王 威１,张永强２,徐兴智１,尚永辉１,李珊珊１

(１．北京奔驰汽车有限公司,北京 １００１７６;２．首钢技术研究院,北京 １０００４３)

摘 要:利用拉伸试验设备对１．２mm 厚 DP７８０冷轧热镀锌钢板点焊接头分别进行了准静态拉伸和高速拉伸试验,分析了点焊接头的高速拉伸特性,并与母材的进行了对比.结果表明:在准静态拉伸和高速拉伸时,点焊接头试样分别在一侧母材和过渡弧处发生断裂;准静态拉伸时的最大拉伸力为９．９０kN,随着应变速率的增大,最大拉伸力逐渐增大,在应变速率为５００s－１时达到１１．５０kN;当应变为０．２０~０．２５时,点焊接头发生断裂失效,而此时仍处于母材的安全有效区间内.

关键词:应变速率;DP７８０冷轧镀锌钢;点焊接头;拉伸性能

０ 引 言

电阻点焊是车身钢板最基本、应用最广的连接技术,大部分薄壁构件通过点焊连接进行装配.对于车身某零件的焊接总成来说,焊点的质量对金属薄壁结构的刚度、强度、噪声、震动、不平顺性、耐久性均有重要影响.在进行汽车碰撞特性研究时发现,焊点不仅起到连接车身零件的作用,它的失效行为还影响着车身各部件的动力学关系[１],对整车的碰撞性能起着至关重要的作用.

双相(DP)钢具有成形性良好、能量吸收率高、屈强比低以及初始加工硬化率高等特点[２Ｇ４],随着汽车轻量化的发展,其在车身的应用越来越 多.DP钢焊接接头的软化和破坏方式与传统低碳钢的不同.对于传统的低碳钢而言,焊核的强度远大于所连接零件的材料强度,其失效方式一般表现为脆性断裂,在汽车碰撞过程中起到的只是传递力的作用.

但是 DP钢焊接接头的软化使其强度相对于周围零件不占优势,在经历撞击时极有可能发生塑性变形而导致失效[５Ｇ６],这必然会对车身设计及碰撞安全评估造成巨大的偏差.目前,对 DP７８０钢点焊接头的研究主要集中在点焊接头组织和力学性能的分析及工艺参数的优化上[７Ｇ８],且都是在准静态载荷下的相关性能分析.因此,在进行车身碰撞仿真和车身安全设计时缺乏必要的基础数据和理论分析.

为此,作者对 DP７８０冷轧热镀锌钢板(以下简称 DP７８０＋Z钢板)的点焊接头进行了准静态拉伸试验和高速拉伸试验,对比分析了不同应变速率下接头的拉伸特性,为不同碰撞条件下点焊接头承载性能的研究提供试验和理论依据.

１ 试样制备与试验方法

１．１ 试样制备

试验材料为某钢厂生产的１．２mm 厚 DP７８０＋Z钢板,其化学成分(质量分数/％)为０．１６C,０．５１Si,

１．８７Mn,０．００１S,０．００８P,０．０３６Al;抗拉强度为８１６MPa,屈服强度为４８２MPa,断后伸长率为１９．５％.在钢板上截取出尺寸分别为１５０mm×３０mm×１．２mm和２５０mm×３０ mm×１．２ mm 的 试 样,用 丙 酮 清洗后进行搭接,使用 DBＧ２２０型逆变点焊机进行点焊,点焊接 头 的 尺 寸 如 图 １ 所 示.点 焊 时 采 用 铬锆铜材料的圆锥形电极,端头直径８．０ mm.对点焊参数进行 优 化,确 定 点 焊 试 验 工 艺 参 数 为 电 极压力３．１kN、焊接时间０．２４s、维持时间０．４０s、焊接电流９４００A;试样焊点直 径 为 ８．０ mm.在 优化点焊 工 艺 参 数 下 制 备 了 如 图 １ 所 示 的 点 焊 接头.

