《Journal of Materials Processing Technology》：Mechanistic Elucidation of Novel Cold Spot Joining in Galvannealed DP1180 Steel Sheets
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冷点焊接技术通过同步控制电热与塑性变形实现DP1180钢固态连接，数值模拟与实验验证了最佳参数下34.9 kN剪切强度超越传统焊接方法，揭示了界面塑性流动与电流重分布的耦合机制。
里沙布·肖特里（Rishabh Shotri）| 豊田弘树（Hiroki Toyoda）| 森田善明（Yoshiaki Morisada）| 内田康作（Kohsaku Ushioda）| 赤泽久（Hisashi Serizawa）| 藤井秀敏（Hidetoshi Fujii）
就职于大阪大学焊接与连接研究所，地址：日本大阪市茨城县三保冈11-1，邮编567-0047
摘要
先进的高强度钢，尤其是DP1180等级的钢材，在不牺牲碰撞安全性的前提下，兼具高强度和延展性，有助于制造更轻量的车辆。然而，由于其高淬透性、有限的热延展性以及容易受到锌涂层脆化的影响，使得可靠的连接变得困难，从而限制了传统的电阻焊或熔焊方法的应用。冷点连接（Cold Spot Joining）是一种新型的固态焊接技术，它通过界面焦耳加热与高压塑性变形相结合，在不熔化的情况下形成冶金结合。该技术能够独特地控制电流释放和机械位移，实现了其他固态或熔焊方法所不具备的高效热流-应力耦合。本研究通过实验和数值模拟，阐明了其连接机制，关联了界面演变、应力-应变响应以及渐进变形过程中的电流重新分布。最佳条件（2.2毫米的行程速度、20毫米/秒的移动速率以及10千安的电流）产生了34.9千牛的拉伸剪切强度（JIS标准为22.8千牛），并且形成了拉长的马氏体微观结构。能量色散光谱（EDS）和电子背散射显微镜（EPMA）分析证实了锌涂层的去除以及锰合金带的重新排列，揭示了界面材料的流动情况。耦合模拟再现了热流、应力和温度的周期性变化，确定了实现无缺陷、高强度固态接头的关键工艺参数。
引言
先进高强度钢（AHSS），特别是双相（DP）1180等超高强度钢（UHSS）等级的钢材，由于其优异的强度重量比和碰撞性能，在轻量化汽车及白车身（BIW）结构中的应用日益增多。随着马氏体含量的增加，DP等级的钢材抗拉强度范围大约在450–1470兆帕之间，这种钢材在保证安全性的同时，提供了出色的强度和延展性平衡[1]、[2]。其工程化的多相微观结构（包括铁素体和马氏体，某些情况下还含有约7%的保留奥氏体）使得强度、韧性和成形性可调[2]、[3]。这些特性使得AHSS成为BIW结构部件（如图1a所示）的理想选择，例如A柱、B柱、门加强件、导轨以及混合厚度的轻量化车辆设计中的定制焊接件和多层板材组件[1]、[4]、[5]、[6]、[7]。最近的研究旨在扩展AHSS组件的焊接策略，同时减少传统焊接方法中的缺陷。针对Fe–Cr–Ni–Si–B AHSS的微观结构和力学研究表明，熔合区的化学成分和硬度显著受焊接参数的影响[8]。对于UHSS双相高延展性（DH）1200钢材，短脉冲、大电流电阻点焊（RSW）表明，焊接电流而非总热输入控制着焊核大小和拉伸剪切强度，从而实现了极短的循环时间[6]。此外，当基材的抗拉强度超过约800兆帕时，点焊接头的抗拉强度不再随基材抗拉强度的增加而提高[9]。
