汽車熱成型板焊接質(zhì)量控制

鄧林

(上海賽科利汽車模具技術(shù)應(yīng)用有限公司，上海201209)

0 前言

熱成型鋼材料屬耐熱合金鋼，有較高的硬化性能，易導(dǎo)致焊核脆化，特別是熱影響區(qū)嚴(yán)重降低了接頭的韌性和塑性，增加了焊核裂紋和氣孔傾向。同時焊接過程中易產(chǎn)生飛濺和毛刺，由于熱成型鋼的硬度很高，減少飛濺和去毛刺困難，導(dǎo)致制造成本大及焊接質(zhì)量控制難的問題。因此選擇合適的焊接設(shè)備及工藝顯得至關(guān)重要。

1 材料及焊接性分析

1.1 材料分析

材料:牌號為GMW14400M-ST-S;等級為HS1300T/950Y;C的質(zhì)量分?jǐn)?shù) w1=0.19% ～0.27%、Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù) w2=1.00% ～1.50%、Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)w3=0.010%(min)、Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù) w4=0.50% (max)、Ph的質(zhì)量分?jǐn)?shù) w5=0.030%(max)、S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)w6=0.015%(max)、Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)w7=0.35%(max)、Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)w8=0.010%(max)(100 ppm)、B的質(zhì)量分?jǐn)?shù)w9=0.0005% ～0.003%;組織為馬氏體。

1.2 可焊性分析

該材料屬耐熱合金鋼，耐熱合金鋼的主要合金元素都顯著地提高了鋼的淬硬性，鉻在較高的冷卻速度下熱影響區(qū)的淬硬性更強(qiáng)［1］。該材料的組織是馬氏體，焊接接頭容易產(chǎn)生冷裂紋和脆化?？傊疅岢尚弯撚休^高的硬化性能從而導(dǎo)致焊核脆化，特別是熱影響區(qū)嚴(yán)重降低了接頭的韌性和塑性，增大了焊核裂紋和氣孔傾向的出現(xiàn)概率。在點(diǎn)焊時由于加熱及迅速冷卻會形成脆性相當(dāng)大的焊點(diǎn)，同時焊接過程中易產(chǎn)生飛濺和毛刺，從而使焊接質(zhì)量難以控制。焊前預(yù)熱和焊后熱處理可以防止裂紋和消除焊接殘余應(yīng)力，而且可以改善組織，提高接頭的綜合力學(xué)性能。

該材料加入了合金元素 (如 Mn，Si，Cr，Ni，B)，通過調(diào)質(zhì)處理可獲得綜合性較好的高強(qiáng)鋼，熱成型鋼的屈服強(qiáng)度可達(dá)1 250 MPa，B的加入提高了鋼的熱強(qiáng)性，所以焊接時需要很大的焊接壓力。

1.3 焊接工藝措施

適宜對脆性大的材料焊接的傳統(tǒng)工藝方法有:(1)用弱規(guī)范焊接以防止形成裂縫，隨后再對焊接件作全面熱處理;(2)用很弱的規(guī)范焊接，之后不作熱處理;(3)用強(qiáng)規(guī)范焊接，緊隨之后立即在焊機(jī)上進(jìn)行熱處理。

第一種方法可以保證金屬組織最為一致，但不適宜生產(chǎn)狀況。第二種方法其缺點(diǎn)是生產(chǎn)率低，焊接變形大，焊點(diǎn)區(qū)域內(nèi)晶粒粗大。所以第三種方法焊后立即熱處理是最適用的方法。點(diǎn)焊時最合理的熱處理循環(huán)是:焊接→在電極間冷卻→重新加熱。由于迅速冷卻，焊接區(qū)內(nèi)的鋼可能淬火，二次加熱時在焊接區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了或多或少的完全回火，因而金屬的硬度降低，塑性增高。短時間的二次加熱對鋼的組織及機(jī)械性能大有影響。焊點(diǎn)脆性可用p拉/p剪之比表示，比值越小，焊點(diǎn)的脆性越大。焊點(diǎn)在電極間的熱處理能夠大大提高p拉/p剪之比。為使電極間的熱處理有效，二次加熱時焊點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的溫度不要超過鋼的重結(jié)晶溫度［2］。

兩種焊后熱處理方式為緩冷雙脈沖規(guī)范和回火熱處理雙脈沖規(guī)范。

2 某車型B柱焊接實(shí)例

圖1為某車型B柱數(shù)模截圖。

2.1 焊接材料信息

某車型B柱焊接材料信息如表1所示。

2.2 焊接設(shè)備選擇

焊接設(shè)備主要是中頻直流焊機(jī)、伺服焊槍和焊接方式機(jī)器人。

中頻直流焊機(jī)。與交流焊機(jī)相比，中頻直流焊機(jī)產(chǎn)生的焊接電流不經(jīng)過零點(diǎn)，在焊接脆硬材料時減小了產(chǎn)生裂紋的傾向;中頻直流焊機(jī)產(chǎn)生的焊接電流接近完全直流，由于沒有明顯的峰值電流，熔核尺寸穩(wěn)定，飛濺明顯減少;中頻直流焊機(jī)控制線路設(shè)計(jì)精確，抗干擾能力強(qiáng)，焊接質(zhì)量穩(wěn)定，熱效率高。