１．２ 试验方法

在ZwickＧZ１００型准静态拉伸试验机上进行点焊接头的准静态拉伸试验,应变速率为０．１s－１;采用 VHS１６０/１００Ｇ２０型高速拉伸设备进行点焊接头和母材试样的高速拉伸试验,应变速率分别为１０,１００,５００s－１.准静态拉伸和高速拉伸时接头试样的形状和尺寸相同,均在如图１所示的点焊接头上切割而成,母材拉伸试样则截取自 DP７８０＋Z钢板.接头和母材拉伸试样的尺寸如图２所示.

２．１ 点焊接头的静载拉伸性能

由图３可以看出:３个点焊接头试样的最大拉 伸力基本相同.

由表１可以看出,点焊接头试样的最大拉伸力平均值为９．９０kN,断裂均发生在一侧母材,且距离焊点有一定距离.可见点焊接头在准静态拉伸时的拉伸性能优于其母材的,拉伸断裂首先发生在母材上.

２．２ 点焊接头的高速拉伸性能

由图４可见:高速拉伸时点焊接头的最大承载应力随应变速率的增大呈逐渐增加的变化趋势,这与其母材的变化趋势相同,且点焊接头的最大承载应力低于相同应变下母材的;点焊接头的高速拉伸承载应力在应变为０．１０~０．２０时达到极限值,在应变达到０．２０特别是０．２５以后,点焊接头发生断裂;

母材的高速拉伸承载应力在应变为０~０．２５时一直呈持续增 大 的 变 化 趋 势.可 见:当 应 变 在 ０．２０~０．２５时,点焊接头试样发生断裂失效,而此时仍处于母材的安全有效区间.

由表２可以看出,在应变速率为１０,１００,５００s－１下拉伸后,点焊接头试样均在接头过渡弧处发生拉剪断裂.当应变速率达到５００s－１时,点焊接头的热影响区部分出现撕裂,如图５所示.结合表１和表２分析可知:点焊接头在准静态和高速拉伸时的最大拉伸力不同,随着应变速率的增大,最大拉伸力增大.在进行车身焊点设计和碰撞仿真时,要注意点焊接头的准静态承载性能和高速承载性能的差异,避免出现点焊接头的破坏和零件的整体失效.

进应力松弛,从而减少脆性断裂倾向,保证在较高的 抗拉强度下具有较好的韧性;钼元素可以缩小 γ相 区,形成强碳化物,推迟先共析铁素体转变而有利于 形成贝氏体,从而提高焊缝的强度;铝元素在焊接过 程中会形成 Al２O３,针状体素体以 Al２O３ 夹杂物为 核心进行多维形核并呈放射状生长,随着铝元素含 量的增加,针状铁素体先增加后减少,保证了焊缝的 冲击韧性;钛元素为高熔点化合物结晶核心,细化焊 缝晶粒,当焊缝中加入与氮元素亲和力极高的钛元 素时,钛元素便会和自由氮发生结合,降低了氮含 量,同时还可以生成的 Ti(C,N)、TiO２ 夹杂物,有 利于奥氏体晶内 AF 的形核.因此,必须综合控制 焊缝中合金元素的含量,通过金属元素的沉淀强化、 微合金析出强化、细晶强化来提高焊缝区的强度和 韧性以保证焊缝区的力学性能.

综上所述,在进行车身安全设计和碰撞仿真时不能把点焊接头连接简单化为母材连接.DP７８０＋Z钢多用于汽车的防撞加强件,在实际碰撞过程中许多焊点比母材先达到强度极限发生断裂,使整车碰撞刚度减小[９].因此,在车身安全设计和碰撞模拟过程中必须考虑点焊接头的高速拉伸承载特性,否则会影响仿真模拟的精度和有效性.

３ 结 论

(１)点焊接头试样在进行准静态拉伸和高速拉伸时,分别在焊点附近一侧母材和接头过渡弧处发生断裂;最大拉伸力在准静态时为９．９０kN,随着应变速率的提高最大拉伸力逐渐增大,在５００s－１时达到１１．５０kN.

(２)点焊接头试样在应变达到０．２０~０．２５时发生断裂失效,而此时仍处于母材的安全有效区间.

(３)由于实车碰撞中点焊接头的断裂失效与母材不同,在车身安全设计和碰撞模拟中必须考虑点焊接头的高速拉伸承载特性,否则会影响仿真模拟的精度和有效性.