CR1500HF鍍鋅熱成形鋼點焊接頭性能研究

劉培星 曹光明 孟憲明 李洪亮 方剛 王東坡

（1.天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 天津 300000；2.中國汽車技術(shù)研究中心中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司, 天津 300300；3.山東鋼鐵集團日照有限公司鋼鐵研究院, 日照 276800；4.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122）

1 前言

熱成形工藝是將板料（裸板或鍍層板）加熱至完全奧氏體狀態(tài)，高溫板料轉(zhuǎn)移至模具中進行熱沖壓成形并保壓實現(xiàn)高溫板料淬火提高強度[1-2]。目前，熱成形鋼零部件（抗拉強度達到1 500 MPa，且零部件回彈極小）是車身輕量化中重要高強鋼零部件，已在車身安全結(jié)構(gòu)件中獲得廣泛應(yīng)用，且應(yīng)用比例逐漸提升。

車身中共有3 000～5 000 個點焊接頭，電阻點焊工藝目前是零部件主要連接工藝[3-4]。然而抗拉強度≥1 000 MPa 的鍍鋅（GI 或GA）超高強度鋼板在焊接過程中鋅層發(fā)生液化（鋅層熔點較低），在焊接應(yīng)力的作用下焊點處鋼板表層液態(tài)鋅侵入基體產(chǎn)生裂紋的現(xiàn)象（LME現(xiàn)象），LME嚴重制約鍍鋅超高強鋼的應(yīng)用[5-7]。目前抗拉強度≥1 000 MPa 的超高強鋼鍍層主要是采用電鍍鋅工藝生產(chǎn)，因為電鍍鋅涂層非常薄，焊接過程中Zn 和Fe 之間快速充分擴散，涂層熔點升高。鍍鋅熱成形鋼由于加熱過程中鍍層和基體進行充分擴散，焊接前鍍層熔點已升高，故該種高強鋼將有效降低焊接LME 問題。

本文中選擇2 種CR1500HF 熱成形鋼（鍍鋅板和裸板）分別加熱并進行模具淬火，按照某主機廠點焊評價標準對淬火鋼板進行點焊試驗，比較了鍍鋅熱成形鋼和裸板熱成形鋼點焊工藝窗口，并對鍍鋅熱成形鋼點焊接頭剪切和十字拉伸性能以及焊接LME 現(xiàn)象進行分析，研究結(jié)果可為鍍鋅熱成形鋼點焊生產(chǎn)工藝制定提供參考。

2 試驗

試驗中選用1.5 mm 厚冷軋鍍鋅和連退CR1500HF 熱成形鋼，其化學(xué)成分和材料基礎(chǔ)力學(xué)性能分別見表1 和表2；材料淬火參數(shù)為模壓20 MPa，保壓時間10 s；裸板加熱參數(shù)為930 ℃，保溫5 min；鍍鋅板加熱參數(shù)為890 ℃，保溫5 min。

表1 CR1500HF熱成形鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） %

表2 CR1500HF熱成形鋼淬火后力學(xué)性能

試驗中DB220 型中頻逆變直流電阻電焊機對2 塊鋼板進行搭接焊，工藝參數(shù)見表3，試樣尺寸[3]和搭接方式見圖1。

焊接工藝窗口通過焊點直徑和焊接飛濺情況確定，并采用Zwick Z050 型靜態(tài)拉伸試驗機對焊接工藝窗口臨界焊接參數(shù)條件下的焊接接頭進行剪切拉伸和十字拉伸試驗，并采用金相法觀察焊點接頭LME 現(xiàn)象。

表3 中頻逆變電阻點焊工藝參數(shù)

圖1 點焊試樣尺寸

3 結(jié)果分析與討論

3.1 工藝窗口

通過焊點直徑（臨界焊點直徑按照4 T 計算，為4.90 mm，T 為材料厚度）和焊接飛濺情況確定工藝窗口上下限范圍，CR1500HF淬火態(tài)板料（鍍鋅板和裸板）的電極壓力-焊接電流窗口如圖2。

從圖2 中可以看出，鍍鋅板焊接工藝窗口為1.2～1.6 kA（裸板的焊接工藝窗口為1.4～1.8 kA）。鍍鋅板焊工藝窗口略微降低，但仍然滿足焊接工藝要求（工藝窗口≥1 kA），且隨著電極壓力的增大，焊接電流逐漸增大。由于電極壓力增大，焊接接觸電阻（鋼板與電極之間，鋼板與鋼板之間）減小，根據(jù)焊接能量方程（公式1）可知，電極壓力增大情況下需要增大焊接電流以保證足夠的產(chǎn)熱量熔化鋼板形成焊接熔池。

