针对超高强度钢板气体保护焊焊接接头中熔渣增多并影响电泳涂装性的问题，神户制钢研发出能够减少熔渣产生量并提高电泳涂装后耐腐蚀性能的焊接技术。该技术采用氩气比例高达95%的高氩焊接工艺，并通过添加与氧亲和力低的合金元素，优化了焊接材料的成分设计以增加焊接接头的强度。此外，考虑到生产效率，采用了复合焊丝而非汽车领域普遍使用的实心焊丝，实现了焊接材料的实际应用。本文将详细介绍通过优化焊接工艺与焊接材料的组合，实现电泳涂装性与疲劳强度兼顾的焊接技术。
车底盘部件的连接一般采用使用实心焊丝的气体保护电弧焊。在使用实心焊丝制造超高强度钢板用焊接材料时，焊丝强度往往会偏高。作为焊接材料，为了确保焊接时良好的送丝性和操作性，其在产品直径下应具备适当的强度。不过，焊丝添加较多合金元素时，为达到合适的强度，在拉丝过程中必须进行退火软化处理。若仅进行一次退火无法使强度降低到合适水平，有时还需进行多次退火。这将导致焊丝的生产效率大幅下降，增加焊接焊丝的成本。因此，神户制钢为开发980MPa级钢板用焊接材料，尝试采用复合焊丝进行材料设计。该设计充分考虑了焊丝制造时的成型性，以软钢带材为外皮，将添加合金元素的填充料作为芯部。在加工难度较大的高强度材料中，复合焊丝更为经济，并且具有焊接速度快的优点。复合焊丝的缺点在于其刚度较低，平直度稍有受损。针对这一点，在实际部件制造中对其焊接性进行了确认和评估。本文将介绍通过上述复合焊丝和焊接工艺，为超高强度钢的焊接提供具备优异耐腐蚀性能和疲劳强度的焊接接头的焊接技术。
1 基础技术
1.1 提高耐腐蚀性的措施
提高耐腐蚀性的基本思路可分为焊接工艺和后续电泳涂装工艺。在气体保护电弧焊中，为防止大气混入熔融金属，通常使用100%CO2或80%Ar-20%CO2的保护气体。CO2在电弧正下方会分解为CO和O，氧一方面可稳定电弧，同时也是活性气体，会与Si、Mn等合金添加元素结合，促进熔渣的生成。以Si为主的氧化物熔渣具有高绝缘性，若这种熔渣存在于焊缝表面，在焊接后的电泳涂装过程中，涂膜将无法形成。因此，为提高电泳涂装性，应尽量减少焊缝上的熔渣。针对这一问题，采用95%Ar-5%CO2的高氩焊接工艺已得到实际应用，该工艺在稳定焊接电弧的同时，通过降低活性气体含量来抑制熔渣的产生量。在后续的电泳涂装工艺中，利用电泳涂膜在烘烤时粘性降低、流动性提高的特性，采用覆盖绝缘物的方法。其原理是在高氩焊接工艺将熔渣减至最少的基础上，增加电泳涂膜的厚度，提高涂膜的流动性，从而覆盖未电泳部位的熔渣。
1.2 焊接材料
采用提高惰性气体比例的高氩焊接工艺可减少熔渣的产生。同时，在焊接材料方面，为实现低熔渣和提高电泳涂装性能，也开展了多种研究。
为解决与高氩焊接工艺相匹配的焊接材料的低熔渣问题，提出了两种方案，并针对每种方案确定了最佳的施工条件。表1展示了在高氩焊接工艺中，通过焊接材料和施工条件的组合来减少熔渣的方案。
第一种减少熔渣的思路是在通过增加惰性气体比例抑制熔渣产生量的基础上，使熔渣集中并回收，将其输送至焊接终端。集中的熔渣易于剥离。在焊接材料方面，将焊丝中的硫含量设计为约0.020%。添加S会改变熔池的对流，使微小的熔渣在焊接时向弧坑部位集中，并随电弧移动而被输送。影响熔渣行为的因素除熔池对流外，还有保护气体的流速。为使熔渣集中并稳定地输送至焊接终端，降低气体流速是有效的，因此，建议采用比常用尺寸更大的喷嘴直径。本文将具有上述使熔渣集中特性的气体保护电弧焊焊丝称为“熔渣集中型焊丝”。
第二种减少熔渣的思路是将熔渣输送至熔池后方并分散，使其主动地融入Fe系氧化膜中。在焊接材料设计中，添加能形成液相线温度高于Si、Mn氧化物的Ti元素。与Si、Mn相比，Ti在更高温度区域形成熔融熔渣，因此受等离子气流的影响更强，能够获得向熔池后方移动的驱动力。为使输送至熔池后方的熔渣融入Fe系氧化膜，熔池后方的固液界面附近最好暴露在大气中。根据其他学者的研究结果，当焊接速度较快或喷嘴直径小于一定数值时，焊接后的焊缝外观会出现无熔渣区域。通过提高焊接速度和减小喷嘴直径，可增加暴露在大气中的熔池面积，从而更有效地促进Fe系氧化膜的覆盖。在不产生因大气卷入导致的气孔缺陷且不影响机械性能的范围内，提高焊接速度是较为合理的施工方式。本文将具有上述使熔渣分散特性的气体保护电弧焊焊丝称为“熔渣分散型焊丝”。
