由于间接热冲压22MnB5预涂层超高强度钢性能优异，汽车行业对其需求日益增长。本文通过试验研究了不同Al-Si涂层重量（AS150：150g/m2；AS80：80g/m2）以及间接热冲压Usibor1500钢的点焊工艺参数对焊接性能的影响，旨在进一步明确哪种涂层重量更适用于汽车领域。试验结果表明：对于AS80和AS150两种涂层，当焊接电流超过7.5kA时，可获得更优的点焊熔核直径；随着涂层重量的增加以及互扩散层厚度的增大，焊接电流范围逐渐缩小；热处理保温时间对AS150和AS80涂层的焊接电流范围均有显著影响；AS80涂层的焊接电流范围略大，为2.1kA，而AS150涂层的焊接电流范围为1.8kA。
1引言
先进高强度钢（AHSS）为汽车制造商提供了发展机遇，使其能够设计和制造强度更高、刚度更大且耐用性更强的车身结构。不过，安全性和二氧化碳排放是汽车行业面临的两大挑战，这也促使钢铁制造商研发具有高冲击能量吸收能力的先进高强度钢。如今在北美地区，道路上行驶的汽车中，约66%的车身重量由钢材构成。为了保持薄钢板在汽车行业的主导地位，研发人员已将大量注意力转向金属成形工艺，以实现汽车减重和强度提升的目标。在当今的汽车行业中，热冲压技术在金属成形领域的应用愈发广泛。
1.1热冲压
热冲压（又称热冲压成形）技术能够将22MnB5等超高强度钢加工成结构复杂的形状，而这是冷冲压工艺难以实现的。由安赛乐米塔尔公司研发的、带有Al-Si涂层的22MnB5钢（商品名Usibor1500），在热冲压工艺中常被加工成车门防撞梁、保险杠和B柱等汽车安全结构件。汽车制造商对提高车辆抗撞性和燃油效率的追求，推动了热冲压钢零部件需求的增长。自2000年以来，热冲压钢零部件的需求快速上升，到2015年，热冲压钢制造商发现其需求增长了近2倍。
热冲压的制造过程在冲压硬化生产线上完成：首先将钢板加热至900℃，然后进行成形加工，最后淬火至室温。最终得到的硬化钢零部件，屈服强度可达1100MPa，极限抗拉强度可达1500MPa，这一过程可通过以下两种工艺实现。
1.1.1间接热冲压工艺
在间接热冲压工艺中，坯料在冷态下进行成形、切边和冲孔操作，随后被加热并在模具中淬火，以获得高强度性能。间接热冲压的优势在于：能够制造几何形状复杂的零部件；坯料经完全淬火后可形成马氏体组织；坯料在预成形后，可通过冲孔、翻边、切边等工序进行预处理，从而便于后续淬火后的加工。
1.1.2直接热冲压工艺
在直接热冲压工艺中，坯料先在加热炉内加热，随后在极高温状态下进行成形，接着在模具内淬火以获得所需性能。直接热冲压既有优势也存在不足。其优势包括：可节省预成形工序的成本，且由于坯料表面状态均匀，可提高生产效率，而不足方面主要包括：无法用于制造几何形状复杂的汽车零部件；需要配备激光切割设备；冲压模具冷却系统的设计更为复杂。例如，直接热成形工艺需要在确定工艺细节之前先设定所有工艺参数，同时还需要掌握加热后的坯料、冷却的模具与周围环境之间的关系。Usibor1500之所以在汽车行业中备受青睐，其突出特性包括：能够加工成几何形状复杂的结构件，具有1500MPa的超高强度，且无回弹效应。
由于热冲压预涂层Usibor1500具有超高强度、减重效果好、回弹小以及优异的耐腐蚀性等突出性能，汽车企业对其需求不断增加。Usibor1500是一种可硬化的硼钢合金，表面涂覆Al-Si涂层，常用于对强度要求较高的汽车零部件。Al-Si涂层能够防止钢材在加热过程中发生氧化。
目前针对直接热冲压的研究较多，而关于间接热冲压Usibor1500的研究，尤其是其在汽车行业应用方面的研究相对有限。本文将对间接热冲压Usibor1500进行研究，旨在明确Usibor1500两种最常用涂层重量（AS150：150g/m2；AS80：80g/m2）的焊接性能。研究结果将用于验证这两种常用涂层重量的点焊性能，为福特汽车公司内部间接热冲压生产提供技术支持。
2试验装置与试验步骤
2.1材料制备
试验采用厚度为1.5mm的Al-Si涂层锰硼合金钢（22MnB5钢种）。这种母材（BM）锰硼合金钢为低碳钢，含有硼和锰等合金元素。交付状态下的锰硼合金钢，屈服强度约为400MPa，极限抗拉强度约为600MPa，总延伸率为22%。Al-Si涂层硼合金钢经淬火处理后，屈服强度超过1000MPa，极限抗拉强度达到1500MPa，总延伸率为5%，因此，被命名为“Usibor1500”。试验所用材料厚度为1.5mm，采用两种不同重量的涂层：AS150（涂层厚度36μm，对应150g/m2）和AS80（涂层厚度20μm，对应80g/m2）。这两种汽车行业常用的涂层重量由安赛乐米塔尔公司于2013年研发，研发目的一是降低成本，二是开发一种能够缩短保温时间的涂层。Usibor1500的化学成分和力学性能分别如表1和表2所示。本试验旨在确定汽车用间接热冲压态Usibor1500（分别涂覆AS150和AS80两种涂层）的焊接性能。焊接性能指的是利用焊枪将相同或不同厚度、不同成分的材料焊接在一起的能力，这对于制造坚固的汽车车身至关重要。表3列出了试验选用的涂层重量以及制备AS150和AS80两种涂层所用互扩散层（IDL）的适用厚度范围，表4列出了试验选用的点焊参数。
