熱鍍鋅雙相鋼與普通熱鍍鋅鋼點焊工藝對比

包曄峰，張炎璐，蔣永鋒

（河海大學(xué) 機電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022）

0 前言

鍍鋅鋼板因其良好的耐腐蝕性在很多場合有逐漸代替普通冷軋鋼板的趨勢。電阻點焊是鍍鋅鋼板連接的一種重要方式，具有能量集中、變形小、輔助工序少、無需填加焊接材料、生產(chǎn)效率高、操作簡便和易于實現(xiàn)自動化等特點，廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車制造等行業(yè)[1]。鍍鋅鋼板電阻點焊是一個高度非線性、有多變量耦合作用和大量隨機不確定因素的過程[2]，由于鍍鋅層的影響，鍍鋅鋼板電阻點焊可焊性較差，影響點焊質(zhì)量的因素有：鍍鋅層的成分和厚度、焊接工藝參數(shù)、電極端面形狀及尺寸、板厚、工件表面狀態(tài)等。隨著產(chǎn)品用材的更新?lián)Q代，為了滿足更高的產(chǎn)品質(zhì)量及節(jié)省能源消耗的需求，新型材料的開發(fā)及應(yīng)用速度也非?？靃3]，研究新型材料的電阻點焊工藝已成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點。徐仕航等人研究了DP590GA熱鍍鋅雙相鋼接頭的性能，分析了影響熱鍍鋅鋼板點焊接頭強度的主要原因[4]。閻俊霞等通過正交試驗方法對08Al鋼板進行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，探究最佳的焊接工藝參數(shù)[5]。S.Aslanlar試驗分析了鍍鋅鋼板電阻點焊過程中，焊接電流對接頭力學(xué)性能的影響[6]。朱志華等采用在電極與工件間插入輔助材料的方法，研究了插入材料的基材和鍍層種類對鍍鋅鋼板點焊的影響，得到適合于鍍鋅鋼板電阻點焊的輔助材料和相應(yīng)的點焊規(guī)范[7]。熱鍍鋅雙相鋼強度高、抗腐蝕性好，且具有良好的沖壓性能，已成為未來發(fā)展輕質(zhì)量、高安全性汽車的主要材料[8]，但是在電阻焊焊接過程中，由于其高強度使塑性溫度區(qū)間變窄，為獲得同樣的塑性變形需要較大的電極壓力[9]，使得適合點焊熱鍍鋅雙相鋼的參數(shù)范圍與點焊普通鍍鋅鋼板相比有較大差異。在此對比試驗了普通熱鍍鋅鋼和新型80 kg級熱鍍鋅雙相鋼的電阻點焊工藝，分析工藝參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響規(guī)律，得到了優(yōu)化的參數(shù)規(guī)范。

1 試驗條件和方法

1.1 試驗材料

試驗材料一種是板厚0.8 mm的普通熱鍍鋅鋼板，鋅層質(zhì)量150 g/m2，抗拉強度300 MPa；另一種是板厚1.0 mm的 80 kg級熱鍍純鋅雙相高強鋼板，鋅層質(zhì)量55 g/m2，抗拉強度 800 MPa。該 80 kg級熱鍍鋅雙相高強鋼是某鋼廠研制的先進汽車用鋼，尚未有其電阻點焊工藝研究的報道。

1.2 試驗儀器

試驗用點焊機為松下YR-350CM2固定式交流點凸焊機，電流為單脈沖點焊方式，調(diào)節(jié)范圍為0～15 kA，加壓范圍0～520 kgf。試驗用電極為斜錐形Cr-Zr-Cu電極，端面直徑，詳細(xì)尺寸如圖1所示。

1.3 試驗方法

圖1 電極形狀和尺寸

鍍鋅鋼板點焊的參數(shù)取決于基材的性質(zhì)、板厚和所使用設(shè)備的特點，各規(guī)范參數(shù)相互影響相互制約。由于低熔點鍍層的存在，適合于點焊鍍鋅鋼板的參數(shù)范圍較點焊無鍍層低碳鋼窄，點焊鍍鋅鋼板需要更大的焊接電流和電極壓力，接頭強度波動大，電極修整頻繁。當(dāng)電極材料、端面形狀和尺寸選定以后，影響點焊質(zhì)量的參數(shù)主要有：焊接電流I、焊接時間T和電極壓力P。