在AHSS多层板材组装中，优化的焊接工艺对于控制热效应和机械效应至关重要，以确保可靠的疲劳性能和静态性能[7]、[10]。然而，高淬透性、有限的热延展性、不受控制的软化以及塑性变形仍然是开发高强度接头的主要障碍[11]，这些问题会导致热影响区（HAZ）软化以及回火马氏体和碳化物析出引起的局部强度下降[1]、[12]。过高的淬透性会导致脆性的马氏体熔合区，从而增加裂纹敏感性[1]、[3]；而镀锌钢材在厚堆叠或高应力作用下容易发生液态金属脆化（LME）[4]、[6]、[13]。异质微观结构还会引发多种损伤模式，如铁素体-铁素体脱粘、铁素体-马氏体界面分离以及马氏体裂纹，从而降低接头的完整性[1]、[2]，这凸显了在商业应用中需要高效的焊接技术来连接AHSS。
RSW是目前AHSS最常用的焊接方法，通常使用4–15千安的电流、100毫秒至21毫秒的焊接周期以及2–4千牛的电极压力[3]、[6]。预脉冲、双焊核、阶梯/斜坡电流、磁脉冲和可控预热等变体技术扩展了AHSS或不同材料接头中的无喷射窗口[11]、[14]。然而，AHSS的RSW受到喷射、焊核穿透、电极磨损以及镀锌钢材中的LME的限制，常常导致熔合区硬度不均匀和重复性低[4]、[6]、[11]、[13]、[14]。冷金属转移（CMT）及相关可控熔焊工艺也被探索作为替代方案，但在应用于UHSS时往往会出现凝固缺陷、粗化微观结构和延展性降低的问题[15]。例如，在DP980的CMT焊接中，送丝速度和焊接速度的变化显著影响了熔合区的显微硬度，最高可达约420赫兹（HV）[12]。
基于摩擦的固态焊接方法，如摩擦搅拌焊接（FSW）和摩擦焊接，可以在不熔化的情况下产生细小的再结晶微观结构和高强度接头[2]、[16]。对于DP1180钢材，以100转/分钟的转速进行FSW时，能够在搅拌区产生超细晶粒（亚区粒径为0.41微米和0.28微米），实现约1094兆帕的拉伸强度，断裂发生在搅拌区，热影响区的硬度最低为280–300赫兹（HV）[2]。尽管具有这些优势，但由于工具限制、夹具复杂性和循环时间约束，这些方法在薄板汽车BIW结构中的应用仍然有限。最近的数值模拟和工艺监控工作旨在改进AHSS的焊接性能。电极位移监测利用最大位移、压痕和电极速度等关键参数来预测焊核大小和喷射风险，特别是对于镀锌（GA）处理的DP钢材[4]。然而，将这些方法可靠地应用于工业生产仍具有挑战性，这凸显了开发新型、更可控的固态点焊技术的必要性。
冷点连接（CSJ）是一种新型的固态点焊技术，它结合了界面焦耳加热与高压塑性变形[17]。在CSJ过程中，界面附近的局部高温变形促进了氧化膜的破碎和喷射[18]。随后，新暴露的金属表面通过固态冶金相互作用实现结合[19]。CSJ的独特之处在于它能够通过气动驱动的Cu–Cr电极精确控制电流释放，并通过伺服压机驱动的碳化钨（WC）中心压力杆精确控制机械位移[20]。通过仔细调节焦耳加热、接触压力和界面塑性流动之间的相互作用，CSJ能够在多种材料几何形状下实现高效的固态连接[17]、[18]。尽管具有这些优势，但由于焊接时间极短以及难以观察界面塑性流动的实验挑战，其基本的连接机制尚未得到充分理解。此外，界面变形和焦耳加热的同时发生导致电流路径和最大热生成位置持续变化。为了解决这些复杂性，本研究首次开发了一个能够模拟CSJ过程中电-热-力学耦合现象的数值模型。