试验所用试样表面的Al-Si涂层为双面涂层，厚度约30μm。AS150和AS80铝基涂层通过层间扩散工艺实现，该工艺首先对Usibor1500钢板进行预涂层处理，然后将坯料在920℃的高温下加热4-6min（加热过程需严格监控时间），使铁元素发生扩散，最终形成AlSiFe层。涂层中Si的含量约为10%，Al的含量约为90%。有研究指出，涂层可能会出现开裂现象，且裂纹会向扩散区域延伸，因此，扩散层的厚度至关重要，必须通过控制保温时间和炉温来严格把控。本试验显示的五个子层表明，原始钢板的第一层包含Al和Al-Si。显微裂纹的存在是高密度Al层中存在η-Fe2Al5金属间化合物的重要标志，这种化合物在成形过程中对热应力较为敏感。在涂层中添加10%的Si是为了提高涂层的弹性；若不添加Si，涂层会变得非常坚硬，极易断裂。
2.2采用中频直接控制点焊机的试验焊接步骤
每个试样均通过气压系统固定在图1所示的点焊夹具中。试验使用中频直接控制（MFDC）点焊机，并配备HWI28×EVA逆变器，该逆变器适用于单网络运行，非常适合电阻点焊操作。为确保在AS150和AS80试样的试验研究过程中施加的压力达到最佳状态，专门采用了气动压力系统。中频直接控制电阻点焊机配备两个G20电极，电极设计为458截锥型，直径4.9mm，且配备循环冷却水系统。本试验重点关注的焊接性能参数包括焊接强度、电极磨损、焊点直径和热处理效果。这些参数的选择依据是汽车行业认可的焊接工艺和标准。
采用扫描电子显微镜（SEM）观察涂层与焊接性能之间的关系，尤其关注回火马氏体区域中裂纹起始位置，以确定最大强度和最小强度。试样焊接完成后，通过焊点熔核尺寸评估焊接质量好坏，并通过在特定电流强度下每分钟的焊接次数来评估电极寿命。当焊接次数达到2000次，且在7.5kA电流下仍未达到4.9mm的最小焊点直径时，停止点焊操作。
3结果与讨论
3.1AS80和AS150涂层的焊接强度与冶金性能
采用扫描电子显微镜（SEM）观察了所研究焊点的界面断裂情况。对热影响区（HAZ）的显微组织分析发现，当点焊结构在热影响区出现弱化时，会发生失效。从图2（a）可以看出，正如预期的那样，AS150在拉伸剪切试验中出现了完全界面失效，而AS80则出现了部分界面失效。当焊接强度高于母材强度时，母材区域会发生失效。对比图2（a）中的AS150和AS80可以发现，由于Al涂层熔化，AS150靠近接合面的焊点熔核结合力较弱且脆性较大。这一现象在熔合区被观察到，且熔合区在加载过程中极易开裂；因此，在最大和最小焊接电流下，裂纹均从尖锐缺口附近开始萌生。最小电流与最大电流之间的差值被称为“焊接电流范围”。
通过扫描电子显微镜对界面断裂进行的详细研究显示了断裂表面的特征。图2（a）显示了在2000μm的放大倍数下AS150与AS80的界面失效情况。AS150和AS80的拉伸剪切应力（TSS）随焊点直径的增大呈非线性增长，从焊点直径为4.5mm时的约15000N增长到焊点直径为7.5mm时的约27500N；交叉拉伸强度（CTS）也呈现出类似的变化特征。在更高放大倍数的扫描电子显微镜图像（图2（b）I和图2（b）II）中，可以观察到细微的特征，这充分证明了尺寸减小和硬裂纹导致的缺陷会引发界面断裂，进而影响点焊性能。图2（a）还表明，AS150和AS80均表现出良好的点焊强度和冶金性能，其焊接强度均高于4.9mm的最小焊点直径阈值，这充分说明在汽车行业适用的焊接强度下，AS80和AS150可进行点焊，且AS80的最小焊接电流范围为2.1kA，AS150的最小焊接电流范围为1.8kA，如图2（c）所示。
从焊缝的硬度分布可知，当AS150与AS150焊接、AS80与AS80焊接时，组件中的最薄弱区域为热影响区（HAZ）。Usibor1500母材的硬度较为稳定，约为500HV；而对于两种选定的涂层，焊缝区的硬度均在350HV左右。
3.2热处理对AS80和AS150涂层焊接性能的影响
