雙相鋼電阻點焊動態(tài)電阻規(guī)律研究

張 磊，姚敢英，楊 浩，楊 ，王元勛

（1.華中科技大學 工程結構分析與安全評定湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430074；2.武漢鋼鐵（集團）公司，湖北，武漢 430063）

雙相高強度鋼由于將馬氏體引入到高延性的鐵素體中，從而使其具有低屈強比、高初始加工硬化速率、良好強度和延性的配合等優(yōu)點，已成為現(xiàn)代汽車輕量化發(fā)展的主要車身制造用板材之一[1]。電阻點焊作為一種重要的焊接方法，其生產效率高、操作簡單且易于實現(xiàn)自動化，廣泛應用于汽車、航天航空、電子技術等部門中。電阻點焊焊接過程中，動態(tài)電阻在一定程度上反映了熔核的生長情況，與焊接質量密切相關。Dickinson等人搭建了低碳鋼點焊參數(shù)采集系統(tǒng)，指出動態(tài)電阻與熔核的形成過程有很大的相關性，動態(tài)電阻曲線與焊接電流、電極壓力和焊件材料有關[2]。李桂中等人對低碳鋼點焊過程中動態(tài)電阻曲線進行了修正，得到最優(yōu)動態(tài)電阻特性[3]。文靜等人通過研究指出不銹鋼動態(tài)電阻曲線的拐點時間及終點值分別與熔核出現(xiàn)時間和最終熔核尺寸有很強的相關性[4]。萬曉慧等人研究了分流和翹曲變形影響下的不銹鋼點焊動態(tài)電阻曲線，指出不銹鋼動態(tài)電阻曲線的準穩(wěn)態(tài)電阻值與熔核直徑呈現(xiàn)近似的指數(shù)曲線變化[5]。本文針對新型雙相高強度鋼的電阻點焊，通過采集其焊接過程中的動態(tài)電阻曲線，研究雙相鋼電阻點焊過程中動態(tài)電阻的變化規(guī)律，為焊接過程質量監(jiān)控提供依據(jù)。

1 動態(tài)電阻測試試驗

采用YR—350SB2HGE型單相交流電阻焊機，由電流傳感器、積分放大電路以及示波器組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取焊接電流，通過連接在點焊機上下電極間的導線直接測量電壓信號，如圖1所示。為了屏蔽點焊過程中大電流帶來的磁場干擾，引出導線采用雙絞線形式。

試驗試件為1.7 mm厚的DP600雙相鋼。將試件切割成120 mm×40 mm兩兩搭接，在其搭接中心處焊接，如圖2所示。電極材料為鉻鋯銅，端面直徑6 mm。試驗過程中預壓時間與保壓時間均為10周波（1周波為0.02 s）。

試驗中焊接電流、電極間電壓的波形采用示波器輸出。為了減小系統(tǒng)噪聲以及測量過程中外界的干擾，將測得的信號采用Matlab編程降噪、濾波。濾波后的噪聲基本上已經(jīng)去除，滿足精度要求。根據(jù)濾波后的電流與電壓信號，提取電流信號的峰值I與相應時刻電壓信號值U，根據(jù)歐姆定律可求得相應時刻的電阻。取峰值時刻的電流值計算電阻的目的在于消除交流電的電感。描述不同時刻的電阻值與時間的關系，便可得到雙相鋼點焊過程中的動態(tài)電阻曲線。

2 試驗結果與討論

2.1 雙相鋼電阻點焊動態(tài)電阻的變化規(guī)律

圖3是焊接電流為8.5 kA，焊接時間為14周波，電極壓力為3 150 N時試驗測得的雙相鋼點焊動態(tài)電阻圖。由圖3可知，焊接初始由于帶有氧化膜的工件表面較為粗糙，接觸電阻大，隨著電極壓力的施加，氧化膜被壓碎，工件的接觸面積增大，接觸電阻急劇減小，動態(tài)電阻曲線下降。當電阻值減小到一定程度后，動態(tài)電阻曲線迅速上升。這是由于焊接開始后，隨著通電時間的增加，焊接區(qū)溫度不斷上升，雙相鋼中的鐵素體與馬氏體開始奧氏體化，而奧氏體的電阻率高于鐵素體和馬氏體，電阻值隨之增加。動態(tài)電阻曲線達到峰值后，呈現(xiàn)單調下降趨勢，這是由于隨著工件表面的溫度升高，材料軟化使彈塑性變形增大，形成電極壓痕，導致通電路徑變短，電阻下降。當溫度升高到一定值后，因受到電極的限制，熔融金屬被擠向焊件之間，使焊件之間的空隙增大，導電面積的增大受到限制，故動態(tài)電阻緩慢減小并趨于穩(wěn)定[6-7]。

