隨著汽車輕量化與車身安全性要求的不斷提高，以熱鍍鋅雙相高強鋼為代表的先進高強鋼（Advanced High Strength Steels, AHSS），以其強度高、成型性能好、能量吸收率高、初始加工硬化速率高和防撞凹性能好等綜合優(yōu)勢，迅速發(fā)展為汽車制造中應(yīng)用前景最為看好的輕量化材料之一。2005年先進高強鋼在汽車工業(yè)用鋼中的比例為12%，預(yù)計2015年這一比例將增至50%。

隨著高強度鋼板等輕量化材料在車身中的廣泛應(yīng)用，在生產(chǎn)條件相對惡劣的汽車裝配生產(chǎn)線上，點焊接頭質(zhì)量的不穩(wěn)定及其檢測評價標準有待制定的問題日益突出。由于高效率、低成本的電阻點焊技術(shù)在車身裝配過程中的占比相當大，先進高強度鋼板的點焊質(zhì)量問題已受到國內(nèi)外研究學(xué)者的密切關(guān)注。

相比傳統(tǒng)普通低碳鋼板，由于先進高強度鋼的特殊物理化學(xué)屬性，其焊接工藝性能較難控制，焊接窗口狹窄、電極磨損劇烈、飛濺嚴重等問題相對突出，通常需要更高的焊接電流、電極力與焊接時間。然而，電阻點焊是一個多變量耦合的高度非線性過程，點焊的形核處于封閉狀態(tài)，與此同時，對點焊過程有影響且在焊接期間難以檢測的偶然因素較多，使焊點質(zhì)量評價參數(shù)（熔核尺寸、焊點強度等）無論在焊接期間還是焊后都無法直接觀測。

先進高強鋼在車身中的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，全球各類轎車的平均重量在1.2~1.4噸之間，若能全部應(yīng)用先進高強鋼，大約可減重15~20%。在著名的超輕鋼車體計劃ULSAB（Ultra Light Steel Auto Body）中，通過大量使用先進高強鋼，在不增加成本的前提下大幅提高了車身強度，靜態(tài)彎曲剛度增加52%，靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度增加80%，特別是車重減輕25%，且不需要增加補強部件。

在另一個輕量化項目PNGV（Partner Ship for a New Generation of Vehicles）中，車身質(zhì)量減少了40%，平均每百公里油耗可由9L降至3L。在超輕車體中，雙相鋼（DP）占了車體總質(zhì)量的74.3%，總計162.25kg。 在日本，2000年汽車雙相鋼用量是1996年的20倍，2003年雙相鋼已占用鋼總量的45%以上，預(yù)計到2008年可達60%。

先進高強鋼電阻點焊質(zhì)量問題

如圖1，電阻點焊由預(yù)壓、通電加熱、維持、休止等階段組成，兩層或多層薄板金屬在電極力作用下靠一對電極被擠壓在一起，當可控硅（SCR）觸發(fā)導(dǎo)通時，電流流過薄板金屬并產(chǎn)生大量的焦耳熱。

由于薄板與薄板之間結(jié)合面的電阻在焊接開始階段相當高，熱量集中在結(jié)合面周圍。當結(jié)合面的溫度高于金屬的熔點時，熔核在結(jié)合面形成并長大。電流切斷后，熔核開始冷卻、固化，形成一個固體接頭。

先進高強鋼中碳與微量元素的含量低，一般不產(chǎn)生淬火組織或夾雜物，由于雙相鋼的高強度性能使塑性溫度區(qū)間變窄，為獲得同樣的塑性變形需要較大的電極壓力，這導(dǎo)致合適的焊接工藝范圍變窄。

而且，由于鋼板內(nèi)部組織特性，電阻點焊過程中焊點內(nèi)部冷卻速度的不均會產(chǎn)生氣孔等缺陷，從而導(dǎo)致焊點熔核區(qū)強度低于母材強度，出現(xiàn)焊點熔核界面的斷裂。其次，生產(chǎn)中雙相鋼點焊常采用強規(guī)范，電極磨損因此加快，還容易發(fā)生飛濺和壓痕過深，造成焊接質(zhì)量的不穩(wěn)定。

