鍍鋅鋼板點(diǎn)焊焊接接頭組織與性能

陳立偉， 于 燕

(1.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 吉林 長(zhǎng)春 130012;2.河北建筑工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院， 河北 張家口 075000)

鍍鋅鋼板點(diǎn)焊焊接接頭組織與性能

陳立偉1,2， 于 燕1*

(1.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 吉林 長(zhǎng)春 130012;2.河北建筑工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院， 河北 張家口 075000)

采用了合理的電阻點(diǎn)焊焊接參數(shù)對(duì)鍍鋅鋼板進(jìn)行焊接，研究了點(diǎn)焊參數(shù)對(duì)焊接接頭組織和性能的影響,分析了焊接接頭的硬度分布和拉伸斷口斷裂機(jī)理。結(jié)果表明,焊接接頭的抗拉強(qiáng)度隨著焊接電流和焊接時(shí)間的增加均呈先增大后減小趨勢(shì)；焊縫區(qū)鐵素體組織隨著焊接電流的增大現(xiàn)象明顯，而焊縫區(qū)鐵素體組織卻隨著焊接時(shí)間的增加而變得細(xì)密；焊接接頭的焊縫區(qū)的硬度均勻，且高出母材很多；焊接接頭斷口表現(xiàn)出明顯的延性斷裂特征。

鍍鋅鋼板； 電阻點(diǎn)焊； 工藝參數(shù)； 硬度； 拉伸斷口

0 引 言

目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的金屬轎車油箱多采用鍍層含鉛的鍍鉛鋼板，對(duì)環(huán)境有很大污染，多數(shù)國(guó)家早已禁止應(yīng)用鍍鉛鋼板生產(chǎn)汽車油箱[1-2]。我國(guó)近年一直在研究開(kāi)發(fā)油箱用環(huán)保型鋼板，但還沒(méi)有達(dá)到應(yīng)用。鍍鋅鋼是一種既具有良好的抗腐蝕性,又有良好塑性的鋼種，在汽車實(shí)現(xiàn)輕量化方面有很大的應(yīng)用前景[3]。由于電阻點(diǎn)焊具有生產(chǎn)效率高、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，已在汽車工業(yè)中廣泛采用，并已成為在汽車油箱用鋼的主要焊接方法[4-5]。

然而，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)對(duì)鍍鋅鋼板的電阻點(diǎn)焊焊接工藝性能研究較少，故文中以鍍鋅鋼板的電阻點(diǎn)焊焊接接頭為研究對(duì)象，對(duì)電阻點(diǎn)焊焊接參數(shù)對(duì)焊接接頭組織和性能的影響機(jī)理進(jìn)行了深入的分析，以期為鍍鋅鋼板在實(shí)際應(yīng)用提供理論和實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)[7-8]。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料0.9 mm厚為單面鍍鋅鋼板，鋼板的化學(xué)成分和力學(xué)性能見(jiàn)表1。

表1 St16鍍鋅鋼板的化學(xué)成分及力學(xué)性能

鍍鋅鋼板的顯微組織如圖1所示。

圖1 鍍鋅鋼板母材組織

鍍鋅鋼板的含碳量極低，從圖1中可以看出，其顯微組織主要是白色的鐵素體，中間夾雜著少量的滲碳體。

試驗(yàn)方法：根據(jù)資料制備標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)焊接頭試樣如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣

鋼板的焊接部分在焊接之前要進(jìn)行仔細(xì)的清理：首先用砂紙打磨，然后用鋼絲刷進(jìn)行清理，最后用酒精溶液進(jìn)行浸泡清理、熱風(fēng)機(jī)吹干，保證焊接部分清潔，提高試驗(yàn)精度。試驗(yàn)設(shè)備：DN-100型固定式電阻點(diǎn)焊試驗(yàn)機(jī)。保持電極壓力不變，通過(guò)改變焊接電流、焊接時(shí)間兩個(gè)工藝參數(shù)研究其對(duì)焊接接頭組織和性能的影響。

焊后試樣在WDW-200型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上做拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為10 mm/min。在每種焊接規(guī)范下，抗拉強(qiáng)度以3個(gè)試樣的平均測(cè)定結(jié)果為準(zhǔn)。利用EPIPHOT 300型金相顯微鏡分析了焊接接頭的微觀組織，并利用VH-5型維氏硬度儀對(duì)焊接接頭硬度分布進(jìn)行了分析，采用S3400-N型掃描電鏡對(duì)拉伸斷口形貌進(jìn)行觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 電阻點(diǎn)焊參數(shù)對(duì)焊接接頭力學(xué)性能的影響