2.2 焊接參數(shù)對動態(tài)電阻的影響

圖4是電極壓力為4 700 N，焊接時間為14周波，焊接電流分別為4.5 kA、6.3 kA和8.5 kA的動態(tài)電阻曲線。由圖4可知，起初動態(tài)電阻值隨著焊接電流的增加而減小，這是因為焊接電流越大，產生的熱量越多，溫度越高，在相同的電極壓力作用下焊件表面的彈塑性變形越大，接觸面積越大，接觸電阻越小。但是在不同焊接電流的情況下，電阻值的峰值基本上是一致的，只是到達峰值的時間隨著電流的減小而延后。這是因為電阻峰值的大小主要取決于奧氏體化的程度以及溫度，焊接電流越小達到相同的奧氏體化的程度和溫度所需的時間越長。此外，動態(tài)電阻曲線下降階段拐點出現(xiàn)的時刻隨著焊接電流的增加而提前。電流越大，產生的熱量越多，溫度的上升速度也會越快，在其它情況相同的前提下，熔核出現(xiàn)的時間越早，熔核的生長直徑會越大，導致電阻快速下降到相同電阻值所需要的時間越少。拐點后的下降階段，隨著電流值的增大，電阻的終值越小，這主要是在不發(fā)生噴濺的前提下，電流越大，產生的熔核也越大[8]，導電面積越大，電阻越小。

電極壓力是影響電阻點焊質量的重要因素，圖5是焊接電流為8.5 kA，焊接時間為14周波，電極壓力分別為3 650 N、4 200 N和4 700 N的動態(tài)電阻曲線。從圖中可以看出電極壓力對動態(tài)電阻的影響較大，整個電阻曲線呈現(xiàn)出隨著電極壓力增大而整體下降的趨勢。這是因為，在焊接初始階段，電阻值主要由接觸電阻組成，隨著電極壓力的增加，工件與工件之間、電極與工件之間的彈塑性變形增大，接觸面積增大，較大的壓力擠壓工件表面的氧化膜，直到將其壓碎，促使電阻值減小。在接下來的焊接過程中，由于焊接電流不變，故焊接熱量一致。但是隨著壓力越來越大，電極壓痕增大導致通電路徑縮短，電阻值越小。然而由圖5可知，不同電極壓力下的曲線的拐點時間幾乎一致，這說明動態(tài)電阻曲線拐點出現(xiàn)的時間不隨電極壓力的變化而變化。

2.3 虛焊與發(fā)生噴濺時的動態(tài)電阻變化規(guī)律

電阻點焊過程時間極短，焊接工藝參數(shù)的不合理設置或是短時波動都可能造成熔融金屬的飛濺、虛焊甚至脫焊等焊接質量缺陷[9]。圖6是虛焊時的動態(tài)電阻曲線圖。此時焊接電流為4.3 kA，電極壓力為4 700 N，焊接時間為13周波。由圖6可知，電阻值的初始值較大，這主要是由于接觸電阻的作用，但是在第2個階段電阻值的上升速度很緩慢。隨著溫度的上升電阻值達到峰值，然而到達峰值后電阻值迅速下降。

當電流過大或電極壓力偏小時，點焊往往容易發(fā)生焊接噴濺，在發(fā)生噴濺時，動態(tài)電阻會發(fā)生突降。焊接噴濺的產生會降低焊件的表面質量，影響焊件的耐腐蝕性能及疲勞強度，降低電極的使用壽命和焊件的力學性能[10]，因此在焊接過程中應避免發(fā)生噴濺。圖7是當焊接電流為10 kA，焊接時間為17周波，電極壓力為3 650 N發(fā)生焊接噴濺時的動態(tài)電阻曲線。由圖7可知，在發(fā)生噴濺時動態(tài)電阻出現(xiàn)一個驟降，同時穩(wěn)定電阻值減小，減小幅值達50 μΩ左右，這與沒有發(fā)生噴濺時的動態(tài)電阻差別非常明顯，因而可以利用動態(tài)電阻的這一規(guī)律來監(jiān)測雙相鋼電阻點焊是否發(fā)生焊接噴濺。

3 結論

（1）雙相鋼電阻點焊的動態(tài)電阻與雙相鋼在點焊過程中的微觀組織變化有著密切的關系。溫度升高以及奧氏體化的發(fā)展促使動態(tài)電阻曲線迅速上升并且達到峰值，完全奧氏體化后電阻曲線為單調下降曲線且下降越來越平緩，并出現(xiàn)拐點。

（2）焊接電流對動態(tài)電阻曲線影響較大。當焊接電流增大時，電阻曲線的峰值與拐點提前達到，但是不同電流下的峰值變化不是很明顯。電極壓力的減小導致電阻曲線的整體上移，但電阻峰值點與拐點的時間不變。

（3）當電流或焊接時間過小時，焊件產生虛焊，電阻峰值點延后，并且下降段沒有拐點；當焊接電流或焊接時間過大，則會出現(xiàn)焊接噴濺，此時電阻曲線下降段會出現(xiàn)突降?？梢?，焊接過程中動態(tài)電阻的變化規(guī)律可以較好地體現(xiàn)焊接質量，因而可利用動態(tài)電阻的變化情況監(jiān)控雙相鋼電阻點焊質量。

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