試驗在正交優(yōu)化的基礎(chǔ)上，利用單因素變化法分別分析I、T、P三個參數(shù)對兩種鍍鋅鋼板焊點質(zhì)量的影響。用接頭抗拉剪載荷和焊點熔核直徑作為焊點的質(zhì)量評價指標(biāo)。接頭抗拉剪載荷在萬能拉伸試驗機上測試。采用宏觀金相法測量焊點熔核直徑。測量過程為：將取樣焊點沿中心線剖開，用砂紙打磨剖面，4%硝酸酒精溶液腐蝕，拍攝宏觀照片，測量熔核直徑，取同一規(guī)范3個試樣熔核直徑的平均值作為該規(guī)范的數(shù)據(jù)，試樣照片如圖2所示。

圖2 測量焊點熔核直徑的試樣照片

2 試驗參數(shù)范圍的確定

焊點的強度決定于熔核直徑D和熔核高度H，強度控制要求的熔核尺寸隨板厚的增加而增大，一般來說，對于某一厚度的鋼板，強度控制要求的熔核直徑D可用下列經(jīng)驗公式計算：

式中 δ為板厚（單位：mm）。

一般點焊試驗時以式（1）直徑的80%作為判斷焊點是否合格的下限直徑，因此δ=0.8 mm的鍍鋅鋼板，熔核下限直徑為 Dmin≈3.6 mm；δ=1 mm 的鍍鋅鋼板，熔核下限直徑為Dmin≈4 mm。點焊電流范圍一般以熔核達(dá)到下限直徑時的電流作為能滿足生產(chǎn)要求的下限電流；以電極與工件不產(chǎn)生粘附，且焊接過程中不產(chǎn)生大量飛濺的電流作為能滿足生產(chǎn)要求的上限電流。

試驗時將遞增/減時間、預(yù)壓時間、維持時間根據(jù)以往經(jīng)驗分別設(shè)置為 5 cyc、30 cyc、20 cyc，不作為考察變量。采用正交試驗方法優(yōu)化了兩種材料的點焊工藝參數(shù)，得到普通熱鍍鋅鋼的優(yōu)化參數(shù)為I=11.7 kA、T=15 cyc和 P=2500 N；熱鍍鋅雙相鋼的優(yōu)化參數(shù)為I=11 kA、T=13 cyc和P=2900 N。單因素試驗時僅變化一個參數(shù)，變化范圍根據(jù)正交優(yōu)化參數(shù)確定，如表1所示；另兩個參數(shù)固定為正交優(yōu)化的參數(shù)。

表1 單因素試驗時兩種材料的參數(shù)范圍

3 試驗結(jié)果與分析

圖3、圖4和圖5分別為兩種鍍鋅鋼板熔核直徑和接頭抗剪強度隨焊接電流、焊接時間和電極壓力的變化曲線。由圖可見，在試驗條件下，兩種材料的熔核直徑和抗拉剪載荷都隨著焊接電流和焊接時間的增加而增加，當(dāng)焊接電流和焊接時間超過某一值時，熔核直徑和抗拉剪載荷都趨于穩(wěn)定，不再隨焊接電流和焊接時間的增加而增加。熱鍍鋅雙相鋼熔核直徑的穩(wěn)定值約為5.2 mm，抗拉剪載荷的穩(wěn)定值約為13000 N，普通熱鍍鋅鋼熔核直徑的穩(wěn)定值約為6.4 mm，抗拉剪載荷穩(wěn)定值約為4500 N，僅為雙相鋼的1/3～1/2。但雙相鋼熔核尺寸比普通熱鍍鋅鋼低約20%，其原因可能與雙相鋼塑性溫度區(qū)間窄，塑變能與熱能較小有關(guān)。電極壓力對兩種材料的焊點直徑和抗拉強度影響較小。