本试验中，最小焊接电流（Imin）是指形成最小焊点（熔核）直径所需的焊接电流，最小焊点直径dwmin=4√t（其中t为板厚），试验中设定为4.9mm，对应图3中焊点的较低剪切强度。最大焊接电流（Imax）是指导致焊点试样界面出现液态金属喷溅时的电流。喷溅可定义为母材中的熔融金属喷出而产生的点焊缺陷。焊接电流范围（ΔI）定义为最小焊接电流与最大焊接电流之间的差值。
试验结果显示，在AS150和AS80的试验中，当热处理保温时间分别为5.5min、7.5min和9min时，获得的良好焊接电流范围分别为2.3kA、1.8kA和0.8kA。由此可见，热处理对AS150的焊接性能范围有影响，AS80也呈现出类似的现象。
热处理对AS150和AS80涂层的焊接范围均有显著影响，这是因为热冲压过程中会形成特定类型的合金层。互扩散层（IDL）体现了涂层与母材（Usibor1500）的均匀混合能力，这一点在图4和图5中均有体现。这两幅图表明，随着互扩散层厚度和总涂层厚度的增加，焊接电流范围逐渐缩小，但AS80涂层的形成速度比AS150更快。
3.3AS80与AS150涂层重量下的电极磨损性能
为评估电极磨损性能，将两种不同Al-Si涂层厚度的材料（AS80和AS150）置于相同的电阻点焊（RSW）条件下进行试验。在所选的相同点焊参数下，明确哪种涂层重量能使电极获得更长的使用寿命。其中，优质焊点的评判标准是焊点熔核的形成尺寸；而电极使用寿命则通过“在特定电流强度下，每分钟可完成的焊点数量”来衡量。从试验过程中切取试样，发现其点焊接头质量良好。值得注意的是，当点焊次数达到2000次时，试验停止。此时在7.5kA的最大电流下，焊点熔核直径仍未低于4.9mm的最小要求值。这一结果表明，试验中观察到电极具备较长的使用寿命，且涂层重量对电极性能没有影响。
4结论
本研究旨在探究不同涂层重量（AS80和AS150）对汽车高强度结构件用热冲压Usibor1500钢焊接性能的影响，以明确哪种涂层更适用于汽车领域。通过试验研究，得出以下结论：
1）对于厚度为1.5mm的Usibor1500钢（分别涂覆AS80和AS150涂层），可成功进行点焊操作。两种涂层均表现出良好的点焊熔核直径和冶金性能，且熔核直径均高于4.9mm的最小熔核直径（该尺寸最适合汽车行业应用）。这表明AS150和AS80涂层均可通过点焊获得符合汽车行业应用要求的焊接强度，适用于AS80与AS80、AS150与AS150等不同的叠焊组合。
2）AS150和AS80涂层的拉伸剪切应力随焊点直径的增大呈非线性增长，从焊点熔核直径为4.5mm时的约15000N增长到焊点熔核直径为7.5mm时的约27500N；交叉拉伸强度也呈现出类似的变化特征。AS150和AS80均表现出良好的点焊强度和冶金性能，其焊接强度均高于4.9mm的最小焊点直径阈值。这表明在汽车行业适用的焊接强度下，AS80和AS150可进行点焊，且AS80的最小焊接电流范围为2.1kA，AS150的最小焊接电流范围为1.8kA。
3）在涂覆AS80和AS150涂层的试样上，每种试样均实现了2000次优质点焊，之后停止点焊操作。所有焊点熔核直径均超过4.9mm（本研究中电阻点焊设定的最小焊点直径），符合汽车行业应用要求。
4）对于AS150和AS80涂层，在7.5kA焊接电流下，随着点焊次数的增加，熔核直径（与电极寿命相关）逐渐减小：初始熔核直径约为7mm（高于4.9mm的最小熔核直径），当点焊次数达到2000次时，熔核直径降至约6.5mm。
5）涂层厚度对电极寿命无显著影响；涂层重量对AS150和AS80的焊接强度及焊接冶金性能均无影响，但AS80的整体性能略优于AS150。
6）热处理保温时间对AS150和AS80涂层的焊接电流范围均有显著影响。AS80的焊接电流范围略高，为2.1kA，而AS150的焊接电流范围为1.8kA。随着互扩散层厚度和总涂层厚度的增加，焊接电流范围逐渐缩小；但从涂层形成速度来看，由于AS80涂层厚度较小，其形成速度比AS150更快。
7）焊点熔核直径随焊接电流的增大而增大；对于AS80和AS150涂层，当焊接电流超过7.5kA时，可获得更优的点焊熔核直径。然而，当焊接电流超过8.5kA时，由于接合面出现喷溅现象，AS80和AS150涂层的焊点熔核直径均略有减小。
除了降低成本的潜力外，未来还需开展以下研究工作：研究1.5mm和1mm厚度的AS80与AS80叠焊组合的点焊可行性，以避免生产过程中出现意外问题或零部件性能异常；对涂覆AS80和AS150涂层的Usibor1500钢电阻点焊接头进行腐蚀研究，明确其耐腐蚀性能、腐蚀类型及腐蚀机制。
