PHS1800热成形钢电阻点焊接头截面特性及工艺优化.pdf

第 15 卷 第 9 期 精 密 成 形 工 程 2023 年 9 月 JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING 83 收稿日期：2023-04-10 Received：2023-04-10 基金项目：辽宁省自然科学基金（2023-MS-320）；辽宁省重点研发计划（2020JH2/10100011）Fund：Liaoning Province Natural Science Foundation Project(2023-MS-320);Key R&D Project of Liaoning Province(2020JH2/10100011)引文格式：刘岩,刘晓昂,叶海青,等.PHS1800 热成形钢电阻点焊接头截面特性及工艺优化J.精密成形工程,2023,15(9):83-89.LIU Yan,LIU Xiao-ang,YE Hai-qing,et al.Section Characteristics and Process Optimization of Resistance Spot Welding Joint for PHS1800 Press Hardening SteelJ.Journal of Netshape Forming Engineering,2023,15(9):83-89.PHS1800 热成形钢电阻点焊接头截面特性 及工艺优化 刘岩a，刘晓昂b，叶海青b，杨栈琳b，刘澳b（沈阳大学 a.辽宁省先进材料制备技术重点实验室 b.机械工程学院，沈阳 110044）摘要：目的目的 研究不同参数下 PHS1800 热成形钢电阻点焊接头截面特性及其工艺。方法方法 利用金相显微镜、扫描电子显微镜和万能试验机，对点焊接头的焊点熔透率、压痕率、熔核直径、压痕直径及拉伸性能进行测试。结果结果 随着焊接时间的增加，各截面特性总体呈线性增长的趋势，当焊接时间超过 0.6 s 时，接头熔核直径减小；随着焊接电流的增大，各截面特性整体呈上升的趋势，当焊接电流为 11.5 kA 时，熔透率达到峰值，继续增大焊接电流，压痕率迅速上升；随着焊接压力的增大，熔透率增至 59.17%后不断减小，压痕率不断增大，熔核直径与压痕直径无明显变化。基于三因素八水平正交实验，确定点焊接头最大拉伸载荷为 16.54 kN，其断口为脆性断裂。结论结论 焊接时间和焊接电流对点焊接头截面特性的影响较为显著，拉伸性能受焊接电流的影响最大。实验得到了成形良好的焊接接头，最优参数如下：焊接时间为 0.6 s，焊接电流为 11.5 kA，焊接压力为 2.0 kN。本实验可为热成形钢在汽车加工中的应用提供理论基础和技术支持。关键词：电阻点焊；PHS1800 热成形钢；正交实验；截面特性；工艺优化 DOI：10.3969/j.issn.1674-6457.2023.09.010 中图分类号：TG442 文献标识码：A 文章编号：1674-6457(2023)09-0083-07 Section Characteristics and Process Optimization of Resistance Spot Welding Joint for PHS1800 Press Hardening Steel LIU Yana,LIU Xiao-angb,YE Hai-qingb,YANG Zhan-linb,LIU Aob (a.Liaoning Provincial Key Laboratory of Advanced Materials&Preparation Technology,b.School of Mechanical Engineering,Shenyang University,Shenyang 110044,China)ABSTRACT:The work aims to study the section characteristics and process of resistance spot welding joint for PHS1800 press hardening steel under different parameters.The penetration rate,indentation rate,nugget diameter,indentation diameter and ten-sile properties of spot welding joint were tested by metallographic microscope,scanning electron microscope and universal test-ing machine.With the increase of welding time,the overall trend of each section characteristic increased linearly.When the welding time exceeded 0.6 s,the nugget