電阻-激光組合點(diǎn)焊工藝對(duì)熱沖壓高強(qiáng)鋼焊接接頭力學(xué)性能的影響

樊迎光，李 迎，宋振源

（衡水學(xué)院，河北 衡水 053000）

0 前言

如何獲得良好的沖壓高強(qiáng)鋼焊接接頭一直是國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域研究的難點(diǎn)。目前大多采用電阻焊和激光焊兩種獨(dú)立的焊接方式[1]。北京工業(yè)大學(xué)劉新霞等人研究得出，采用電阻點(diǎn)焊熱沖壓高強(qiáng)鋼容易形成飛濺、焊接工藝窗口小、所需焊接壓力大的結(jié)論[2]。吉林大學(xué)谷諍巍等人對(duì)激光點(diǎn)焊熱沖壓高強(qiáng)鋼進(jìn)行了研究[3]。雖然激光點(diǎn)焊熱沖壓高強(qiáng)鋼具有熱作用范圍窄、焊接速度快、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，但是由于激光點(diǎn)焊聚焦光斑小，對(duì)熱沖壓高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)件的裝配要求高，因此工件加壓及卸壓就顯得格外重要。本研究結(jié)合這兩種焊接工藝特點(diǎn)，提出電阻-激光組合點(diǎn)焊焊接工藝，這種方式是先采用電阻點(diǎn)焊使工件加壓固定，然后再采用激光點(diǎn)焊在焊核周圍進(jìn)行焊接[4-5]。目前這種新型的組合焊接工藝在國(guó)內(nèi)外并沒(méi)有相關(guān)的報(bào)道，為了驗(yàn)證該工藝的實(shí)效性，進(jìn)行了焊接實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明這種組合點(diǎn)焊工藝可以獲得優(yōu)良的焊接接頭，既能避免電阻點(diǎn)焊產(chǎn)生大量的飛濺，又能滿足激光點(diǎn)焊裝配精度的要求。

1 實(shí)驗(yàn)方法

電阻點(diǎn)焊設(shè)備采用NIMAK焊接機(jī)器人X型點(diǎn)焊鉗。激光點(diǎn)焊設(shè)備采用DC-035、slab CO2激光器。焊接材料為1 600 MPa級(jí)的熱沖壓高強(qiáng)鋼。

電阻點(diǎn)焊工藝設(shè)置如表1所示，方式有兩種：一種焊接電流為6 kA，記作D1；另一種焊接電流為8.2 kA，記作D2。激光點(diǎn)焊工藝設(shè)置如表2所示，方式有兩種：一種焊接速度為1.5 m/min，記作J1；另一種焊接速度為1.0 m/min，記作J2。電阻-激光組合點(diǎn)焊焊接工藝如表3所示。

表1 電阻點(diǎn)焊實(shí)驗(yàn)工藝

表2 激光點(diǎn)焊實(shí)驗(yàn)工藝

表3 電阻-激光組合點(diǎn)焊實(shí)驗(yàn)工藝

焊前試件搭接方式如圖1所示。焊后對(duì)焊接接頭進(jìn)行顯微組織分析和硬度測(cè)試，在萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行剪切拉伸測(cè)試。

圖1 電阻-激光組合點(diǎn)焊試件搭接方式

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 焊接接頭組織

將焊接接頭分為7個(gè)區(qū)域，各區(qū)域金相組織顯微組織如圖2所示。b處HAZ-1為高溫回火組織，在焊接中由于碳化物析出并在奧氏體晶界發(fā)生聚集形成。c處HAZ-2為馬氏體M+鐵素體F，是奧氏體化不完全形成。d處HAZ-3為細(xì)小晶粒的馬氏體，是在焊接過(guò)程中，奧氏體晶粒沒(méi)有長(zhǎng)大，冷卻后形成的細(xì)小晶粒的馬氏體組織。e處是激光點(diǎn)焊熔核區(qū)，為粗大晶粒的馬氏體，是奧氏體晶粒充分長(zhǎng)大形成。f處是激光焊環(huán)內(nèi)側(cè)熱影響區(qū)，為馬氏體+鐵素體+碳化物，是電阻點(diǎn)焊的熱影響區(qū)不完全淬火組織在激光點(diǎn)焊熱量作用下形成。g處是激光焊環(huán)內(nèi)側(cè)熱影響區(qū)與電阻點(diǎn)焊熱影響區(qū)交界處，為細(xì)晶粒馬氏體+碳化物，是電阻點(diǎn)焊的熱影響區(qū)完全淬火組織在激光點(diǎn)焊熱量作用下發(fā)生回火后形成。h處是電阻點(diǎn)焊熔核區(qū)，為板條狀馬氏體+碳化物，是回火后粗大的馬氏體組織析出碳化物形成。