3.1 焊接電流對焊點強度的影響

圖3 焊接電流對點焊接頭的影響曲線

由圖3a、圖3b可見，焊接電流對兩種鍍鋅鋼的焊點強度影響都比較大，尤其是在小電流范圍內(nèi)，熔核直徑和接頭抗拉剪載荷隨焊接電流而增加的幅度很大。普通熱鍍鋅鋼板達(dá)到11 kA后焊點強度和熔核直徑達(dá)到最大值并不再隨電流的增加而有明顯變化。焊接電流超過11 kA后，雙相熱鍍鋅板焊點抗拉剪載荷和熔核直徑的變化也趨于平緩，可以推測如果繼續(xù)增加電流，焊點質(zhì)量變化幅度將變小直至穩(wěn)定不變。焊接電流較小時，熱鍍鋅鋼板的對接接頭質(zhì)量較差，與其表面鋅層的影響有關(guān)。這是由于鋅層對點焊過程的起始接觸電阻和焊接電流密度有較大影響，同時小電流產(chǎn)生的電阻熱小，不利于鋅層熔化后從熔核中擠出，導(dǎo)致熔核結(jié)晶時間短，熔核凝固時液態(tài)鋅尚未完全擠出熔合區(qū)，熔核中殘留的鋅量較多，從而影響了接頭強度。當(dāng)焊接電流足夠大（11 kA）時，低熔點鋅和鋅鐵合金迅速熔化，容易在電極壓力下被擠出熔核的塑性環(huán)范圍，降低了熔合區(qū)的鋅含量，從而保證接頭有足夠的強度，使接頭抗拉剪載荷和熔核直徑達(dá)到最大值，如繼續(xù)增加焊接電流，熔核直徑和抗剪強度不再明顯提高，相反會在焊接過程中產(chǎn)生較大的飛濺，焊點強度反而下降。根據(jù)焊接電流對熔核直徑和抗剪強度的影響，可以確定熱鍍鋅鋼板的點焊電流應(yīng)選用焊點質(zhì)量穩(wěn)定的中等電流進行焊接。

圖4 焊接時間對接頭的影響曲線

3.2 焊接時間對焊點強度的影響

由圖3、圖4可知，焊接時間對焊點強度的影響與焊接電流有著相似的變化趨勢。普通熱鍍鋅鋼和熱鍍鋅雙相鋼分別在焊接時間17 cyc和13 cyc后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。穩(wěn)定狀態(tài)之前，隨著焊接時間的增大，接頭抗拉剪載荷和熔核直徑呈現(xiàn)較快的上升趨勢。這是由于焊接時通電時間的增大有利于焊件間熔化鋅層的擠出和成分的均布以及熔核的攪拌。高強熱鍍鋅板焊接時間達(dá)到13 cyc時鋅層已經(jīng)可以被全部擠出并均布于焊點周圍。而普通熱鍍鋅板焊接過程稍顯不穩(wěn)定，需達(dá)到17 cyc左右焊點質(zhì)量變化才逐漸平緩，這與普通熱鍍鋅板鋅層質(zhì)量較高（達(dá)150 g/m2）有關(guān)。如果在鋅層已被完全擠出的情況下繼續(xù)增加焊接時間則會加劇焊件與電極之間的粘結(jié)，不僅破壞耐腐蝕鍍層，更會增加電極端面合金化程度，降低電極使用壽命。

3.3 電極壓力對焊點強度的影響

圖5 電極壓力對接頭的影響曲線

由圖5可知，隨著電極壓力的增大，焊點抗拉剪載荷和熔核直徑有略微下降的趨勢。究其原因：電極壓力增大使得電極間總電阻減小，在相同焊接電流條件下，產(chǎn)生的電阻熱降低，導(dǎo)致了熔核直徑的變化，從而影響了接頭強度。但兩種材料接頭強度和熔核直徑變化幅度不大，約在500～1000 N和0.5 mm以內(nèi)。這說明在焊接電流和焊接時間一定的條件下，電極壓力對焊點抗拉剪強度和熔核直徑的影響有限。但電極壓力對焊點外觀質(zhì)量有一定影響，由圖6可見，電極壓力為2500 N時的外形較電極壓力為1430 N時的壓痕深度更均勻，焊點較圓整，表面較光滑。

3.4 鍍鋅鋼板電阻點焊質(zhì)量評判依據(jù)探討

分析試驗數(shù)據(jù)可知，在熔核尺寸滿足大于80%控制直徑的情況下，接頭抗拉剪載荷變化幅度較大，有些數(shù)據(jù)偏小，如圖3a中焊接電流為8400 A時，焊點熔核直徑為3.62 mm，但接頭抗拉剪載荷值為1350 N，僅為穩(wěn)定值的30%，由此可見，依據(jù)熔核尺寸作為考察鍍鋅鋼板焊點質(zhì)量合格與否的評判標(biāo)準(zhǔn)可能會造成焊點抗拉剪載荷低于強度需求的情況。因此在確定焊接參數(shù)時，提出以焊點抗拉剪載荷達(dá)到試驗穩(wěn)定值的80%（即普通熱鍍鋅鋼3800 N、熱鍍鋅雙相鋼10800 N）以上為判斷鍍鋅鋼板點焊合格的依據(jù)，這種以焊點強度為判據(jù)的方法更能保證鍍鋅鋼板的點焊質(zhì)量。