diameter of the joint decreased.With the increase of welding current,the overall char-acteristics of each section showed an increasing trend.When the welding current was 11.5 kA,the penetration rate reached the 84 精 密 成 形 工 程 2023 年 9 月 peak value,and the indentation rate increased rapidly when the welding current continued to increase.With the increase of welding pressure,the penetration rate increased to 59.17%and then decreased,the indentation rate increased,and the nugget diameter and indentation diameter did not change significantly.Based on the orthogonal experiment of 3 factors and 8 levels,it was determined that the maximum tensile load of the spot welding joint was 16.54 kN,and the fracture was brittle.The welding time and welding current have a significant effect on the section characteristics of spot welded joints,and the tensile properties are most affected by the welding current.Under the experimental conditions,a well-formed welding joint can be obtained.The optimal parameters are welding time 0.6 s,welding current 11.5 kA and welding pressure 2.0 kN.This experiment can provide theoretical basis and technical support for the application of press hardening steel in automobile processing.KEY WORDS:resistance spot welding;PHS1800 press hardening steel;orthogonal experiment;section characteristics;process optimization 电阻点焊是一种将焊件装配成搭接接头，并压紧在两电极之间，利用电阻热熔化母材金属，形成焊点的电阻焊方法1-2。点焊具有能量集中、变形小、质量轻、静强度高、可靠性好3、性能稳定等特点4，因而在汽车、航空、航天制造工程和电子、仪表、家电工业中都有着广泛的应用5-7。点焊过程是一个高度非线性、具有多变量耦合作用和大量随机不确定因素的复杂过程，熔核的不可见性及焊接过程的瞬时性都使点焊的质量检测与控制较为困难8-10。点焊工艺实验中涉及的因素较多，如焊接时间、焊接电流、焊接压力和电极端面尺寸等11。为了保证焊接质量，在点焊时需要合理地选择工艺参数并使之保持稳定12-14。杨柳等15研究了 MS1300 超高强钢点焊的工艺参数，通过改变焊接电流和焊接时间，研究了不同工艺参数对电阻点焊焊接接头性能的影响。岑耀东等16阐述了高强度钢板电阻点焊的研究进展，提出有关异种材质电阻点焊的研究还有待加强。PHS1800 热成形钢17是一种抗拉强度达到 1 800 MPa 的超高强度车身材料18。热成形钢的材料成形准确度较好19，零件成形后不产生回弹效应20，具有极高的延展性与机械安全性21，是车身轻量化的重要材料22，且制造成本较低，因此在汽车加强杆和保险杠骨架生产中应用广泛23-25。电阻 点焊有多种 影响因素，各工艺参数 对PHS1800 热成形钢点焊接头截面特性及拉伸性能的影响规律尚不明确。本文以 PHS1800 热成形钢为焊接对象，考察不同焊接参数对电阻点焊接头截面特性的影响，并根据单因素分析结果设计正交实验，以拉伸性能为参考，对工艺参数进行了优化设计。研究结果可为热成形钢在汽车加工中的应用提供技术支持。1 实验 实验选用本钢生产的 PHS1800 型号的钢板作为基板材料，其厚度为 1.2 mm。在实验室中将基板材料进行热处理后得到热成形钢，其拉伸强度达到1 800 MPa。表 1 为 PHS1800 热成形钢的化学成分。实验设备为安川 MS165 多功能机器人配合新型控制柜 DX200，如图 1 所示。