超细晶粒钢依靠形变诱导形核以及控轧控冷，生成微米级或亚微米级铁素体晶粒，具有超细晶粒、超纯净度的特征，从而大大提高钢的强度和韧性，使其具有优异的综合力学性能，在汽车产业中具有广阔的应用前景，在提高汽车安全性的同时实现汽车的轻量化[1, 2]。超细晶粒钢熔焊接头热影响区晶粒较粗大，且存在马氏体或M-A组元、魏氏体等脆性组织。研究者采用降低接头冷却速度或焊后热处理的方式，以防止脆性组织的产生，从而降低接头脆性倾向，结果表明这些措施有利于接头性能的提高[3-6]。电阻点焊是汽车产业中应用最广的一种焊接方法，有限的研究表明超细晶粒钢电阻点焊接头HAZ局部脆化、接头强度较低[7-9]。电阻点焊的特点决定了焊后不允许对接头进行热处理，而通过调整焊接工艺参数的措施来改善接头HAZ的脆化倾向，效果有限。因此尝试在传统的单电极基础上附加一个环形电极，利用环形电极对接头HAZ进行加热，研究接头组织和性能，研究结果对于推动超细晶粒钢在汽车等领域的进一步应用具有重要的意义。
 

1    实验材料及设备

        母材为400MPa级超细晶粒钢，尺寸为100mm ×20mm×1.5mm，其化学成分见表1。

 

        焊接设备采用Dz-3×100型三相次级整流点焊机，电极材料为Cu-0.15Zr，单电极端面直径为10mm，球面半径为50 mm，环形电极内径10.5mm, 外径18mm。焊接参数分2组，第一组采用单电极进行点焊，第二组采用双电极进行点焊，即单电极焊完后立即用环形电极对热影响区进行加热, 点焊工艺参数见表2。试样搭接长度为25mm。焊后每组参数取5个试样，采用WDS-100电子万能实验机对试样进行拉剪试验，用MeF-3型光学显微镜对接头组织进行观察和分析，采用HVS- 1000 型显微硬度计对接头硬度进行测试。

 

2    试验结果与分析

2.1    接头宏观组织

        图1为超细晶粒钢电阻点焊接头横截面宏观组织，可见点焊接头横截面形状为六边形，由内至外分别为熔核区、热影响区和母材，母材和热影响区的分界较为明显。熔核区由粗大的柱状晶加少量的细小等轴晶组成，其中柱状晶方向性很强，柱状晶晶体生长方向近似垂直于熔合线，从熔核边缘几乎贯穿到熔核中心。熔核边缘和中心为细小的等轴晶，熔核边缘α-Fe 基体依附在熔核边界未熔母材晶粒表面非自发形核，在较小的过冷度下形核、长大。熔核中心由于发生了成分过冷，且温度梯度较小，结晶速度较大，不仅在结晶前沿形成树枝状晶，同时也能在液相中内部生核，这些晶粒可以向四周自由生长，形成了中心等轴晶区。
 

2.2    接头微观组织

        图2为超细晶粒钢电阻点焊接头母材及熔核区微观组织，可见母材由铁素体和少量珠光体组成，平均晶粒尺寸为6.5μm。熔核区几乎由粗大的板条状马氏体组成，这是因为焊接过程中熔核温度远高于HAZ温度且在高温停留的时间较长，冷却时粗大的奥氏体组织转变为成了粗大的板条状马氏体。
 

        图3为超细晶粒钢单电极和双电极电阻点焊接头HAZ粗晶区微观组织，由图可见单电极点焊时，HAZ粗晶区微观组织为贝氏体、先共析铁素体和少量的马氏体组成。双电极电阻点焊时，通过辅助环形电极对HAZ进行加热，相当于对HAZ进行了热处理，接头HAZ粗晶区原奥氏体晶粒明显细化，HAZ粗晶区由贝氏体和先共析铁素体组成，无马氏体脆硬组织存在。
 

2.3    焊接接头的力学性能

        表3为超细晶粒钢点焊接头拉剪强度，可见单电极点焊接头拉剪强度仅14.50kN，双电极电极点焊接头拉剪强度提高到16.18kN，对接头断口进行观察，发现点焊接头断裂部位为热影响区粗晶区。双电极点焊时，接头热影响区粗晶区晶粒有所细化，且消除了粗晶区脆硬的马氏体组织，从而提高点焊接头的拉剪强度。接头断裂形貌见图4.

 

3