jìn)行分析，并對(duì)維氏硬度進(jìn)行測(cè)量以研究接頭軟化行為，測(cè)試點(diǎn)間距200 μm，載荷為50 kgf。

2? ? 結(jié)果與討論

首先對(duì)焊點(diǎn)尺寸、焊接過程進(jìn)行觀察和測(cè)量，以確定PHS2000電阻點(diǎn)焊的焊接窗口值。窗口值得評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)為：開焊工藝邊界為當(dāng)焊點(diǎn)可以被徒手掰斷時(shí)，電流最小值A(chǔ)、B和C點(diǎn)；焊點(diǎn)尺寸最小值時(shí)（4 mm板厚的焊點(diǎn)直徑）為焊接窗口最小值，而當(dāng)產(chǎn)生飛濺時(shí)判定為電流上限G、H和I。測(cè)試結(jié)果顯示，焊接時(shí)間分別為230、200 和170 ms時(shí)，分別在11.4、11.8和12.2 kA條件下分別產(chǎn)生明顯的焊接飛濺，對(duì)應(yīng)窗口中G、H和I點(diǎn)，如圖3所示。進(jìn)一步對(duì)接頭強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，首先確定徒手拉斷條件，以確定開焊區(qū)邊界線焊接電流為6.0、7.2和8.4 kA，分別為A、B和C點(diǎn)。

焊接結(jié)束后，對(duì)不同參數(shù)條件下的焊點(diǎn)橫截面進(jìn)行觀察并對(duì)，尺寸進(jìn)行測(cè)量，典型形貌如圖4所示。接頭分為焊核區(qū)、熱影響區(qū)和母材三個(gè)典型區(qū)域。焊點(diǎn)尺寸隨焊接電流變化的規(guī)律如圖5所示。從圖中可以看出，電流隨著焊接時(shí)間的增加，焊接成形所需的最小焊接電流也隨之提高。在相同焊接時(shí)間條件下，焊點(diǎn)尺寸隨著焊接電流的提高而整體呈線性增加，但當(dāng)焊接電流較大時(shí)，其尺寸增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩。當(dāng)達(dá)到焊接電流最大閾值時(shí)，由于飛濺的產(chǎn)生焊點(diǎn)直徑均有所減小。最終根據(jù)焊點(diǎn)尺寸對(duì)應(yīng)焊接工藝標(biāo)準(zhǔn)，確定在230、200 和170 ms時(shí)，焊接工藝窗口分別為6.6～11.4、7.6～11.8和8.8～

12.2 kA，如圖3所示。

對(duì)典型230 ms焊接時(shí)間條件下的接頭進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯觯S著焊接電流的增加，十字拉伸和剪切拉伸試驗(yàn)其強(qiáng)度都呈線性增加，其中十字拉伸最高強(qiáng)度可以達(dá)到4.8 kN，而剪切拉伸試驗(yàn)最高值為19.7 kN，其拉伸斷裂模式均為紐扣斷裂特征，滿足電阻點(diǎn)焊接頭失效模式要求。

采用光學(xué)顯微鏡進(jìn)一步分析焊接接頭不同區(qū)域的組織，觀察區(qū)域如圖4 中a-f 點(diǎn)所示，a 為焊核區(qū)中心，b 為焊核靠近熔合區(qū)位置，c、d、e 為熱影響區(qū)從焊核往母材方向三個(gè)特征點(diǎn)，f 為母材。焊點(diǎn)截面微觀組織如圖7 所示。焊核區(qū)組織為馬氏體組織，熱影響區(qū)由于焊接熱循環(huán)的作用，其不同區(qū)域組織差異較大，靠近焊核區(qū)加熱溫度高于Ac3 溫度，冷卻后為粗大馬氏體組織，硬度值較高，而加熱溫度介于Ac1～Ac3 的區(qū)域，形成鐵素體與馬氏體的混合組織，硬度值明顯降低，形成軟化區(qū)。母材區(qū)沒有受到焊接熱量影響，為細(xì)晶馬氏體組織。

焊點(diǎn)硬度測(cè)試結(jié)果如圖8所示，母材（BM）平均硬度為467 HV，焊核（FZ）平均硬度為610 HV，熱影響區(qū)（HAZ）出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，最低值為360 HV，形成明顯的軟化區(qū)。這是由于熱循環(huán)的作用下，高強(qiáng)鋼原有板材強(qiáng)化機(jī)制失效導(dǎo)致硬度相應(yīng)的降低，成為接頭薄弱區(qū)域。軟化區(qū)的硬度值及其寬度受焊接參數(shù)影響顯著，對(duì)接頭整體力學(xué)性能表現(xiàn)有決定性作用。雖然高強(qiáng)鋼焊后不可避免的會(huì)存在熱影響區(qū)，但在力學(xué)性能測(cè)試中可以看出，焊點(diǎn)尺寸的增加可以提供足夠的強(qiáng)度，焊接接頭滿足車身等結(jié)構(gòu)件的需求。

3? ? 結(jié)? ? 論

1）熱壓成型鋼P(yáng)HS2000點(diǎn)焊接頭的熔核區(qū)顯微組織為馬氏體為主，熱影響區(qū)近母材一側(cè)由于F鐵素體析出，焊接窗口曲線范圍內(nèi)，點(diǎn)焊接頭的破壞性試驗(yàn)中焊點(diǎn)的失效形式為熔核拔出。

2）當(dāng)采用最大焊接時(shí)間230 ms時(shí)，焊接電流從6.6 kA到11.4 kA；中等焊接時(shí)間200 ms，焊接電流從7.6 kA到11.8 kA；當(dāng)采用最小焊接時(shí)間170 ms時(shí)，焊接電流從8.8 kA到12.2 kA。工藝窗口范圍內(nèi)接頭失效形式均為紐扣式失效（韌性斷裂）。

3）焊接接頭的顯微硬度分布規(guī)律如下：熔核區(qū)的平均硬度為610 HV，從熔核邊界到母材熱影響區(qū)的硬度逐漸降低至最低360 HV。母材一側(cè)出現(xiàn)了熱影響區(qū)軟化現(xiàn)象，但接頭軟化區(qū)最大寬度在1.5 mm。金相組織分析發(fā)現(xiàn)是由于回火馬氏體和少量鐵素體存在，導(dǎo)致該區(qū)域顯微硬度降低。

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