伺服焊槍。由于熱成型鋼硬度高于普通鋼，所以焊接壓力要大于普通鋼的焊接壓力。采用伺服焊槍焊接，可以達(dá)到較高且穩(wěn)定可控的焊接壓力;由于伺服焊槍的焊接壓力通過伺服電機(jī)來控制，因此比氣動焊槍傳動好，且焊接壓力穩(wěn)定可靠，提高了焊接質(zhì)量。

表1 某車型B柱焊接材料信息

3 焊接飛濺及毛刺的解決方法

焊點(diǎn)飛濺和毛刺大，由于熱成型材料硬度超高，焊后毛刺打磨困難，造成打磨耗材及人工成本很大，見表2。

表2 B柱熱成型打磨成本

3.1 焊接缺陷原因

熱成型鋼屬耐熱合金鋼，電阻大，高溫抗拉強(qiáng)度高，可以用較低電流焊接，但必須采用高電極壓力。如果電極壓力太小，焊接過程中由于電極壓力不足而產(chǎn)生飛濺，且飛濺的遺跡便成為氣孔。圖2中顯示的常規(guī)壓力焊槍是原來應(yīng)用在某車型B柱上的伺服焊槍和焊接方式機(jī)器人。該焊鉗結(jié)構(gòu)不合理并且材料硬度相對低，存在電極壓力不夠大的缺陷。它在加壓通電時會引起大的變形量，伺服電機(jī)設(shè)計(jì)安裝方式無法發(fā)揮最大扭矩，當(dāng)焊鉗壓力到達(dá)4 500N時機(jī)器人報警 (伺服電機(jī)扭矩超值)。連續(xù)焊接時，由于焊鉗冷卻回路較小，焊鉗過熱時會發(fā)軟，導(dǎo)致焊鉗壓力無法上升。實(shí)際工作時焊鉗壓力持續(xù)下降，直到4 000N時機(jī)器人才不報警 (伺服電機(jī)扭矩不超值)能穩(wěn)定工作。

表3為改造前現(xiàn)場焊鉗的技術(shù)參數(shù)。

表3 改造前現(xiàn)場焊鉗的技術(shù)參數(shù)

3.2 解決方法

步驟一:采用模塊化大壓力焊鉗。焊接電極壓力可達(dá)6 000N，機(jī)器人無報警。

圖3所示為改造后焊鉗示意圖。

步驟二:焊機(jī)由三相交流變頻焊機(jī)替代中頻直流焊機(jī)。

圖4是改造前、后焊接控制原理圖。

圖5—7是三種焊接控制器的二次電流波形比較。

三相交流變頻焊機(jī)的工作原理是50/60 Hz電源輸入，經(jīng)整流、濾波變成平滑的直流電，以IGBT/K1作開關(guān)器件產(chǎn)生交替的電壓輸出，通過調(diào)整高頻 (5 kHz)工作的IGBT/K2的開通脈沖寬度實(shí)現(xiàn)設(shè)定的焊接電流輸出。

三相交流變頻焊機(jī)特點(diǎn)是:三相電源輸入，用電平衡;功率因數(shù)大;對電流的快速響應(yīng)控制提高了焊點(diǎn)的質(zhì)量;飛濺少;對相同的焊接工件，焊接時間縮短，節(jié)省用電;焊接穩(wěn)定區(qū)加大;電極壽命增長。

與三相交流變頻焊機(jī)相比較，中頻直流焊機(jī)在焊接過程中無冷卻，持續(xù)加熱，使得熱成型零件的高溫耐熱鋼因熱量過大而引起飛濺和毛刺。

4 結(jié)論

經(jīng)過焊接設(shè)備改造，某車型熱成型焊接總成件B柱 (左/右)無虛焊及飛濺和毛刺，保證了焊接質(zhì)量。焊后無需打磨，打磨人工和打磨輔料按E12車型B柱總綱領(lǐng)結(jié)算可節(jié)省80萬。中頻交流變壓器及中頻交流控制箱設(shè)備與中頻直流變壓器及中頻直流控制箱設(shè)備費(fèi)用比較，節(jié)省了15萬。零件總成表面鍍層未破壞，保證了零件表面質(zhì)量。車間無焊接粉塵和打磨粉層，滿足了環(huán)保要求。

【1】中國機(jī)械工程學(xué)會焊接學(xué)會.焊接手冊［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

【2】壓焊工藝與設(shè)備［M］.中國工業(yè)出版社，1961.