TRIP980高强钢电阻点焊接头的组织及力学性能

TRIP980高强钢电阻点焊接头的组织及力学性能解瑞军，李从增，郑纲，陈芙蓉(内蒙古工业大学材料科学与工程学院，呼和浩特　010051)摘要：采用电阻点焊对TRIP980高强钢进行焊接.通过单因素法和焊后回火优化了焊接参数和工艺，研究了较优焊接参数和工艺时的接头熔核显微组织及力学性能，结果表明，优化参数为9.5kA，22cycle，3kN，接头熔核为粗大的马氏体组织，接头硬度为617.1HV，最大拉剪载荷为17.8kN；在此基础上增加焊后回火，回火电流6.3kA、回火时间13cycle，接头组织显著细化，接头硬度降低至574.0HV，接头最大拉剪载荷提高到19.5kN，增幅为9.6%，断口形式由原先的界面断裂转变为纽扣断裂.关键词：TRIP980高强钢；电阻点焊；组织中图分类号：TG453文献标识码：Adoi：10.12073/j.hjxb.20194000240序　　言随着能源危机、环境污染等问题日益加重，汽车轻量化已然成为汽车发展的重要方向[1].其中，采用高强度薄钢板代替传统的低强度厚钢板是减轻车身重量的有效途径之一[2-3].相变诱发塑性钢(TRIP，transformationinducedplasticity)是近几年新发展起来的汽车用高强钢[4]，因其具有独特的强韧化机制和高的强韧性，被公认为汽车轻量化用钢板中最具发展潜力的新一代高强钢[5]，特别是强度级别较高的TRIP980高强钢的应用比例越来越大[6].然而，TRIP980高强钢碳当量高，淬硬性大，存在焊后脆性和焊接工艺窗口窄等问题，且焊接过程复杂、性能不稳定[7].目前，已有相关人员对TRIP高强钢的焊接开展了一些研究工作.Wei等人[8]采用激光点焊对TRIP980高强钢进行焊接，但是，接头软化的问题不易控制，而且，激光点焊工艺复杂，成本高，限制了其广泛应用.Mazzaferro等人[9]研究了TRIP钢搅拌摩擦点焊接头与工艺参数之间的关系，结果表明，在较低的刀具速度和较长的停留时间下，能够获得优质的焊接接头，但是焊接所需时间较长，搅拌头易磨损，维修费用高，成为其一大弊端.电阻点焊具有简单、灵活、实用性好、焊接成本低、易于实现自动化等优点，多被用于汽车制造行业[10].在兼顾焊接质量和制造成本的前提下，电阻点焊仍然是汽车用高强钢板的首选焊接方式[11].因此，探索和优化TRIP980高强钢电阻点焊的工艺参数，减少存在的焊后脆性等问题，对推动TRIP980高强钢在汽车结构当中的应用具有重要意义.对TRIP980高强钢电阻点焊参数进行了优化，在此基础上，进一步探讨了焊后回火脉冲对点焊接头组织与力学性能的影响，揭示TRIP980高强钢电阻点焊接头的断裂机理，为工业应用提供了理论与试验依据.1试验方法试验材料为1.5mm厚的TRIP980高强钢(鞍钢生产)，化学成分和力学性能分别如表1、表2所示.试样尺寸为100mm×30mm×1.5mm，搭接方式如图1所示.表1钢板的化学成分(质量分数，%)Table1ChemicalcompositionofsteelplateCSiMnAlPSFe0.310.921.950.760.0130.002余量表2钢板的力学性能Table2Mechanicalpropertiesofsteelplate屈服强度ReL0.2/MPa抗拉强度Rm/MPa断后伸长率A(%)700105420收稿日期：2018−09−21基金项目：“内蒙古自治区草原英才”项目资助(415-841829)第40卷第1期2019年1月焊接学报TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTIONVol.40(1):119−123,136January2019301001001.51.51003010030(a)主视图(b)俯视图图1试样尺寸及搭接方式(mm)Fig.1Samplesizeandlapmode试验采用DN-50B型工频电阻点焊机，额定功率50kVA，额定电压380V.