王 威１,張永強(qiáng)２,徐興智１,尚永輝１,李珊珊１

(１．北京奔馳汽車有限公司,北京 １００１７６;２．首鋼技術(shù)研究院,北京 １０００４３)

摘 要:利用拉伸試驗(yàn)設(shè)備對(duì)１．２mm 厚 DP７８０冷軋熱鍍鋅鋼板點(diǎn)焊接頭分別進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)拉伸和高速拉伸試驗(yàn),分析了點(diǎn)焊接頭的高速拉伸特性,并與母材的進(jìn)行了對(duì)比.結(jié)果表明:在準(zhǔn)靜態(tài)拉伸和高速拉伸時(shí),點(diǎn)焊接頭試樣分別在一側(cè)母材和過(guò)渡弧處發(fā)生斷裂;準(zhǔn)靜態(tài)拉伸時(shí)的最大拉伸力為９．９０kN,隨著應(yīng)變速率的增大,最大拉伸力逐漸增大,在應(yīng)變速率為５００s－１時(shí)達(dá)到１１．５０kN;當(dāng)應(yīng)變?yōu)椋埃玻皛０．２５時(shí),點(diǎn)焊接頭發(fā)生斷裂失效,而此時(shí)仍處于母材的安全有效區(qū)間內(nèi).

關(guān)鍵詞:應(yīng)變速率;DP７８０冷軋鍍鋅鋼;點(diǎn)焊接頭;拉伸性能

０ 引 言

電阻點(diǎn)焊是車身鋼板最基本、應(yīng)用最廣的連接技術(shù),大部分薄壁構(gòu)件通過(guò)點(diǎn)焊連接進(jìn)行裝配.對(duì)于車身某零件的焊接總成來(lái)說(shuō),焊點(diǎn)的質(zhì)量對(duì)金屬薄壁結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度、噪聲、震動(dòng)、不平順性、耐久性均有重要影響.在進(jìn)行汽車碰撞特性研究時(shí)發(fā)現(xiàn),焊點(diǎn)不僅起到連接車身零件的作用,它的失效行為還影響著車身各部件的動(dòng)力學(xué)關(guān)系[１],對(duì)整車的碰撞性能起著至關(guān)重要的作用.

雙相(DP)鋼具有成形性良好、能量吸收率高、屈強(qiáng)比低以及初始加工硬化率高等特點(diǎn)[２Ｇ４],隨著汽車輕量化的發(fā)展,其在車身的應(yīng)用越來(lái)越 多.DP鋼焊接接頭的軟化和破壞方式與傳統(tǒng)低碳鋼的不同.對(duì)于傳統(tǒng)的低碳鋼而言,焊核的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于所連接零件的材料強(qiáng)度,其失效方式一般表現(xiàn)為脆性斷裂,在汽車碰撞過(guò)程中起到的只是傳遞力的作用.

但是 DP鋼焊接接頭的軟化使其強(qiáng)度相對(duì)于周圍零件不占優(yōu)勢(shì),在經(jīng)歷撞擊時(shí)極有可能發(fā)生塑性變形而導(dǎo)致失效[５Ｇ６],這必然會(huì)對(duì)車身設(shè)計(jì)及碰撞安全評(píng)估造成巨大的偏差.目前,對(duì) DP７８０鋼點(diǎn)焊接頭的研究主要集中在點(diǎn)焊接頭組織和力學(xué)性能的分析及工藝參數(shù)的優(yōu)化上[７Ｇ８],且都是在準(zhǔn)靜態(tài)載荷下的相關(guān)性能分析.因此,在進(jìn)行車身碰撞仿真和車身安全設(shè)計(jì)時(shí)缺乏必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論分析.

為此,作者對(duì) DP７８０冷軋熱鍍鋅鋼板(以下簡(jiǎn)稱 DP７８０＋Z鋼板)的點(diǎn)焊接頭進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)和高速拉伸試驗(yàn),對(duì)比分析了不同應(yīng)變速率下接頭的拉伸特性,為不同碰撞條件下點(diǎn)焊接頭承載性能的研究提供試驗(yàn)和理論依據(jù).

