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[摘 要]采用不同碳当量2.0mm厚的SAPH440材料进行点焊对比实验，研究了碳当量对可焊区间、剪切拉伸、十字拉伸拉力、熔核直径、焊点强度的影响。结果表明，酸洗汽车用钢SAPH440的碳当量由0.22%降低至0.17%后，可焊区间无变化；熔核直径首次达4.25√t=6.01mm时，接头强度提高，且全部为纽扣断裂，TSS界面断裂电流区间由2.4KA减小至0.8KA，同时TSS界面断裂点断口形貌为韧性断裂。降低碳当量，该钢种的焊接综合性能显著提高。
[关键词]碳当量；可焊区间；熔核直徑；接头强度；纽扣断裂；韧性断裂
中图分类号：TU639 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）14-0209-03
中国是世界第一次大汽车产销国，随着汽车保有量的逐年增加，能源消耗和环境污染问题也日益突出，节能减排成为汽车生产厂家首要面临的问题之一[1-2]。酸洗钢板是以热轧钢板为原料，经酸洗工艺除氧化层，获得表面质量和使用要求介于热轧板和冷轧板之间的中间产品，是部分热轧板和冷轧板的理想、经济的替代的板带产品[3]。SAPH440酸洗钢板是抗拉强度为440 MPa 级的汽车结构用钢，与传统碳素钢相比，其力学性能及经济性能更好，尤其是具有优良的冷成型性能，在冷成型过程中不易开裂，因此，被用于汽车底盘悬架项目中的发动机横梁纵梁等部位及其他汽车冲压结构件，并采用电阻点焊连接[4-5]。众所周知，电阻点焊是汽车制造中使用最为广泛的焊装工艺，一辆普通白车身上平均有3000～5000 个焊点。汽车钢板的点焊性能不仅决定其是否能用于汽车制造，还关系到车身强度、疲劳性能和抗冲压性能[6]。近年来随着汽车用户逐渐对钢板的认证要求越来越苛刻，为了获得更优焊接性能的成分体系，通过汽车厂认证，有必要从成分设计上对其焊接性能的影响进行研究。本文探讨了碳当量对SAPH440电阻点焊焊接质量的影响，为SAPH440成分工艺的制定提供指导。
1 实验方法
1.1 实验材料及试样制备
本实验所有材料为SAPH440酸洗钢板，厚度为2.0mm。其不同碳当量的成分如表1所示。用于焊接实验的钢板事先加工成尺寸为50*150mm的样片。在焊接之前，用酒精对酸洗钢板的表面进行清洗，以去除油渍。将两块样片沿长度方向搭接50mm形成正方形搭接区域，并在区域中心施焊形成焊点，由此构成拉剪试样，如图1（a）所示；对于十字拉伸试样，将两块样片垂直放置，同样在重合区域的中心施焊形成焊点，如图1（b）所示。
1.2 点焊实验
本文电阻点焊实验是在六自由度机器人ERER-MH00050-A00-C中频直流焊接试验平台上进行，所采用的点焊工艺时序流程如图2所示。焊接时，采用机器人伺服焊枪点点焊系统，其采用伺服电机动力装置，精确控制电极位移与电极力，从而实现对点焊电极的高精度定位与柔性焊接控制，过程中通过检测实验的电流及电压力的变化，保证各项参数的稳定性。
对于2.0mm后的SAPH440酸洗板，满足其性能要求的最小融合直径为4.25=6.01mm。本文在焊接过程中的所采用的焊接参数如表2所示。
1.3 点焊接头检验
在金相观测中，首先通过金相制备系统，切割、镶嵌、抛磨、腐蚀四个步骤，将获得的焊点试样作为金相试样，放入DiscoveryV12体式显微镜下进行测量及观测。随后通过金相显微镜测量熔核直径。
在力学性能测试方面，采用万能实验机WDW-50，配合两种不同的夹具分别完成酸洗板电阻点焊的接头的拉剪性能及十字拉伸性能的评估。
2 实验结果与分析讨论
2.1 焊接窗口测试
通过系列实验测出的2.0mm厚酸洗板在碳当量降低前后的焊接窗口如图4、图5所示。
当纽扣直径Pd≥4.25√t=6.01mm第一次出现时，且断裂方式为纽扣断裂时，为可焊区间的下限，随着焊接电流的增加，第一次出现飞溅时，此时电流值为可焊区间的上限。碳当量为0.22时，可焊区间下限为8.4KA，上限为14.0KA；碳当量为0.17时，可焊区间下限为8.4KA，上限为14.0KA。碳当量不影响可焊区间的上下限，可焊区间相同。
2.2 接头力学性能评估
2.2.1十字拉伸断裂方式
不同碳当量的十字拉伸随着电流增加的断裂方式如下图7、8所示。
当碳当量为0.22时，CTS在熔核直径Nd≥4.25√t=6.01mm后，存在7个界面断裂点；当碳当量为0.17时，CTS在熔核直径Nd≥4.25√t=6.01mm后，随着电流的增加断裂方式全部为纽扣断裂，焊接性能显著提升。
