汽车用热成型钢和双相钢焊接性能差异研究：双相钢可焊性更优

摘要: 为了研究汽车用热成型钢与双相钢焊接性能的差异，采用1.5 mm热成型钢HS1300T和1.5 mm双相钢DP590T与1.9 mm冷弯电阻点焊。轧制钢板CR1180T。对两种板的可焊性窗口、焊点一致性和焊点宏观形貌进行了研究。研究表明，双相钢比热成型钢具有更大的可焊性电流窗口。连续焊接500个焊点后，热成型钢板更容易发生飞溅，飞溅点数量是双相钢的3.72倍。在最佳焊接参数下，热成型钢焊点压痕深度更深，是双相钢的2.62倍；热成型钢焊点熔核更容易形成缩孔。在相同焊接条件下，双相钢比热成型钢具有更好的焊接性能。

关键词：热成型钢；双相钢；电阻点焊；可焊性

随着社会的不断发展，人们的经济实力和生活水平有了很大的提高，汽车已经成为人们常见的交通工具。随着汽车产业的快速发展，环境污染、能源枯竭等一系列问题也随之而来。因此，提高汽车燃油效率、减少废气排放已成为人们高度关注的问题。研究表明，对于乘用车来说，降低钢板密度是实现这一目标的最有效措施[1-3]。汽车重量减轻10%，可降低油耗5%~8%，废气排放也会相应减少[4-7]。实现汽车轻量化是解决能源消耗和环境问题的有效手段。目前，一些轻质合金如铝合金、镁合金等材料广泛应用于汽车制造领域。然而，轻质合金很难满足一些承载部件的要求。为了最大限度地保证汽车的安全性和减轻汽车的重量，汽车车身的强度、车门防撞梁、前后保险杠等安全部件以及一些车身结构件都需要较高的材料强度。因此，先进超高热成型钢和双相钢在汽车制造中得到广泛应用。

在热成形高强钢中添加锰、硼等微量元素，可提高其淬透性[8-9]。热成型钢是将高强度锰、硼等合金钢加热到880℃～930℃，使材料完全奥氏体化，然后将材料放入保温模具中进行冲压，然后在压力下对材料进行淬火。 ，使奥氏体完全转变为马氏体组织，淬火后零件的强度可达1 500 MPa。与热成型钢不同，双相钢（Dual Phase，DP）的显微组织为铁素体+马氏体。铁素体的硬度低，使钢具有较好的成形性，马氏体的硬度高，使钢具有高的强度。目前，国外对热成型钢和DP双相钢的点焊性能进行了大量的研究。在点焊技术、高强钢点焊质量检测和点焊性能评价等方面开展了大量基础工作。它还将热成型钢和双相钢广泛用于汽车制造。国内对这些钢种焊接性的研究相对较少，缺乏相关数据来指导生产。

基于上述情况，本文以热成型钢HS1300T和双相钢DP590T为研究对象。通过进行焊接工艺窗口优化、焊点一致性验证和焊点金相检验，对比分析了两种高强钢的焊接性差异。对不同钢种的焊接性能进行了分析，为热成型钢和双相钢在新车型上的应用提供了一定的指导数据。

试验材料、设备和方法

1.1 试验材料和设备

本文研究的试验材料为1.5 mm热成型钢HS1300T/950Y-MS-AS60G60G、1.5 mm双相钢CR590T/340Y-DP-HD60G60G和1.9 mm冷轧钢板CR1180T/850Y-UNCOATED。热弯型钢抗拉强度1300MPa，屈服强度950MPa，表面铝硅镀层60g/m2；双相钢抗拉强度590MPa，屈服强度340MPa，表面热镀锌层。冷轧钢板的抗拉强度为1180MPa，屈服强度为850MPa，表面无涂层。三种材料的成分如表1所示。试验中分别采用1.5毫米HS1300T、1.5毫米DP590T和1.9毫米CR1180T进行电阻焊，验证两种板材组合的可焊性并比较焊接差异。

表1 钢板化学成分

焊接系统包括ABB点焊机器人、中频直流控制器、机器人焊钳和焊接夹具。电极帽型号为GMWZ-16×20，磨削后端面直径为6 mm。试验时保证冷却水处于长流状态，冷却水流量为8.2L/min。试验设备如图1所示。试验时，将焊接试件固定在夹具上，通过示教机器人程序调整焊接工艺参数，实现自动焊接。

图1 测试设备

1.2 测试方法

1. 可焊性窗口

根据板材组合的等效厚度（Determining Thickness，DT），采用表2所示的焊接工艺规范。在此DT下，焊核直径要求大于或等于5毫米。试验中，首先采用最长焊接时间，调节焊接电流（增量为100A），通过剥离试验检测熔核直径为5mm。此时焊接电流和焊接时间就是A点的坐标。保持最长焊接时间，以A点电流+200A为初始电流值，逐渐增大，每次200A，直到焊点产生焊接电流。记录焊接电流和焊接时间作为D点坐标。然后将焊接时间调整为中等焊接时间和最小焊接时间，确定边界电流B、C、E、F。然后将E点电流-200A记录为G点电流。 G点焊接电流和焊接时间为推荐焊接参数。如图2所示，A、B、C、D、E、F点围成的带材窗口就是板材组合的可焊性窗口。窗口左侧的焊块直径太小。右侧的焊点产生飞溅。然后分别计算三个焊接时间的可焊性焊接电流窗口，即相同焊接时间下的飞溅点焊接电流减去最小焊核对应的焊接电流，得到三个焊接窗口，取其中的最小值三个窗户。记录该焊点的可焊性电流窗口。