１ 試樣制備與試驗(yàn)方法

１．１ 試樣制備

試驗(yàn)材料為某鋼廠生產(chǎn)的１．２mm 厚 DP７８０＋Z鋼板,其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/％)為０．１６C,０．５１Si,

１．８７Mn,０．００１S,０．００８P,０．０３６Al;抗拉強(qiáng)度為８１６MPa,屈服強(qiáng)度為４８２MPa,斷后伸長(zhǎng)率為１９．５％.在鋼板上截取出尺寸分別為１５０mm×３０mm×１．２mm和２５０mm×３０ mm×１．２ mm 的 試 樣,用 丙 酮 清洗后進(jìn)行搭接,使用 DBＧ２２０型逆變點(diǎn)焊機(jī)進(jìn)行點(diǎn)焊,點(diǎn)焊接 頭 的 尺 寸 如 圖 １ 所 示.點(diǎn) 焊 時(shí) 采 用 鉻鋯銅材料的圓錐形電極,端頭直徑８．０ mm.對(duì)點(diǎn)焊參數(shù)進(jìn)行 優(yōu) 化,確 定 點(diǎn) 焊 試 驗(yàn) 工 藝 參 數(shù) 為 電 極壓力３．１kN、焊接時(shí)間０．２４s、維持時(shí)間０．４０s、焊接電流９４００A;試樣焊點(diǎn)直 徑 為 ８．０ mm.在 優(yōu)化點(diǎn)焊 工 藝 參 數(shù) 下 制 備 了 如 圖 １ 所 示 的 點(diǎn) 焊 接頭.

１．２ 試驗(yàn)方法

在ZwickＧZ１００型準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行點(diǎn)焊接頭的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn),應(yīng)變速率為０．１s－１;采用 VHS１６０/１００Ｇ２０型高速拉伸設(shè)備進(jìn)行點(diǎn)焊接頭和母材試樣的高速拉伸試驗(yàn),應(yīng)變速率分別為１０,１００,５００s－１.準(zhǔn)靜態(tài)拉伸和高速拉伸時(shí)接頭試樣的形狀和尺寸相同,均在如圖１所示的點(diǎn)焊接頭上切割而成,母材拉伸試樣則截取自 DP７８０＋Z鋼板.接頭和母材拉伸試樣的尺寸如圖２所示.

２．１ 點(diǎn)焊接頭的靜載拉伸性能

由圖３可以看出:３個(gè)點(diǎn)焊接頭試樣的最大拉 伸力基本相同.

由表１可以看出,點(diǎn)焊接頭試樣的最大拉伸力平均值為９．９０kN,斷裂均發(fā)生在一側(cè)母材,且距離焊點(diǎn)有一定距離.可見(jiàn)點(diǎn)焊接頭在準(zhǔn)靜態(tài)拉伸時(shí)的拉伸性能優(yōu)于其母材的,拉伸斷裂首先發(fā)生在母材上.

２．２ 點(diǎn)焊接頭的高速拉伸性能

由圖４可見(jiàn):高速拉伸時(shí)點(diǎn)焊接頭的最大承載應(yīng)力隨應(yīng)變速率的增大呈逐漸增加的變化趨勢(shì),這與其母材的變化趨勢(shì)相同,且點(diǎn)焊接頭的最大承載應(yīng)力低于相同應(yīng)變下母材的;點(diǎn)焊接頭的高速拉伸承載應(yīng)力在應(yīng)變?yōu)椋埃保皛０．２０時(shí)達(dá)到極限值,在應(yīng)變達(dá)到０．２０特別是０．２５以后,點(diǎn)焊接頭發(fā)生斷裂;

母材的高速拉伸承載應(yīng)力在應(yīng)變?yōu)椋皛０．２５時(shí)一直呈持續(xù)增 大 的 變 化 趨 勢(shì).可 見(jiàn):當(dāng) 應(yīng) 變 在 ０．２０~０．２５時(shí),點(diǎn)焊接頭試樣發(fā)生斷裂失效,而此時(shí)仍處于母材的安全有效區(qū)間.