2.2.3剪切拉伸界面断裂电流的区间变化
不同碳当量的剪切拉伸为界面断裂的电流区间变化如表3、表4所示。
由表3可知，当碳当量为0.22时，剪切拉伸界面断裂区间为2.4KA；由表4可知，当碳当量为0.17时，剪切拉伸的界面断裂区间为0.8KA，碳当量降低后。在满足Nd≥4.25√t=6.01mm后，降低碳当量后的剪切拉伸界面断裂电流区间明显缩小，焊接性能显著提升。
2.2.4剪切拉伸和十字拉伸强度
由表7、表8可知，当碳当量从0.22降低为0.17后，当熔核直径首次达到4.25√t=6.01mm时，CTS强度由7.33KN提高至13.95KN，TSS强度由14.97KN提高至17.97KN，焊接强度显著提高。
2.4.5界面断裂方式
使用扫描电镜EVO MA15对剪切拉伸未融合区（A点）和熔合区（B点）进行微观形貌观察，结果如下图所示。
从图扫描电镜结果分析可知，碳当量降低前后，剪切拉伸界面熔合区与未融合区均为韧性断裂，不同碳当量的断裂界面形貌均良好。
3 结论
酸洗汽车用钢SAPH440表面出良好的焊接性能。碳当量的降低，电阻点焊的焊接性能可以进一步提高，具体结论如下：
（1）碳当量由0.22%降至0.17%后，可焊区间不变，均为5.6KA。
（2）碳当量由0.22%降至0.17%后，熔核直径在大于4.25√t=6.01mm后，CTS全部为纽扣断裂，TSS的界面断裂电流区间由2.4KA减小至0.8KA，焊接性能显著提高。
（3）碳当量由0.22%降至0.17%后，首次达到熔核直径4.25√t=6.01mm时，CTS和TSS强度显著提高，焊接性能显著提升。
（4）碳当量降低前后，剪切拉伸界面断裂点的焊点断口形貌均为韧性断裂。
参考文献
[1]刘丽萍，汪云辉，王云阁.高强汽车用钢的热轧工艺研究与应用[J].热加工工艺，2013，42（19）：118-120.
[2]邵丽青，左培文.中国汽车社会的机遇与挑战[J].汽车工业研究，2011（3）：7-17.
[3]陈永和，周铭，顾卫伟.国内外酸洗热轧板的生产及发展[J].上海金属，2017，29（5）：71-81.
[4]刘登文.SAPH400汽车结构用热轧钢的研制[J].武汉工程职业技术学院学报，2009，21（2）：25-28.
[5]郭子峰，张世琦，冯军，等.首钢汽车结构用热轧酸洗板SAPH440的开发[J].首钢科技，2014（6）：8-13.
[6]邓长斌.白车身高强度钢板点焊性能研究[J].机电技术，2013（1）：60-62.
[关键词]碳当量；可焊区间；熔核直徑；接头强度；纽扣断裂；韧性断裂
中图分类号：TU639 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）14-0209-03
中国是世界第一次大汽车产销国，随着汽车保有量的逐年增加，能源消耗和环境污染问题也日益突出，节能减排成为汽车生产厂家首要面临的问题之一[1-2]。酸洗钢板是以热轧钢板为原料，经酸洗工艺除氧化层，获得表面质量和使用要求介于热轧板和冷轧板之间的中间产品，是部分热轧板和冷轧板的理想、经济的替代的板带产品[3]。SAPH440酸洗钢板是抗拉强度为440 MPa 级的汽车结构用钢，与传统碳素钢相比，其力学性能及经济性能更好，尤其是具有优良的冷成型性能，在冷成型过程中不易开裂，因此，被用于汽车底盘悬架项目中的发动机横梁纵梁等部位及其他汽车冲压结构件，并采用电阻点焊连接[4-5]。众所周知，电阻点焊是汽车制造中使用最为广泛的焊装工艺，一辆普通白车身上平均有3000～5000 个焊点。汽车钢板的点焊性能不仅决定其是否能用于汽车制造，还关系到车身强度、疲劳性能和抗冲压性能[6]。近年来随着汽车用户逐渐对钢板的认证要求越来越苛刻，为了获得更优焊接性能的成分体系，通过汽车厂认证，有必要从成分设计上对其焊接性能的影响进行研究。本文探讨了碳当量对SAPH440电阻点焊焊接质量的影响，为SAPH440成分工艺的制定提供指导。
1 实验方法
1.1 实验材料及试样制备
本实验所有材料为SAPH440酸洗钢板，厚度为2.0mm。其不同碳当量的成分如表1所示。用于焊接实验的钢板事先加工成尺寸为50*150mm的样片。在焊接之前，用酒精对酸洗钢板的表面进行清洗，以去除油渍。将两块样片沿长度方向搭接50mm形成正方形搭接区域，并在区域中心施焊形成焊点，由此构成拉剪试样，如图1（a）所示；对于十字拉伸试样，将两块样片垂直放置，同样在重合区域的中心施焊形成焊点，如图1（b）所示。