电极头选用Cu-Cr圆锥平顶型电极头，端面直径为8mm.焊前将试件用酒精、丙酮清洗并干燥.采用单因素法则分别优化焊接电流、焊接时间、电极压力基本参数，进而将所得较优参数下的试件进行回火处理.回火脉冲时间为13cycle，回火脉冲电流分别为4.3，5.3，6.3kA，设置为三组试样，对其进行观察与硬度测试.采用WDW-200液压万能材料试验机对焊后试样进行拉伸剪切试验，在拉伸时，由于搭接的钢板受力不在一条直线上，分别在试件两端垫上等厚度的钢板，以保证受力均匀.采用光学显微镜对试样进行显微组织观察，腐蚀剂：4%的硝酸酒精，观察不同参数下对熔核区显微组织的影响.利用显微组织观察时使用的试样，在电子硬度测试仪进行接头硬度测试，记录硬度值.硬度测量沿焊点的长轴方向进行，测量间距为为0.5mm，一个点测三次取平均值，加载力为9.8N，加载时间10s.2结果与讨论2.1未回火的金相组织及力学性能图2为点焊接头截面宏观形貌，熔核呈椭圆形.从图中可以看出，点焊接头可分为三个区域，分别是熔核区、热影响区和母材区.0.5mm母材热影响区熔核图2点焊接头截面宏观形貌Fig.2Spotweldingjointmacropattern图3为不同焊接电流下熔核区的显微组织.当焊接时间为25cycle，电极力为3kN，焊接电流从8.5kA增加到9.5kA时，熔核中心的马氏体晶粒呈现长大的趋势.在焊接电流为8.5kA时，因为焊接时输入的热量较小，获得马氏体组织细密.随着焊接电流的增加，焊接输入的热量也增加，马氏体晶粒逐渐变大.焊接电流增加到11.0kA，焊接接头在高温停留较长的时间，使得马氏体组织异常粗大，导致接头性能降低.20μm(c)11kA20μm(b)9.5kA20μm(a)8.5kA图3不同焊接电流下熔核区的显微组织Fig.3Microstructureoffusionzonesatdifferentweldingcurrent图4为不同焊接时间下熔核区的显微组织.当焊接电流为9.5kA，电极力为3kN，在焊接时间为22cycle时，焊接热输入量较小，生成细小马氏体.在焊接时间为28cycle时，熔核中心的组织在高温停留较长的时间，增加了焊接时的输入热量，降低了熔核开始形核的温度梯度，在随后的快速冷却条件下，形成了粗大的马氏体组织.图5为不同电极压力下熔核区的显微组织.焊120焊接学报第40卷接电流为9.5kA，焊接时间为25cycle，电极压力从2.5kN增加到3.0kN时，熔核中心的马氏体晶粒发生了明显的细化.电极压力在2.5kN时，电极头表面与焊板表面的接触面积较小，使得接头处的电流密度大，组织变得粗大，接头性能不好.当电极压力增加到3.0kN时，电极表面与焊板表面的接触面积增加，接触面积的增加使得焊点的热量散发较快，同时也缓解了接头电流密度集中的问题，使得输入热量减小.由于熔核区受热面积增加，受热作用减小，晶粒长大的时间变短，所以，在冷却后的熔核区组织为细小的马氏体.图6为基于单因素法则下焊接电流、焊接时间、电极压力下的点焊接头拉剪载荷.焊接电流在8.0~9.0kA范围内，接头的拉剪载荷随焊接电流的增加而提高，在9.0~10.0kA范围内，变化相对缓慢.焊接电流在9.5kA时接头的拉剪载荷达到峰值，为16.1kN.当焊接电流继续增加，接头的拉剪载荷逐渐减小(图6a).