观察使用440MPa级钢板制作的焊接接头在电泳涂装后以及后续腐蚀试验后的外观照片，结果发现，与传统的MAG焊接相比，采用高氩焊接工艺的焊接接头的电泳涂装性有了显著提高。比较两种减少熔渣的方案，使用熔渣集中型焊丝时，未完全集中的残留熔渣部分会出现生锈现象；而使用熔渣分散型焊丝时，若熔渣能得到适当分散和无害化处理，则可确认其具有良好的耐腐蚀性能。
由于超高强度钢板用焊接焊丝会产生更多的熔渣，因此，决定以耐腐蚀性能更优的熔渣分散型焊丝为基础进行设计。
2 超高强度钢板用焊接技术
2.1 焊接材料
作为超高强度钢板用焊接焊丝，探讨了以成型性优异的软钢带材为外皮，与添加混合合金的填充料相结合的复合焊丝。表2展示了试制焊丝全熔解时的目标化学成分。980MPa级钢板为获得规定强度添加了合金元素，焊缝金属除了受焊丝合金成分影响外，还受母材成分的影响。由于超高强度钢板添加的合金较多，其焊接时熔渣必然有增加的趋势。作为焊接焊丝，为尽可能抑制熔渣的产生，探讨了用碳或Cr代替与氧亲和力高的Si来提高焊缝金属强度。碳与氧结合会发生气化，因此，判断其对熔渣量的影响较小。Cr与氧的亲和力相对较低，当存在较多与氧亲和力高的其他合金元素时，Cr与氧的结合有限，有望大部分保留在焊缝金属中。
2.2 试验条件
2.2.1焊接及电泳涂装
使用马自达汽车公司提供的980MPa级钢板，以水平焊接姿势进行搭接角焊接头试验。焊接条件如表3所示。通过图像处理对焊缝上的熔渣进行二值化处理，计算熔渣在拍摄图像中的面积率。对制作的焊接接头依次进行清洗、脱脂、表面调整、化成处理（锌系磷化）、再次清洗，最后进行黑色阴极电泳涂装，目标膜厚为20μm。通过图像处理对涂装不良区域进行二值化处理并计算其面积。
2.2.2复合循环腐蚀试验（CCT）
CCT是一种在试验槽内反复进行盐水喷雾、干燥、湿润等腐蚀循环，以加速评估金属材料、涂装、电镀等耐腐蚀性能的方法。本试验中，对搭接角焊接头部位的耐腐蚀性能进行了评估。从使用焊丝A-F试制的接头中，选取熔渣量少且电泳涂装性良好的接头作为试验材料。试验以JASO M609（日本汽车标准）为基本条件，进行至50次循环，此时防锈性能的差异能够充分显现。在规定的循环次数后，从试验槽中取出试件，通过拍照记录腐蚀情况。
2.2.3焊接接头的疲劳试验
按照表3所示的焊接条件制作焊接后的试件，使用放电加工从试件上截取疲劳试验用的试样，进行应力比R=0的单向平面弯曲疲劳试验。选用JIS Z3312 G43A2M 16焊丝作为通用的440-780MPa级钢板用焊接材料作为对比材料。疲劳试验条件如表4所示。
2.2.4焊接接头的硬度试验
从截取疲劳试验试样的同一试件上截取焊接接头的断面微观试样，进行维氏硬度试验。硬度测量位置选取在焊接接头中可能影响疲劳强度的焊缝下方焊趾端部，测量范围涵盖焊缝金属、焊接热影响区和母材。硬度测量时的载荷为3N。
2.3 试验结果与讨论
2.3.1熔渣生成量与电泳涂装性的评估结果
从图像处理解析计算得到的熔渣面积率和电泳未涂装区域的定量评估结果可以看出，通过减少强脱氧元素Ti和Si的含量，焊缝上的残留熔渣量有所降低。比较电泳涂装后的焊缝外观，确认包括残留熔渣在内的焊缝大部分区域都进行了电泳涂装。焊丝A-C（添加0.14%Ti）在上板侧残留熔渣部分也表现出良好的电泳涂装性，而相对熔渣较少的焊丝D-F（添加0.10%Ti）则存在电泳涂装不良的区域。即出现了熔渣残留量多但涂装性良好，以及熔渣量少却无法获得足够电泳涂装性能的情况。
2.3.2熔渣的解析结果
针对电泳涂装性存在差异的上板侧残留熔渣，进行了断面观察。采用电子探针显微分析仪（EPMA）进行元素映射，并使用相分离分析软件COMPASS进行相分离分析。
根据元素映射确定的元素和质量比，计算熔渣中主要氧化物的比例，结果可以确认，随着焊丝中Si含量的降低，熔渣中SiO2的含量呈下降趋势，但TiO2和MnO等的构成比没有显著差异。