1.2 点焊实验
本文电阻点焊实验是在六自由度机器人ERER-MH00050-A00-C中频直流焊接试验平台上进行，所采用的点焊工艺时序流程如图2所示。焊接时，采用机器人伺服焊枪点点焊系统，其采用伺服电机动力装置，精确控制电极位移与电极力，从而实现对点焊电极的高精度定位与柔性焊接控制，过程中通过检测实验的电流及电压力的变化，保证各项参数的稳定性。
对于2.0mm后的SAPH440酸洗板，满足其性能要求的最小融合直径为4.25=6.01mm。本文在焊接过程中的所采用的焊接参数如表2所示。
1.3 点焊接头检验
在金相观测中，首先通过金相制备系统，切割、镶嵌、抛磨、腐蚀四个步骤，将获得的焊点试样作为金相试样，放入DiscoveryV12体式显微镜下进行测量及观测。随后通过金相显微镜测量熔核直径。
在力学性能测试方面，采用万能实验机WDW-50，配合两种不同的夹具分别完成酸洗板电阻点焊的接头的拉剪性能及十字拉伸性能的评估。
2 实验结果与分析讨论
2.1 焊接窗口测试
通过系列实验测出的2.0mm厚酸洗板在碳当量降低前后的焊接窗口如图4、图5所示。
当纽扣直径Pd≥4.25√t=6.01mm第一次出现时，且断裂方式为纽扣断裂时，为可焊区间的下限，随着焊接电流的增加，第一次出现飞溅时，此时电流值为可焊区间的上限。碳当量为0.22时，可焊区间下限为8.4KA，上限为14.0KA；碳当量为0.17时，可焊区间下限为8.4KA，上限为14.0KA。碳当量不影响可焊区间的上下限，可焊区间相同。
2.2 接头力学性能评估
2.2.1十字拉伸断裂方式
不同碳当量的十字拉伸随着电流增加的断裂方式如下图7、8所示。
当碳当量为0.22时，CTS在熔核直径Nd≥4.25√t=6.01mm后，存在7个界面断裂点；当碳当量为0.17时，CTS在熔核直径Nd≥4.25√t=6.01mm后，随着电流的增加断裂方式全部为纽扣断裂，焊接性能显著提升。
2.2.3剪切拉伸界面断裂电流的区间变化
不同碳当量的剪切拉伸为界面断裂的电流区间变化如表3、表4所示。
由表3可知，当碳当量为0.22时，剪切拉伸界面断裂区间为2.4KA；由表4可知，当碳当量为0.17时，剪切拉伸的界面断裂区间为0.8KA，碳当量降低后。在满足Nd≥4.25√t=6.01mm后，降低碳当量后的剪切拉伸界面断裂电流区间明显缩小，焊接性能显著提升。
2.2.4剪切拉伸和十字拉伸强度
由表7、表8可知，当碳当量从0.22降低为0.17后，当熔核直径首次达到4.25√t=6.01mm时，CTS强度由7.33KN提高至13.95KN，TSS强度由14.97KN提高至17.97KN，焊接强度显著提高。
2.4.5界面断裂方式
使用扫描电镜EVO MA15对剪切拉伸未融合区（A点）和熔合区（B点）进行微观形貌观察，结果如下图所示。
从图扫描电镜结果分析可知，碳当量降低前后，剪切拉伸界面熔合区与未融合区均为韧性断裂，不同碳当量的断裂界面形貌均良好。
3 结论
酸洗汽车用钢SAPH440表面出良好的焊接性能。碳当量的降低，电阻点焊的焊接性能可以进一步提高，具体结论如下：
（1）碳当量由0.22%降至0.17%后，可焊区间不变，均为5.6KA。
（2）碳当量由0.22%降至0.17%后，熔核直径在大于4.25√t=6.01mm后，CTS全部为纽扣断裂，TSS的界面断裂电流区间由2.4KA减小至0.8KA，焊接性能显著提高。
（3）碳当量由0.22%降至0.17%后，首次达到熔核直径4.25√t=6.01mm时，CTS和TSS强度显著提高，焊接性能显著提升。
（4）碳当量降低前后，剪切拉伸界面断裂点的焊点断口形貌均为韧性断裂。
参考文献
[1]刘丽萍，汪云辉，王云阁.高强汽车用钢的热轧工艺研究与应用[J].热加工工艺，2013，42（19）：118-120.
[2]邵丽青，左培文.中国汽车社会的机遇与挑战[J].汽车工业研究，2011（3）：7-17.
[3]陈永和，周铭，顾卫伟.国内外酸洗热轧板的生产及发展[J].上海金属，2017，29（5）：71-81.
[4]刘登文.SAPH400汽车结构用热轧钢的研制[J].武汉工程职业技术学院学报，2009，21（2）：25-28.
[5]郭子峰，张世琦，冯军，等.首钢汽车结构用热轧酸洗板SAPH440的开发[J].首钢科技，2014（6）：8-13.
[6]邓长斌.白车身高强度钢板点焊性能研究[J].机电技术，2013（1）：60-62.