表2 焊接试验参数

图 2 可焊性窗口示例

2、焊点一致性验证

将焊机切换到恒流模式，焊接速率为每分钟30个焊点，选择G点焊接参数，连续焊接500个焊点，第50、100、150、200、250、300、350、第400、450个焊接点为，剥离500个焊点检测熔核直径，记录焊接过程中焊点飞溅的数量。

3、焊点金相检验

采用G点焊接参数焊接金相试样，用金相显微镜检查制备好的试样，测量焊核直径、焊核厚度和熔化深度，观察焊核内是否存在裂纹和缩孔缺陷。

结果与分析

电阻点焊过程中，测得的两个电极之间的电阻由电极电阻、电极与极板之间的接触电阻以及极板与极板之间的接触电阻组成，如图3所示。生产过程中，电极帽处会磨削一定数量的焊点。因此，对极板组合焊接性能影响较大的因素是电极与极板、极板与极板之间的接触电阻。

图3 电极间电阻的测量

2.1 可焊性窗口

焊接时间分别调整为170 ms、200 ms和230 ms。根据破坏性检验时的熔核直径和焊点飞溅情况，得出双相钢DP590T和热成型钢HS1300T的焊接性窗口。图4为DP590T和HS1300T的可焊性窗口图。从图4（a）可以看出，当焊接时间为170 ms、200 ms和230 ms时，对应的可焊性电流窗口分别为2 kA、1.9 kA和1.8 kA。随着焊接时间的增加，可焊性电流窗口减小。从图4（b）可以看出，当焊接时间为170 ms、200 ms和230 ms时，对应的可焊性电流窗口分别为1.8 kA、1.7 kA和1.6 kA。同样，随着焊接时间的增加，焊接电流窗口也减小。选择三个焊接电流窗口中的最小值作为可焊性窗口。因此，DP59T0和HS1300T的可焊性窗口分别为1.8 kA和1.6 kA。当可焊性窗口大于1 kA时，认为可焊性良好，因此，两种板材都具有良好的可焊性。随着焊接时间的增加，获得最小焊核直径和焊缝飞溅所需的电流减小。对于固定板来说，完成焊接过程所需的热量是一定的。焊接时间的增加必须减小焊接电流以保持热平衡。因此，焊接电流会随着焊接时间的增加而减小。比较两种板材的可焊性窗口，相同焊接时间下，DP590T的可焊性窗口大于HS1300T。同时，DP590T所需的最小焊接电流和焊接飞溅点的电流值均大于HS1300T。这主要是因为HS1300T比DP590T具有更多的合金元素和更大的碳当量。同时HS1300T表面的铝硅涂层导电性较差，电阻较大。因此，HS1300T的焊接性比DP590T差。

图 4 DP590T 和 HS1300T 的可焊性窗口

2.2 焊点一致性

两块板组合使用G点焊接电流连续焊接500个焊点。每50个焊点对焊点进行剥离实验，测定焊点直径。连续焊接试件尺寸为200mm×300mm。在每个试件上制作48个焊点，然后在150mm×50mm的试件上焊接2个焊点，并将第二个焊点折断。

图5为间隔50个焊点连续焊接500个焊点后两块板材焊核直径的测试结果。 DP590T和HS1300T连续焊接500个焊点时的焊核直径均满足最小焊核直径要求。在最佳焊接参数下，焊点一致性良好。但DP590T的焊核直径一般比HS1300T的焊核直径大，而且DP590T比HT1300T更不容易出现假焊。

图 5：用于焊点检查的焊核直径

图6 500点连续焊接及焊点形貌破坏性检查

图6为实际焊接和拆卸后焊点的形貌。两种材料连续焊接500个焊点后，电极帽未出现严重粘连。 DP590T连续焊接500个焊点，焊接飞溅点数量为65个。HS1300T焊接飞溅点数量为242个，热弯型钢飞溅比较严重。主要是因为热成型钢的Al、Si镀层会增加钢材的表面电阻。表面电阻越大，焊接时工件表面产生的热量越高，越容易产生飞溅。同时，在相同的压力下，热弯型钢的表面变形更小。 ，电极与板材的接触面积较小，热弯型钢表面瞬时发热较大。与双相钢相比，随着焊接点数量的增加，电极帽的表面状况恶化得更快，接触面的电阻值变大，接触面的产热量更高，更容易出现焊接飞溅。发生。

2.3 焊点金相结果

图7为G点焊接参数下两板组合焊点的宏观形貌。

图7 焊点金相相

(1) DP590T 的焊点直径为 6.47 mm，HS1300T 的焊点直径为 6.706 mm。 HS1300T的熔核直径稍大，是DP590T的1.04倍；

（2）DP590T板焊后总厚度为3.285mm，焊接压痕深度为3.4%； HS1300T板材焊接后总厚度为3.098mm，焊接压痕深度为8.9%，HS1300T的焊接压痕更深；

(3)HS1300T存在少量缩松缺陷。

这是因为与DP590T相比，HS1300T的表面接触电阻更大，焊接过程中产生的热量更多。因此，板材表面的压痕深度较深，焊接瞬间热量产生的飞溅导致焊核中心产生缩孔。

综上所述

(1)在相同焊接条件下，双相钢比热成型钢具有更好的焊接性；

（2）DP590T和HS1300T均具有良好的可焊性，且DP590T比HS1300T具有更大的可焊性窗口；

(3)连续焊接500个焊点。两种钢材的电极帽均未出现严重粘连，焊点一致性良好。但热成型钢HS1300T比双相钢DP590T更容易产生焊接飞溅；

(4)与双相钢DP590T相比，热成型钢HS1300T焊核内压痕深度较大，焊核内部易形成缩孔。

参考

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