2.2 焊接接頭硬度測(cè)試

焊接接頭硬度測(cè)試曲線如圖3所示。由圖3可知，母材、激光點(diǎn)焊焊核處和HAZ-3處的硬度值較高，電阻點(diǎn)焊焊核處和HAZ-1處硬度明顯大幅度下降。因?yàn)槟覆暮图す恻c(diǎn)焊焊核處組織為粗大的馬氏體，HAZ-3處組織為細(xì)小晶粒的馬氏體組織，都有較高的硬度。而電阻點(diǎn)焊焊核處組織為回火組織，HAZ-1處也是高溫回火組織，硬度較低。

2.3 焊接接頭力學(xué)性能測(cè)試

電阻-激光組合點(diǎn)焊焊接接頭的剪切力和斷裂模式測(cè)試如表4所示。由表4可知，電阻-激光組合點(diǎn)焊工藝下的焊接接頭要比電阻、激光單一工藝下的接頭質(zhì)量高，最大剪切力有了很大提高，組合點(diǎn)焊焊接接頭的有效接觸面積是單獨(dú)工藝下的兩者之和，剪切力大大提高。

圖3 電阻-激光點(diǎn)焊實(shí)驗(yàn)焊接接頭硬度分布

表4 力學(xué)性能與斷裂模式

單獨(dú)電阻點(diǎn)焊焊接接頭的斷裂模式為界面斷裂和焊核拔出兩種；單獨(dú)激光點(diǎn)焊焊接接頭的斷裂模式為界面斷裂。組合點(diǎn)焊焊接接頭斷裂模式分為三種，即界面斷裂、激光側(cè)界面斷裂+電阻焊核處焊核拔出、焊核拔出，如圖4所示。界面斷裂主要是因?yàn)槠叫泻负酥行牡募羟辛υ斐桑缓负税纬鲋饕且驗(yàn)榇怪庇诤负酥行牡睦瓚?yīng)力造成的。隨焊核直徑的增大，最大斷裂載荷也相應(yīng)的增大，由于界面斷裂增強(qiáng)幅度要大于焊核拔出增強(qiáng)幅度，所以電阻點(diǎn)焊斷裂模式由界面斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)楹负税纬?。激光點(diǎn)焊有效接觸面積小，大多為界面斷裂。組合點(diǎn)焊焊接接頭有效接觸面積為兩者之和，因此會(huì)出現(xiàn)焊核拔出，另外如果電阻焊核較大同時(shí)激光點(diǎn)焊較窄時(shí)，斷裂會(huì)從激光側(cè)形成界面斷裂，最后發(fā)展成電阻點(diǎn)焊焊核拔出的斷裂模式。

3 結(jié)論

分析了電阻-激光組合點(diǎn)焊工藝對(duì)熱沖壓高強(qiáng)鋼焊接接頭組織、力學(xué)性能產(chǎn)生的影響。整個(gè)焊接接頭分為電阻點(diǎn)焊區(qū)和激光點(diǎn)焊區(qū)。其中母材、激光點(diǎn)焊焊核處和HAZ-3處硬度值較高；電阻點(diǎn)焊焊核處和HAZ-1處硬度值比較低，為軟化區(qū)。組合點(diǎn)焊焊接接頭的有效接觸面積是單獨(dú)點(diǎn)焊工藝下的兩者之和，剪切力較高。

圖4 電阻-激光組合點(diǎn)焊焊接接頭斷裂模式

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[1]陳樹(shù)君，于 洋，王 超，等.超高強(qiáng)馬氏體鋼中頻電伺服點(diǎn)焊技術(shù)[J].電焊機(jī)，2010，40（5）：70-73.

[2]劉新霞.汽車車身輕量化材料點(diǎn)焊工藝的研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008:68-70.

[3]谷諍巍，張正林，于 鳴，等.超高強(qiáng)度鋼板沖壓件的激光點(diǎn)焊性能[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2010（3）：705-708.

[4]陳樹(shù)君，王 超，郝素鋒，等.熱沖壓高強(qiáng)鋼電阻+激光組合點(diǎn)焊工藝[J].焊接學(xué)報(bào)，2013，34（5）：5-8.

[5]李海賓，陳 鎧，肖榮詩(shī)，等.熱成形硼鋼激光焊接與電阻點(diǎn)焊接頭性能對(duì)比研究[J].電加工與模具，2012（1）：20-23.