2.1.1 焊接電流對(duì)焊接接頭力學(xué)性能的影響

保持電極壓力為0.3 MPa，焊接時(shí)間為10周波，焊接電流依次為7、8、9 kA時(shí)，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度隨著焊接電流的增加先升高后下降。焊接接頭的抗拉強(qiáng)度隨著焊接時(shí)間的增加出現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，這是因?yàn)楹附与娏鬏^小時(shí)，熱輸入量較小，焊接接頭未充分融合，力學(xué)性能較低，隨著焊接電流的增加，熱輸入量增加，接頭熔合良好，焊接質(zhì)量較高，力學(xué)性能較好，而當(dāng)焊接電流高于8 kA時(shí)，熱輸入量過(guò)大，焊縫出現(xiàn)過(guò)熱、過(guò)燒現(xiàn)象，力學(xué)性能隨之降低。

2.1.2 焊接時(shí)間對(duì)接頭力學(xué)性能的影響

保持電極壓力為0.3 MPa，焊接電流為8 kA，焊接時(shí)間為8、10、12周波時(shí)，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度隨著焊接時(shí)間增大的變化趨勢(shì)。焊接接頭的抗拉強(qiáng)度隨著焊接時(shí)間的增加出現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。這是因?yàn)楹附訒r(shí)間較大時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)焊縫的熱輸入量較大，會(huì)出現(xiàn)焊縫區(qū)晶粒粗大明顯，熱影響區(qū)過(guò)熱，力學(xué)性能較低，而焊接時(shí)間減小時(shí)，熱輸入量較小，焊縫區(qū)組織出現(xiàn)未焊透、未融合現(xiàn)象，力學(xué)性能也出現(xiàn)下降現(xiàn)象。

2.2 點(diǎn)焊參數(shù)對(duì)焊縫區(qū)顯微組織的影響

2.2.1 焊接電流對(duì)焊縫區(qū)顯微組織的影響

保持電極壓力為0.3 MPa，焊接時(shí)間為10周波，焊接電流依次為7、8、9 kA時(shí)，焊接電流對(duì)焊接接頭焊縫區(qū)顯微組織的影響如圖3所示。

(a) 7 kA (b) 8 kA (c) 9 kA

圖3 焊接接頭組織與焊接電流的關(guān)系

從圖3可以看出，焊縫區(qū)的組織主要由大量的鐵素體和少量的滲碳體組成。從圖中亦可以看到，在較小的焊接電流條件下(7 kA)，焊縫中會(huì)形成晶粒較小的鐵素體，然后隨著焊接電流的逐漸升高，焊縫中的鐵素體越來(lái)越大。這是因?yàn)殡S著焊接電流的增加，對(duì)試件的熱輸入越來(lái)越大，使得熔融狀態(tài)奧氏體晶粒長(zhǎng)大明顯，繼而冷卻下來(lái)的鐵素體組織也較為粗大。

2.2.2 焊接時(shí)間對(duì)焊接接頭焊縫組織的影響

保持電極壓力為0.3 MPa，焊接電流8 kA，焊接時(shí)間為8、10、12周波時(shí)，焊接時(shí)間對(duì)焊接接頭焊縫區(qū)顯微組織的影響如圖4所示。

(a) 8周波 (b) 10周波 (c) 12周波

圖4 焊接接頭組織與焊接時(shí)間關(guān)系

從圖4中可以看到，在焊接過(guò)程中，焊縫經(jīng)歷了快速的熔化以及冷卻凝固過(guò)程，焊縫鐵素體的晶粒尺寸表現(xiàn)出粗化現(xiàn)象。從圖中也可以看到，在較小的焊接時(shí)間條件下(8周波)，焊縫中會(huì)形成較粗大的鐵素體，然后隨著焊接時(shí)間(10周波)的逐漸升高，焊縫中的鐵素體的晶粒尺寸逐漸減小，焊縫區(qū)中的晶粒長(zhǎng)大不明顯，這是因?yàn)?，隨著焊接速度的增加，對(duì)試件的熱輸入減少，使得晶粒增長(zhǎng)緩慢。

2.3 焊接接頭硬度分布

保持電極壓力為0.3 MPa，焊接電流8 kA，焊接時(shí)間為10周波，焊接接頭維氏硬度分布如圖5所示。

圖5 焊接接頭硬度分布

從圖5中可以看出，母材硬度較低，只有85 HV ，焊縫區(qū)的硬度較高，大概接近150 HV，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)硬度高出母材很多，且硬度較均勻，這是因?yàn)楹附咏宇^組織經(jīng)歷熔化和快速冷卻焊接過(guò)程后，組織變得較為粗大、均勻，故硬度較高。