由表２可以看出,在應(yīng)變速率為１０,１００,５００s－１下拉伸后,點(diǎn)焊接頭試樣均在接頭過(guò)渡弧處發(fā)生拉剪斷裂.當(dāng)應(yīng)變速率達(dá)到５００s－１時(shí),點(diǎn)焊接頭的熱影響區(qū)部分出現(xiàn)撕裂,如圖５所示.結(jié)合表１和表２分析可知:點(diǎn)焊接頭在準(zhǔn)靜態(tài)和高速拉伸時(shí)的最大拉伸力不同,隨著應(yīng)變速率的增大,最大拉伸力增大.在進(jìn)行車身焊點(diǎn)設(shè)計(jì)和碰撞仿真時(shí),要注意點(diǎn)焊接頭的準(zhǔn)靜態(tài)承載性能和高速承載性能的差異,避免出現(xiàn)點(diǎn)焊接頭的破壞和零件的整體失效.

進(jìn)應(yīng)力松弛,從而減少脆性斷裂傾向,保證在較高的 抗拉強(qiáng)度下具有較好的韌性;鉬元素可以縮小 γ相 區(qū),形成強(qiáng)碳化物,推遲先共析鐵素體轉(zhuǎn)變而有利于 形成貝氏體,從而提高焊縫的強(qiáng)度;鋁元素在焊接過(guò) 程中會(huì)形成 Al２O３,針狀體素體以 Al２O３ 夾雜物為 核心進(jìn)行多維形核并呈放射狀生長(zhǎng),隨著鋁元素含 量的增加,針狀鐵素體先增加后減少,保證了焊縫的 沖擊韌性;鈦元素為高熔點(diǎn)化合物結(jié)晶核心,細(xì)化焊 縫晶粒,當(dāng)焊縫中加入與氮元素親和力極高的鈦元 素時(shí),鈦元素便會(huì)和自由氮發(fā)生結(jié)合,降低了氮含 量,同時(shí)還可以生成的 Ti(C,N)、TiO２ 夾雜物,有 利于奧氏體晶內(nèi) AF 的形核.因此,必須綜合控制 焊縫中合金元素的含量,通過(guò)金屬元素的沉淀強(qiáng)化、 微合金析出強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化來(lái)提高焊縫區(qū)的強(qiáng)度和 韌性以保證焊縫區(qū)的力學(xué)性能.

綜上所述,在進(jìn)行車身安全設(shè)計(jì)和碰撞仿真時(shí)不能把點(diǎn)焊接頭連接簡(jiǎn)單化為母材連接.DP７８０＋Z鋼多用于汽車的防撞加強(qiáng)件,在實(shí)際碰撞過(guò)程中許多焊點(diǎn)比母材先達(dá)到強(qiáng)度極限發(fā)生斷裂,使整車碰撞剛度減小[９].因此,在車身安全設(shè)計(jì)和碰撞模擬過(guò)程中必須考慮點(diǎn)焊接頭的高速拉伸承載特性,否則會(huì)影響仿真模擬的精度和有效性.

３ 結(jié) 論

(１)點(diǎn)焊接頭試樣在進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)拉伸和高速拉伸時(shí),分別在焊點(diǎn)附近一側(cè)母材和接頭過(guò)渡弧處發(fā)生斷裂;最大拉伸力在準(zhǔn)靜態(tài)時(shí)為９．９０kN,隨著應(yīng)變速率的提高最大拉伸力逐漸增大,在５００s－１時(shí)達(dá)到１１．５０kN.

(２)點(diǎn)焊接頭試樣在應(yīng)變達(dá)到０．２０~０．２５時(shí)發(fā)生斷裂失效,而此時(shí)仍處于母材的安全有效區(qū)間.

(３)由于實(shí)車碰撞中點(diǎn)焊接頭的斷裂失效與母材不同,在車身安全設(shè)計(jì)和碰撞模擬中必須考慮點(diǎn)焊接頭的高速拉伸承載特性,否則會(huì)影響仿真模擬的精度和有效性.