利用线切割技术将母材切成 100 mm25 mm1.2 mm 的试样后，对试样进行打磨清洗，并做吹干处理。采用搭接方式进行电阻点焊，点焊接头搭接形式如图 2 所示。图 3 为 PHS1800热成形钢点焊工艺图。采用 OLYMPUS SZ61 光学显微镜测量点焊接头的熔核直径、熔化深度、压痕深度和压痕直径。根据GB/T 26512008焊接接头拉伸实验方法，采用线切 割 技 术 加 工 拉 伸 标 准 试 样，在 室 温 下 利 用WDW-100B 万能实验机对拉伸件进行拉剪力测试，拉伸速率为 5 mm/min。利用日立 S-4800 扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）分析拉伸件断口形貌，倍数设置为 500。表 1 PHS1800 热成形钢化学成分 Tab.1 Chemical composition of PHS1800 press hardening steel wt.%MnNC SiSB Als VPTi1.42 0.039 0.310.06 0.001 0.021 0.39 0.160.02 0.02 图 1 DX200-MS165 点焊设备 Fig.1 DX200-MS165 spot welding equipment 第 15 卷 第 9 期 刘岩，等：PHS1800 热成形钢电阻点焊接头截面特性及工艺优化 85 图 2 点焊接头搭接形式示意图 Fig.2 Schematic diagram of spot welding joint 图 3 PHS1800 热成形钢点焊工艺图 Fig.3 Diagram for spot welding process of PHS1800 press hardening steel 2 结果与分析 2.1 PHS1800 热成形钢点焊接头截面特性和截面形貌 点焊接头截面特性主要包括熔透率（即熔化深度h 与母材厚度 T 的百分比）、压痕率（即压痕深度 c与母材厚度 T 的百分比）、熔核直径以及压痕直径。图 4 为点焊接头截面特性尺寸示意图。图 4 点焊接头截面特性尺寸示意图 Fig.4 Schematic diagram for spot welding joint section characteristic size 根据受热状况的不同，电阻点焊接头可分为母材区（Base Material，BM）、热影响区（Heat Affected Zone，HAZ）和熔核区（Fusion Zone，FZ）。PHS1800热成形钢点焊接头在焊接时间为 0.6 s、焊接电流为11.5 kA、焊接压力为 2.0 kN 时的典型截面形貌如图 5所示。在此工艺参数下测量并计算得到：熔核直径为 图 5 PHS1800 热成形钢点焊接头典型截面形貌 Fig.5 Typical section morphology of spot welding joint for PHS1800 press hardening steel 6.50 mm、压痕直径为 6.71 mm、熔透率为 59.17%、压痕率为 35.83%。2.2 焊接时间 焊接时间是指电流脉冲持续时间。将焊接电流设定为 11.5 kA，焊接压力设定为 2.0 kN，在 0.10.7 s区间内改变焊接时间，增量设置为 0.1 s，分别测量焊点截面各特性尺寸，并计算得到点焊接头的熔透率及压痕率。不同焊接时间下点焊接头的熔透率和压痕率如图 6 所示。当焊接时间为 0.10.2 s 时，点焊接头熔透率增大得较为缓慢。当焊接时间为 0.20.7 s 时，点焊接头熔透率先上升加快，后逐渐减缓。当焊接时间为 0.10.7 s 时，熔透率总体趋势基本呈线性增长，从 40.00%不断增大至 61.67%。由图 6 可知，压痕率与焊接时间呈正相关关系，当焊接时间为 0.10.7 s时，点焊接头的压痕率从 20.80%不断增大至 35.83%。随着焊接时间继续从 0.6 s 增加至 0.7 s 时，压痕率跳跃式增大，从 35.83%增大至 42.50%。这是因为焊接时间过长，焊接区域温度过高，区域内金属材料快速熔化，导致焊接过程中产生飞溅，从而引起压痕率急剧变化。图 7 为不同焊接时间下点焊接头的熔核直径与压痕直径。可知，当焊接时间为 0.10.2 s 时，点焊接头的熔核直径随焊接时间的增加呈缓慢增长的趋势，当焊接时间从 0.2 s 增加至 0.4 s 时，点焊接头的熔核直径变化较大，从 5.93 mm 增大至 6.39 mm。当焊接时间从 0.4 s 增加到 0.6 s 时，点焊接头的熔核直径变化较小，只增大了 0.11 mm。当焊接时间为 0.6 s时，熔核直径达到最大值（6.50 mm）。在电流脉冲持续时间内，焊接区析出的热量除部分散失外，将逐渐积累，用于加热焊接区，使熔核逐渐扩大。所以，在0.10.6 s 区间内，随焊接时间的增加，熔核尺寸增大，熔核直径与压痕直径都增大。随着焊接时间继续增加至0.7 s，接头熔核直径明显下降，这是因为焊接时间的增加使熔池中的金属受热时间过长，金属表面张力降低，产生了飞溅。