2.4 焊接接頭斷口形貌

保持電極壓力為0.3 MPa，焊接電流8 kA，焊接時(shí)間為10周波，焊接接頭的拉伸斷口形貌如圖6所示。

圖6 焊接接頭斷口掃描照片

由圖5中可以看到，接頭斷口處分布大量韌窩，呈現(xiàn)出明顯的延性斷裂的特征。圖6中看到存在有較大的撕裂帶，這是由于在裂紋的擴(kuò)展過(guò)程中遇到粗大的鐵素體時(shí)，在晶界界面發(fā)生了轉(zhuǎn)折現(xiàn)象，因此表現(xiàn)出了沿晶斷裂特征。

3 結(jié) 語(yǔ)

1)焊接電流和焊接時(shí)間是影響焊接接頭的力學(xué)性能的重要參數(shù)，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度隨著焊接電流和焊接時(shí)間的增加均呈先增大后減小趨勢(shì)。

2)焊縫區(qū)組織由大量鐵素體和少量滲碳體組成，鐵素體組織隨著焊接電流的增加而呈逐漸粗大，卻隨著焊接時(shí)間的減小變得細(xì)密。

3)焊接接頭的焊縫區(qū)的硬度均勻，且高出母材很多。焊接接頭拉伸斷口表現(xiàn)出明顯的延性斷裂特征。

[1] 馬鳴圖.先進(jìn)的高強(qiáng)度鋼及其在汽車工業(yè)中的應(yīng)用[J].鋼鐵,2004(7):68-72.

[2] 黃艷峰,范文斌,孫立峰.國(guó)內(nèi)汽車板的生產(chǎn)現(xiàn)狀及對(duì)生產(chǎn)裝備的需求[J].一重技術(shù)，2014,162(6):9-11.

[3] 譚娟,王俊,高海燕,等.高強(qiáng)鋼合金化熱鍍鋅研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào),2008,22(2):64-67.

[4] 朱志華,包曄峰,蔣永鋒.鍍鋅鋼板插入輔助材料電阻點(diǎn)焊研究[J].電焊機(jī),2010,40(7):52-55.

[5] 于治水,李瑞峰.鍍鋅鋼板脈沖電弧釬焊接頭界面組織及性能研究[J].材料工程,2008(9):25-27，31.

[6] 姬大鵬.鍍鋅鋼板電焊工藝及焊接缺陷研究[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué),2012.

[7] 楊海峰.600 MPa、800 MPa級(jí)TRIP鋼板點(diǎn)焊性能研究[D].長(zhǎng)春:長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué),2014.

[8] 于燕,楊海峰,張小盟.TRIP800鋼板點(diǎn)焊接頭的組織和性能[J].機(jī)械工程材料,2013(9):13-15.

[9] 孫輝，王淮，季長(zhǎng)濤，等.高氮無(wú)鎳奧氏體不銹鋼板TIG焊接頭組織形貌及性能[J].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010，31(5):518-522.

Microstructure and properties of resistance spot welded joints of galvanized steel sheet

CHEN Liwei1,2， YU Yan1*

(1.Key Laboratory of Advanced Structural Materials, Ministry of Education,Changchun University of Technology, Changchun 130012， China;2.College of Mechanical Engineering, Hebei Institute of Architecture and Civil Engineering, Zhangjiakou 075000， China)

The galvanized steel sheet is welded with reasonable resistance spot welding parameters to study the influence of resistance spot welding parameters on microstructure and properties of welded joints. The results show the following: when the welding current and welding time increases, the welding joint tensile strength increases and then decreases; weld zone microstructure of ferrite extends obviously when the welding current increases; weld zone microstructure of ferrite become dense with the increase of welding time; the hardness of weld zone distributes evenly and higher than that of the parent material; welded joint fracture shows obvious ductile fracture characteristics.

galvanized sheet; resistance spot welding; process parameter; hardness; tensile fracture.

2016-05-25

長(zhǎng)春市科技局重大科技攻關(guān)項(xiàng)目(14KG039)

陳立偉(1990-)，男，漢族，遼寧朝陽(yáng)人，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要從事汽車用鋼焊接性能方向研究,E-mail:1169961474@qq.com. *通訊作者：于 燕(1962-)，女，漢族，吉林長(zhǎng)春人，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)教授，博士，主要從事汽車材料強(qiáng)韌化方向研究,E-mail:yuyan8788@126.com.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2016.6.03

TG 453

A

1674-1374(2016)06-0531-04