图6b中可以看出，焊接时间在10~19cycle的范围时，接头的拉剪载荷随焊接时间的增加而提高，在19~22cycle范围内，变20μm(b)28cycle20μm(a)22cycle图4不同焊接时间下熔核区的显微组织Fig.4Microstructureoffusionzonesatdifferentweldingtime20μm(b)3.0kN20μm(a)2.5kN图5不同电极压力下熔核区的显微组织Fig.5Microstructureoffusionzonesunderdifferentelectrodepressure7.511拉剪载荷F/kN12131415168.59.5焊接电流I/kA10.511.5(a)焊接电流的影响7.51011拉剪载荷F/kN12131415161520焊接时间t(cycle)2530(b)焊接时间的影响1.82.02.2拉剪载荷F/kN15.516.016.517.017.518.02.42.62.83.2电极压力F/kN3.03.43.6(c)电极压力的影响图6焊接参数对点焊接头拉伸力的影响Fig.6Effectofweldingparametersontensileforceofspotweldingjoint第1期解瑞军，等：TRIP980高强钢电阻点焊接头的组织及力学性能121化相对缓慢.焊接时间在22cycle时接头的拉剪载荷达到峰值，为15.9kN.随着焊接时间的继续增加，接头强度逐步减小.图6c为不同电极压力下接头的最大拉剪失效载荷，从图6c得出，随着电极压力的增加，点焊接头拉剪载荷呈先增加后减小趋势，最大拉剪载荷增加的幅度较小.电极压力在2.0~3.5kN区间内，接头最大拉剪失效载荷变化的数值最大为2.3kN，从而也证明了电极压力是影响接头质量的较小因素.最终优化参数为9.5kA，22cycle，3kN，最大拉剪载荷为17.8kN.2.2回火脉冲对较优参数下熔核组织及硬度影响表3为不同回火电流的焊接参数.在增加回火脉冲后，焊接过程中均无飞溅缺陷产生，且接头美观.图7为不同回火电流时熔核区的显微组织，回火处理使得熔核组织得到细化.在回火处理前，熔核中心的马氏体处于不稳定状态，通过回火通电加热后，使得马氏体中的碳过饱和程度低，在回火通电的作用下，再结晶形成细小的马氏体.在回火电流6.3kA、回火时间13cycle时，接头组织晶粒最为细小，如图7d所示.表4为不同回火电流下熔核区的硬度.由于电阻点焊热影响区在单位宽度范围内的组织形态、组织大小变化剧烈，反映在硬度试验中体现为热影响区硬度值起伏较大，从熔核中心向母材硬度逐渐降低.而熔核中心区域硬度值波动较小，且易于定位，试验数据具有较好的可比对性，所以，在回火处理后只针对接头熔核中心区域进行了硬度测量.从表中得出，在对照组d中，接头熔核中心区域的硬度得到大幅度的降低，为574.0HV.在此回火参数下，接头熔核区的马氏体组织得到了细化，因而接头硬度得到降低，且拉伸力达到19.5kN，在脆硬倾向减小的同时，拉伸力较之明显提高.表3不同回火电流下的焊接参数Table3Weldingparametersunderdifferenttemperingcurrents试验组别焊接电流I/kA焊接时间t(cycle)电极压力F/kN回火回火电流It/kA回火时间tt(cycle)原始组a9.5253——对照组b9.52534.313对照组c9.52535.313对照组d9.52536.31320μm(d)对照组d20μm(c)对照组c图7不同回火电流时熔核区的显微组织Fig.7Microstructureoffusionzonesindifferenttemperingcurrents20μm(b)对照组b20μm(a)原始组122焊接学报第40卷表4不同回火电流下熔核区硬度Table4Hardnessofweldzoneatdifferenttemperingcurrent试验组别硬度值H(HV)平均硬度Hav(HV)原始组a610.5621.2621.3614.6618.0617.1对照组b583.4586586.7584.9590.1586.2对照组c586.2581.2586.0580.8589.7584.8对照组d585.4574.2563.2572.1575.0574.02.3断口形貌文中在未采用回火工艺优化，接头断裂形式为界面断裂.图8为界面断裂断口形貌.从图中看出，界面断口表面并不平整，存在裂缝，有少量韧窝.焊接时，热输入不足，奥氏体晶粒粗大，应力集中的较为明显，使得裂纹容易扩展，呈准解离断