圖6 不同電極壓力下焊點外觀

依據(jù)該判據(jù)由圖3a和圖4a可見，普通熱鍍鋅鋼在焊接電流10 kA時接頭抗拉剪載荷達(dá)3820 N、熔核直徑5.4 mm；在焊接時間16 cyc時接頭抗拉剪載荷為3800 N、熔核直徑5.9 mm，都已大于焊點強度控制要求的下限值，且兩條曲線均單調(diào)上升，因此可以確定普通熱鍍鋅鋼合格焊點的焊接電流為 10～12.5 kA，焊接時間為 16～23 cyc；由圖 3b、圖4b可見，熱鍍鋅雙相鋼在焊接電流10.7 kA時接頭抗拉剪載荷為10800 N、熔核直徑為4.8 mm；在焊接時間13 cyc時接頭抗拉剪載荷為12200 N、熔核直徑為4.83 mm，大于合格焊點強度控制要求下限值，可得熱鍍鋅雙相鋼合格焊點的焊接電流為10.7～11.7 kA，焊接時間為 13～19 cyc。

由圖5a可見，普通熱鍍鋅鋼板和熱鍍鋅雙相高強鋼電極壓力分別在3570 N和3200 N時接頭抗拉剪載荷和熔核直徑有最小值，分別是4367 N、6.2 mm 和 11900 N、4.7 mm，均大于合格焊點強度控制要求的下限值，由此可見，普通熱鍍鋅鋼在電極壓力1430～3570 N試驗范圍內(nèi)，熱鍍鋅雙相鋼在電極壓力2150～3200 N試驗范圍內(nèi)均能得到合格焊點。

4 結(jié)論

（1）焊接參數(shù)對80 kg級熱鍍鋅雙相鋼和普通熱鍍鋅鋼點焊接頭性能的影響趨勢基本一致。熱鍍鋅雙相鋼點焊接頭抗拉剪載荷穩(wěn)定值可達(dá)13 kN，而普通鍍鋅鋼4.5 kN，僅為雙相鋼的1/3～1/2。但雙相鋼熔核尺寸比普通熱鍍鋅鋼小約20%，其原因與雙相鋼塑性溫度區(qū)間窄，塑變能與熱能較小有關(guān)。

（2）在其他參數(shù)一定的條件下，焊接電流和焊接時間對焊點質(zhì)量影響較大，尤其是小電流范圍內(nèi)抗拉剪載荷和熔核直徑的變化幅度很大，主要原因是鋅層對起始接觸電阻、電流密度有較大影響以及電阻產(chǎn)熱量小；電極壓力對焊點質(zhì)量影響甚小，兩種材料接頭抗拉剪載荷和熔核直徑變化幅度僅在500～1000 N 和 0.5 mm 以內(nèi)。

（3）由于鍍層對熔核的影響，以熔核直徑作為鍍鋅鋼板點焊質(zhì)量控制的判據(jù)時，焊點的抗拉剪載荷波動較大，因此提出以點焊接頭的抗拉剪載荷達(dá)到穩(wěn)定值的80%為判據(jù)，同時考慮熔核直徑的評判標(biāo)準(zhǔn)，可有效控制鍍鋅鋼板的點焊質(zhì)量。

（4）以抗拉剪載荷為判據(jù)，得到0.8 mm厚普通熱鍍鋅鋼板合格焊點工藝參數(shù)范圍：焊接電流10～12.5 kA，焊接時間 16～23 cyc,電極壓力 1430～3570 N；1 mm厚80 kg級熱鍍鋅雙相高強鋼板合格焊點工藝參數(shù)：焊接電流 10.7～11.7 kA，焊接時間 13～19 cyc，電極壓力 2150～3200 N?？梢钥吹?0 kg級熱鍍鋅雙相高強鋼焊接工藝規(guī)范明顯較窄。

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