點焊質(zhì)量問題主要表現(xiàn)如下：

1、焊點熔核斷裂

點焊接頭斷裂形式是評價焊點質(zhì)量的標準之一。在車身廣泛采用的破壞性點焊質(zhì)量檢驗中，焊點接頭可能從熔核上剪斷，即熔核斷裂；也可能從焊點四周破斷為“紐扣”狀，即母材斷裂，如圖2所示。

發(fā)生熔核斷裂的焊點十字拉伸強度將下降約10%，而焊點低周疲勞壽命將下降約25%。發(fā)生母材斷裂的焊點能夠承載較大載荷，熔核尺寸能滿足接頭強度要求。

按照焊點質(zhì)量等級評定要求，一級標準要求每批撕破試片中，應(yīng)有95%的焊點呈鈕扣狀撕破，其余5%的焊點可在貼合面熔化區(qū)撕開，但熔化區(qū)尺寸至少是“鈕扣”平均尺寸的80%。在高強度鋼電阻點焊過程中，熔核界面斷裂問題給傳統(tǒng)焊點質(zhì)量破壞性檢測方法提出了技術(shù)挑戰(zhàn)。

2、焊接工藝窗口狹窄，魯棒性差

由于焊接通電在很短時間內(nèi)完成，需要用大電流并施加壓力，不同焊接工藝參數(shù)的組合將影響焊接中的能量輸入和分配、局部熱積累速度、熱量分布、焊接溫度場，進而影響點焊熔核的形成。

圖3中對幾種不同金屬薄板的焊接工藝窗口進行了對比，能夠看出高強鋼板的點焊工藝窗口相對狹窄很多，表明高強鋼的點焊過程魯棒性較差，可焊性不好，同時焊接過程的飛濺相比低碳鋼板也嚴重得多。

3、電極磨損嚴重

點焊電極在工作時要承受相當大的焊接電流和電極力。由于電極工作表面直接接觸焊點，承受焊接所產(chǎn)生的高溫，電極壓力在常溫下對銅合金電極的影響還不太大，但在870K以上時，就會達到或超過某些電極銅合金在該溫度下的屈服強度，引起電極工作面的迅速變形和壓饋，使電極頭部嚴重變形而無法工作。

電極磨損導(dǎo)致電極端面面積增加，改變了電極與工件接觸表面的導(dǎo)電、導(dǎo)熱屬性，降低了電極與工件接觸面的電流密度與電極壓力，影響熔核的形成。在點焊鍍鋅高強鋼板等材料時，電極磨損已經(jīng)成為影響焊點質(zhì)量的主要因素。0.8mm雙相高強鋼（DP600）的點焊電極磨損試驗證明，電極端面直徑隨焊接點數(shù)的不斷增加而增大。

不同焊接點數(shù)下的電極及其焊點表面狀態(tài)如圖4。焊點直徑與表面狀態(tài)實際上是電極端面直徑與表面狀態(tài)的反映，剛開始焊接時，焊點圓形度較好，表面狀態(tài)平整，隨著電極磨損的加劇，焊點圓形度變差，表面也越發(fā)凹凸不平。在點焊鍍鋅板時，高溫使電極表層產(chǎn)生了低熔點合金，當電極離開工件時，低熔點合金在飛濺作用下離開了電極端面，并在端面上產(chǎn)生一個小的弧坑，形成點蝕，也即圖4中電極壓印的空白區(qū)域。

點蝕提高了其周圍的電流密度和電極壓力，導(dǎo)致了點蝕周圍產(chǎn)生更嚴重的塑性變形和脫落，加速電極磨損。在約200點時開始出現(xiàn)點蝕，當點蝕面積增加到一定程度，在相同的電極力作用下，電極與工件間必須保持更大的接觸面積以抵抗電極力，因此會出現(xiàn)電極與工件間接觸面積突增的情況，點蝕對電極表面狀態(tài)比較敏感，產(chǎn)生的隨機性大，對電極壽命影響大，這是點焊鍍鋅板電極磨損不穩(wěn)定的主要原因。