式中，Q為熱量；I為電流；R為電阻；t為焊接時間。

3.2 點焊接頭力學(xué)性能

為分析點焊接頭力學(xué)性能，對焊接工藝窗口（圖3）左側(cè)和右側(cè)工藝參數(shù)條件下的點焊接頭進行剪切拉伸和十字拉伸試驗，點焊接頭剪切拉力和十字拉伸力結(jié)果分別見圖4 和圖5。

圖2 CR1500HF板材（鍍鋅和裸板）焊接工藝窗口

圖3 焊接工藝窗口示意

圖4 點焊接頭剪切拉伸力

從焊接接頭剪切拉伸力結(jié)果可以看出，工藝窗口左側(cè)條件下點焊接頭剪切力為20 kN 左右，工藝窗口右側(cè)條件下點焊接頭剪切力為25 kN 左右，這是由于焊接電流大，焊點直徑增大故剪切拉伸力增大。

圖5 點焊接頭十字拉伸力

從焊接接頭十字拉伸力結(jié)果可以看出，工藝窗口左側(cè)條件下點焊接頭正拉力為4.5 kN 左右，工藝窗口右側(cè)條件下點焊接頭正拉力為5.3 kN 左右，這是由于焊接電流大，焊點直徑增大，十字拉伸正拉力增大。

3.3 鍍鋅板焊接LME

抗拉強度≥1 000 MPa 的鍍鋅超高強度鋼板，由于鍍鋅層熔點低（400 ℃左右），焊接熱循環(huán)中升溫和降溫時間很短（焊點焊接總時間＜1 s），鋅層-鐵基體之間來不及擴散；鋅層處于液化狀態(tài)，故在焊接應(yīng)力的作用下焊點周邊發(fā)生液態(tài)鋅侵入基體產(chǎn)生裂紋（LME）的現(xiàn)象[8]（圖6），該問題嚴重制約鍍鋅超高強鋼的應(yīng)用。

圖6 焊接過程中出現(xiàn)LME開裂[8]

為分析CR1500HF 鍍鋅板的焊接LME 問題，檢測焊接工藝窗口左側(cè)和右側(cè)工藝參數(shù)條件下的點焊接頭斷面形貌，典型焊點斷面形貌如圖7 所示。

圖7 CR1500HF鍍鋅板點焊接頭斷面形貌

從圖7 中可以看出，點焊接頭中并未出現(xiàn)焊接LME 的問題（邊部未出現(xiàn)裂紋），這是由于鍍鋅熱成形鋼板料在熱成形過程中爐內(nèi)加熱保溫5 min，鋅層和基體之間進行了充分的擴散，加熱后鋅鐵合金涂層中Zn 質(zhì)量分數(shù)降低，涂層熔點大大提高；在焊接熱循環(huán)中的升溫和降溫過程中，涂層熔點進一步提高，焊接過程中LME 風(fēng)險進一步降低。

4 結(jié)論

a.鍍鋅板焊接工藝窗口為1.2～1.6 kA（裸板的焊接工藝窗口為1.4～1.8 kA）。鍍鋅板焊工藝窗口略微降低，但仍然滿足焊接工藝要求（工藝窗口≥1 kA）。且隨著電極壓力的增大，焊接電流逐漸增大；這是由于電極壓力增大，焊接接觸電阻（鋼板與電極之間，鋼板與鋼板之間）減小；

b.工藝窗口左側(cè)條件下點焊接頭剪切力為20 kN 左右，工藝窗口右側(cè)條件下點焊接頭剪切力為25 kN 左右；這是由于焊接電流大，焊點直徑增大。工藝窗口左側(cè)條件下點焊接頭十字拉伸正拉力為4.5 kN 左右，工藝窗口右側(cè)條件下點焊接頭十字拉伸正拉力為5 kN 左右；這是由于焊接電流大，焊點直徑增大；

c.點焊接頭中并未出現(xiàn)焊接LME 的問題（邊部未出現(xiàn)裂紋），這是由于鍍鋅熱成形鋼板料在熱成形過程中爐內(nèi)加熱保溫5 min，鋅層和基體之間進行了充分的擴散，加熱后鋅鐵合金涂層中Zn 質(zhì)量分數(shù)降低，涂層熔點提高。