总体而言，本研究旨在通过实验和数值模拟，揭示在1.6毫米厚的DP1180镀锌AHSS板材之间实现高强度固态点焊所需的过程。CSJ工艺由于需要同时控制离散的机械位移和集中的焦耳加热，因此面临若干独特挑战，这些因素动态影响局部界面结合。本研究探讨了界面扰动的演变过程（最初无电流释放，随后有电流释放时），以及渐进塑性流动如何重新分配电流密度。它还阐明了焦耳热如何积累形成局部温度峰值，电流和塑性应力的周期性变化如何产生，以及应力松弛、塑性流动和温度升高如何共同控制界面几何形状和结合稳定性。该数值模型能够捕捉到固体网格元素的向外膨胀，这些元素最初形成一个明显的台阶，随后实现界面塑性喷射和相邻体积的变形，而不会导致过度变形。此外，分析还考虑了锌涂层的去除，这是避免LME和实现直接金属接触的必要条件。通过探索不同的行程、行程速度和电流组合，研究了它们对接头几何形状、微观结构和拉伸剪切强度的主要影响。通过将数值模拟的热-力学场与实验观察到的焊接轮廓、硬度分布和断裂行为进行关联，本研究解决了CSJ结合机制中的关键不确定性，并展示了形成无缺陷、高强度固态接头的新颖可靠途径。
实验程序
图1展示了应用和实验设置的细节。图1a展示了CSJ在汽车BIW组件（如A柱、B柱和侧梁）中连接DP1180钢材板材的过程，旨在提高传统RSW位置接头的质量。实验装置包括一台垂直排列的CSJ机器（图1b）。中心组件包含多个厚钢板，内部装有气动阀门、铜板和Cu-Cr电极（图1b-）。
理论公式
CSJ过程中伴随着大量的塑性变形和电流的释放。这需要仔细且创新地定义电流路径、焦耳加热分布以及在同时发生的大塑性流动下的热软化区域变化。图2展示了在Abaqus（Dassault Systèmes，2022年）中开发的有限元（FE）模型配置，包括两种公式：（i）电-热耦合模型和（ii）温度-位移耦合模型。图2a
工艺控制变化
本节重点介绍了CSJ过程中关键焊接参数的瞬态行为。图4显示了这些参数的时间演变过程。在图4a中，施加的载荷、行程和行程速度对应于初始凸出阶段，此时施加了1.2毫米的行程，持续时间为约0.6秒。通过伺服控制的5毫米/秒的行程速度（蓝色曲线）维持缓慢的塑性变形。值得注意的是，在行程开始前就施加了载荷，以建立中心压力杆、上层板材和两个板材之间的初始接触
冷点接头细节
图5展示了宏观图像和尺寸细节。图5a显示了带有圆形焊接印记的DP1180板材的搭接接头。图5b–e展示了不同电流（8千安和9千安）和行程速度（2.2毫米/秒）下的点焊截面视图，突出了工艺参数的影响。
总结与未来展望
所提出的CSJ工艺易于适应汽车生产线，因为它在传统点焊硬件基础上引入了可编程的行程和电流控制，从而提高了负载关键BIW组件中先进高强度钢材的连接可靠性，而无需对工具或循环时间进行重大修改。
本研究采用简化的顺序电热和热力学耦合方法，并通过场重映射来捕捉关键信息
结论
本研究通过实验和数值模拟阐明了先进镀锌DP1180高强度钢材的冷点连接机制，主要结论如下：
1.通过协调控制施加的载荷、高速度机械行程和电流，建立了一种新型的固态连接机制，实现了界面加热和塑性流动的同步。无裂纹的点焊过程由变形和电流的时间耦合控制
CRediT作者贡献声明
藤井秀敏（Hidetoshi Fujii）：撰写 – 审稿与编辑、监督、软件使用、资源管理、项目协调、资金获取、概念构思。丰田弘树（Hiroki Toyoda）：验证、形式分析。森田善明（Yoshiaki Morisada）：撰写 – 审稿与编辑、监督、概念构思。内田康作（Kohsaku Ushioda）：撰写 – 审稿与编辑、监督、概念构思。赤泽久（Hisashi Serizawa）：撰写 – 审稿与编辑、监督。里沙布·肖特里（Rishabh Shotri）：撰写 – 初稿撰写、验证、方法研究、调查、形式化处理
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本项工作得到了日本科学技术机构（JST）的“适应性无缝技术转移计划（A-STEP）”的支持，项目编号为JPMJTR241B。