使用COMPASS观察氧化物相的分布形态，结果如表5所示。提取熔渣中占有率20%以上的相，并将成分占比10%以上的相确定为代表相。结果表明，Mn-Ti-Si氧化物相和Mn-Ti氧化物相是构成熔渣的主要相。随着焊丝中Si含量的降低，Mn-Ti氧化物相有从熔渣下部（钢板接触侧）向上部（电泳涂膜接触侧）呈树枝状析出的趋势，且相的边界更加明显。在电泳涂装性良好的焊丝A-C（添加0.14%Ti）的熔渣中，这种趋势更为明显。
假设Mn-Ti氧化物相比Mn-Ti-Si氧化物相具有更高的导电性，这可以解释为：由于导电路径在三维空间内相互交织，从熔渣下部到上部形成通路，尽管熔渣面积比率增加，但电泳涂装性却得到了改善。对各氧化物相导电性的定量分析是今后的研究课题，今后将致力于阐明电泳涂装性提高的机理。
2.3.3复合循环腐蚀试验（CCT）结果
对980MPa级钢板，采用焊丝B进行搭接角焊，并进行阴极电泳涂装，然后实施复合循环腐蚀试验。试验结果显示，与使用通用焊丝的440MPa级钢板接头相比，使用焊丝B的接头展现出优异的电泳涂装性。并且在复合循环腐蚀试验50次循环后，观察焊缝外观，未发现因焊接焊缝上残留熔渣而引发的生锈现象，确认其具有良好的耐腐蚀性能。
2.3.4焊接接头的疲劳性能评估结果
搭接角焊接头的疲劳试验结果如图1所示。此处介绍在980MPa级钢板焊接中，兼顾电泳涂装性和焊缝金属强度的焊丝B的疲劳性能。使用通用焊丝的焊接接头中，与440MPa级钢板相比，与980MPa级钢板组合时疲劳性能得到改善。焊丝B与980MPa级钢板组合时，在相同振幅应力下，与通用焊丝相比，其寿命更长，并且在200万次循环时，疲劳强度提高了约1.5倍。
从搭接角焊接头的断面微观观察结果以及焊趾半径和焊趾角的测量结果可知，搭接角焊接头中，焊趾截面的形状对疲劳性能影响较大，但本次试制焊丝的焊接接头，焊趾端部形状无明显差异。因此，认为是钢板和焊缝金属强度的增加提高了焊接接头本身的承载能力，从而有助于疲劳强度的增加。
2.3.5焊缝金属区的硬度测量结果
焊接接头下方焊趾附近的维氏硬度试验结果如图2所示。使用通用焊丝的焊接接头的焊缝金属，与440MPa级钢板相比，与980MPa级钢板组合时硬度更高。这被认为是980MPa级钢板中添加的合金成分对母材稀释的影响。在平面弯曲疲劳试验中表现最佳的焊丝B所制成的焊接接头，其焊缝金属的硬度约为HV300。也就是说，焊趾端部附近焊缝金属承受应力集中，增大其硬度，是提高搭接角焊接头疲劳性能的有效手段之一。
3 试验结果
由于在实验室评估中，使用焊丝B对试件进行测试时，其展现出了优异的耐腐蚀性能以及疲劳强度的提升，因此，对其在实际部件中的焊接性和电泳涂装性展开了评估。评估对象为马自达汽车公司在轻量化项目中采用的980MPa级钢板（板厚2mm）制作的下摆臂。应用980MPa级钢板后，与以往使用780MPa级钢板制作的部件相比，实现了约25%的轻量化。
使用焊丝B完成焊接工序后的部件涉及对接焊缝、搭接角焊缝和T形角焊缝，经检验，各焊缝均具备良好的焊接性。虽然复合焊丝存在刚性降低的缺点，在机器人焊接时可能会出现定位偏差的问题，但实际获得了良好的焊缝，在实际应用中未出现问题。此外，部件进行阴极电泳涂装后展现出良好的电泳涂装性，在实际部件上也证实了熔渣分散型焊丝与高氩焊接工艺组合所期望的效果。
4 结语
为实现汽车底盘部件的轻量化，超高强度钢板的应用促使部件朝着薄壁化方向发展。随着钢板强度的提高，为保证强度需添加合金，这导致阻碍电泳涂装的熔渣增多。同时，采用薄钢板会缩短出现穿孔锈蚀的时间。针对这些问题，神户制钢以高氩焊接工艺为基础，开发出既能抑制熔渣产生量又能实现高强度化，且通过熔渣改性提高耐腐蚀性能的焊接技术。此外，考虑到高强度钢用焊接材料的生产效率和采购成本，选用了复合焊丝。在汽车领域，此前复合焊丝仅在排气系统部件中用于不锈钢焊接，在底盘部件中的应用几乎为零。通过与部件制造厂商的合作，复合焊丝在焊接性和施工效率方面获得了高度评价。期望该工艺能作为汽车领域车身轻量化的关键技术被广泛认知并推广应用。