焊接时间对压痕直径的影响趋势与压痕率基本相似。随着焊接时间从 0.1 s 增加至 0.7 s 时，点焊接头的压痕直径从4.37 mm不断增大至7.12 mm。86 精 密 成 形 工 程 2023 年 9 月 图 6 不同焊接时间下点焊接头的熔透率与压痕率 Fig.6 Penetration rate and indentation rate of spot welding joints for different welding time 图 7 不同焊接时间下点焊接头的熔核直径与压痕直径 Fig.7 Nugget diameter and indentation diameter of spot welding joints for different welding time 2.3 焊接电流 保持焊接时间为 0.6 s、焊接压力为 2.0 kN 不变，在 5.512.5 kA 区间内以 1 kA 为增量增大焊接电流。图 8 为不同焊接电流下点焊接头的熔透率与压痕率。可知，在其他工艺参数保持不变的前提下，熔透率随着焊接电流的增大而不断增大。当焊接电流为 5.5 7.5 kA 时，点焊接头熔透率的增长速度较为缓慢，压痕率稳步上升。当焊接电流为 7.58.5 kA 时，熔透率迅速上升，压痕率增长速率减缓。当焊接电流为 8.5 9.5 kA 时，熔透率受焊接电流的影响较小，几乎没有上升。当焊接电流为 11.5 kA 时，熔透率达到最大，而压痕率也迎来转折。当焊接电流为 11.512.5 kA时，点焊接头熔透率直线下降，压痕率迅速上升。这表明当焊接电流增大时，焊接热输入增加，接头熔化区域面积变大，而电流过大时会引起熔池金属液飞溅，熔核区金属含量减少，从而导致凝固后熔核面积变小、压痕深度变大，使接头处容易出现应力集中问题，最终将导致试样力学性能下降。图 8 不同焊接电流下点焊接头的熔透率与压痕率 Fig.8 Penetration rate and indentation rate of spot welding joints under different welding currents 图 9 为不同焊接电流下，点焊接头的熔核直径与压痕直径变化趋势。可知，当焊接电流从 5.5 kA 增大到 12.5 kA 时，点焊接头的熔核直径从 2.39 mm 逐步增大到 7.52 mm，压痕直径也从 2.97 mm 增大到8.11 mm，二者与电流均呈正相关关系。这种现象与焦耳热的变化有关，由焦耳定律公式 Q=I2Rt（Q 为焦耳热，J；I 为电流，A；R 为电阻，；t 为时间，s）可知，随着电流的增大，焊接产生的焦耳热也会增加，用于加热熔核区，金属熔化部分也随之增多，熔核尺寸增大，从而引起点焊接头的熔核直径与压痕直径增大。图 9 不同焊接电流下点焊接头的熔核直径与压痕直径 Fig.9 Nugget diameter and indentation diameter of spot welding joints under different welding currents 对比分析上述结果可知，对于 PHS1800 热成形钢点焊接头，与焊接时间相比，焊接电流对其截面特性的影响明显更大。这符合焦耳定律公式的推论，焦耳热 Q 大小与时间 t 成正比、与电流 I 的二次方成正比，这说明焊接电流变化所引起的热量变化更大。2.4 焊接压力 保持焊接时间为 0.6 s、焊接电流为 11.5 kA 不变，第 15 卷 第 9 期 刘岩，等：PHS1800 热成形钢电阻点焊接头截面特性及工艺优化 87 将焊接压力从 1.5 kN 增大至 4.0 kN，增量设置为0.5 kN。图 10 当不同焊接压力下点焊接头的熔透率与压痕率。可知，当焊接压力从 1.5 kN 增大至 2.0 kN时，熔透率从 57.50%增大至 59.17%。当焊接压力从2.0 kN 增大至 4.0 kN 时，熔透率逐渐降低至 40.00%。这是由于随焊接压力的增大，焊接接触面积变大，焊接热量作用范围增大，单位面积热量减小，导致熔透率降低。随着焊接压力从 1.5 kN 增大至 4.0 kN，压痕率从 30.83%逐渐增大至 59.17%，这是因为随焊接压力的增大，熔核中心受到的挤压力增大，导致压痕率增大。当焊接压力大于 3.0 kN 时，点焊接头的压痕率过大，这会产生应力集中，从而导致接头力学性能下降。图 10 不同焊接压力下点焊接头的熔透率与压痕率 Fig.10 Penetration rate and indentation rate of spot welding joints under different welding pressure 由实验测量结果可知，焊接压力对点焊接头熔核直径与压痕直径的影响不大。随着焊接压力的增大，熔核直径从 4.37 mm 增大至 7.29 mm，压痕直径仅从6.68 mm 增大至 7.21 mm。结果表明，相较于焊接电流和焊接时间，焊接压力对 PHS1800 热成形钢点焊接头截面特性的影响较小。2.5 PHS1800 热成形钢电阻点焊工艺优化 通过 SPSS Statistics 软件，采用三因素八水平的混合正交实验方案研究焊接实验参数，根据各参数对点焊接头拉伸性能的影响得出最优的参数组合。取焊接时间、焊接电流和焊接压力 3 个因素：焊接时间为0.10.6 s，增量设置为 0.1 s，分为 6 个水平；焊接电流为 5.512.5 kA，增量设置为 1 kA，分为 8 个水平；焊接压力为 2.04.0 kN，增量设置为 0.5 kN，分为 5个水平，共计 63 组对比实验。每组参数进行 3 次点焊实验，在拉伸实验后记录每组平均拉剪力，对正交实验数据进行极差分析，结果如表 2 所示。表 2 中的 K 值代表在当前水平条件下，该组拉剪力数据的平均值，如焊接时间（A）的 K1值代表在焊接时间为 0.1 s 条件下，以焊接电流（B）与焊接压力（C）为变量时所得到的全部拉剪力数据的平均值。焊接电流（B）的 K1值代表在焊接电流为 5.5 kA 条件下，以 A、C 为变量时所得到的全部拉剪力数据的平均值，以此类推。由于各因素水平数不同，故利用平均值来比较极差，求法为该列 K 值中最大值减去最小值。例如，焊接时间（A）一列的极差等于该列的K6值减去 K1值，即为 1.97。极差大小反映的是各因素水平变化时对实验指标影响的大小。通过比较极差得出对点焊接头拉伸性能影响程度最大的是焊接电流。当改变焊接电流时，拉剪力变化较大；而当改变焊接时间和焊接压力时，拉剪力并无太大变化。根据各组拉剪力实验结果确定各因素的最优水平组合为A6B7C1，即在焊接时间为 0.6 s、焊接电流为 11.5 kA、焊接压力为 2.0 kN 条件下，得到的焊件拉伸性能最优，其焊接接头拉伸曲线如图 11 所示，可见，当焊接接头拉伸性能最优时，可承受 16.54 kN 的拉伸载荷。表 2 极差分析数据 Tab.2 Range analysis data Agent Welding time A Welding current B Welding pressure CK1 10.64 8.5 12.28 K2 11.78 10.06 12 K3 12.35 10.86 11.73 K4 12.04 11.75 10.6 K5 12.37 11.56 11.56 K6 12.61 13.35 K7 14.66 K8 13.74 Range 1.97 6.16 1.68 Optimum Agent A6 B7 C1 Optimal solution A6B7C1 Concrete parameters0.6 s 11.5 kA 2.0 kN 图 12 为最优参数下 PHS1800 热成形钢点焊接头拉伸断口 SEM 形貌。可以看到，熔核中心的断口处呈现出河流花样的解理裂纹，流向与裂纹扩展方向相同，这种现象表明点焊接头的断裂方式为脆性断裂。对于 1 800 MPa 级热成形钢，在其点焊接头的拉伸实验中，通常可以得到界面断裂和拔出断裂 2 种断裂失效模型。当点焊过程中的工艺参数不佳、热输入量较小时，点焊接头的熔核直径较小、压痕深度较浅，容易形成的失效模型为界面断裂。当热输入量较大时，易出现拔出断裂的失效模型，点焊接头受拉剪力作用在热影响区产生裂纹，并沿母材结合的边缘拓展，当两侧裂纹重合时，熔核完全拔出，并留在另一侧母材上，拔出断裂时的断口属于脆性断裂。1 800 MPa 级热成形钢出现拔出断裂的点焊接头虽属于脆性断裂，但此时熔核直径较大、压痕深度较深，在受力过程中具有更大的塑性变形和更高的能量吸收率，在工业生产中更倾向于获得拔出断裂模型的点焊接头。88 精 密 成 形 工 程 2023 年 9 月 图 11 焊接接头拉伸曲线 Fig.11 Tensile curve of welding joint 图 12 焊接接头拉伸断口 SEM 形貌 Fig.12 SEM morphology of tensile fracture of welding joint 3 结论 1）点焊接头截面特性的最主要影响因素是焊接电流，焊接时间次之，焊接压力影响最小。当焊接电流从 5.5 kA 增大至 12.5 kA 时，各截面特性整体呈上升趋势，当焊接电流大于 11.5 kA 时，熔透率迅速下降，压痕率迅速上升；当焊接时间从 0.1 s 增加至 0.7 s时，各截面特性总体呈线性增长的趋势，当焊接时间超过 0.6 s 时，接头熔核直径减小；当焊接压力从1.5 kN 增大至 4.0 kN 时，熔透率增大至 59.17%后不断减小，压痕率不断增大，熔核直径与压痕直径无明显变化。2）PHS1800 热成形钢在最大拉剪力条件下的最优点焊参数如下：焊接时间为 0.6 s、焊接电流为11.5 kA、焊接压力为 2.0 kN。在此条件下，试样可承受的最大拉伸载荷为 16.54 kN，拉伸断口属于脆性断裂。焊接电流对点焊接头拉伸性能的影响程度最大，焊接时间与焊接压力影响较小。3）在最佳工艺参数条件下得到的 PHS1800 热成形钢点焊接头的熔核直径为 6.50 mm、压痕直径为6.71 mm、熔透率为 59.17%、压痕率为 35.83%，能够获得成形良好的焊接接头。参考文献：1 高辉,李慧聪,周灿丰,等.2024 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