DP600短周期螺柱焊焊接接頭組織與性能研究

張景璋，包曄峰，張金輝，廖海龍

（河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州213022）

DP600短周期螺柱焊焊接接頭組織與性能研究

張景璋，包曄峰，張金輝，廖海龍

（河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州213022）

采用正交試驗(yàn)法，選取焊接時(shí)間、焊接電流和螺柱提升高度三種因素，分別設(shè)置三種水平進(jìn)行植焊，通過(guò)目視檢驗(yàn)和扭矩測(cè)試判斷焊接質(zhì)量，并對(duì)質(zhì)量不合格的焊接接頭進(jìn)行分析。觀察焊接接頭的金相組織，并測(cè)量焊接區(qū)顯微硬度，獲得硬度變化曲線。結(jié)果表明，焊接時(shí)間和提升高度是影響焊接質(zhì)量最主要的因素。6 mm螺柱植焊的最佳參數(shù)為：焊接電流720 A，焊接時(shí)間40 ms以及提升高度2.5 mm。在此參數(shù)下，焊縫區(qū)組織為馬氏體與粒狀貝氏體，硬度較高，而兩側(cè)熱影響區(qū)硬度差別較大。

DP600；短周期螺柱植焊；焊接時(shí)間；焊接電流；螺柱提升高度

0 前言

短周期螺柱焊植焊一個(gè)螺柱的時(shí)間小于100ms。與瓷環(huán)保護(hù)螺柱焊相比，短周期螺柱焊焊接時(shí)間短，可以植焊小直徑螺柱，并且可以在厚涂層薄鋼板上植焊[1]；與電容儲(chǔ)能式螺柱焊相比，短周期螺柱焊焊接時(shí)間較長(zhǎng)，所以焊接輸入能量較高，能夠獲得較大的熔深，因此短周期螺柱焊植焊的焊件厚度和螺柱直徑大于電容儲(chǔ)能式螺柱焊，焊接接頭的可靠性也更高。短周期螺柱焊焊接時(shí)間短，可植焊范圍較廣，因此被廣泛應(yīng)用于汽車制造領(lǐng)域。

DP600雙相高強(qiáng)鋼是在汽車制造領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的一種先進(jìn)高強(qiáng)鋼（AHSS），其相由鐵素體和少量的馬氏體組成，一般馬氏體含量小于20%。DP600雙相高強(qiáng)鋼表面鍍鋅，能夠有效防銹防腐蝕，并且具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、成型性能好等優(yōu)點(diǎn)，用在汽車車身上能夠降低車身質(zhì)量、減少油耗、增加耐久度，越來(lái)越多的汽車制造商將其應(yīng)用在汽車的車身制造上[2]。但是由于鍍鋅板的焊接性比一般碳鋼要差，而螺柱焊接質(zhì)量的好壞直接影響到后序的裝配和車身質(zhì)量[3]，因此對(duì)DP600螺柱焊焊接接頭的性能就提出了更高的要求。本研究采用直徑為6 mm的08鋼螺柱，以目視檢驗(yàn)和扭矩測(cè)試為評(píng)價(jià)方法，對(duì)焊接時(shí)間、焊接電流、提升高度3個(gè)因素進(jìn)行正交設(shè)計(jì)，得出最佳參數(shù)組合，并研究DP600螺柱焊焊接接頭的組織和性能。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

焊接螺柱材料為08鋼，尺寸M6×25 mm，螺柱底部有法蘭，法蘭直徑7 mm，表面鍍銅。母材為DP600雙相高強(qiáng)鋼，板厚1.5 mm，DP600雙相鋼的相組成為鐵素體和馬氏體，表面有鍍鋅層，鍍鋅層厚度小于25 μg/mm3。焊前對(duì)工件表面進(jìn)行除油處理，保證焊接時(shí)母材表面清潔。

1.2 試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)焊機(jī)為常州市開創(chuàng)焊接技術(shù)公司生產(chǎn)的ASW-850型焊機(jī)，可以調(diào)整焊接時(shí)間和焊接電流。焊槍可調(diào)節(jié)螺柱提升高度和伸出長(zhǎng)度，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)定伸出長(zhǎng)度為1 mm。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式選取焊接時(shí)間和焊接電流，短周期螺柱焊焊接電流Iw=（95~115）d，焊接時(shí)間tw=（4～5）d（d為螺柱直徑，單位mm）。對(duì)于鍍鋅板，在先導(dǎo)弧階段，增大先導(dǎo)電流可以將表面鍍鋅層熔化、汽化，逸出電弧空間，因此選取的焊接電流要比經(jīng)驗(yàn)值多20%。根據(jù)以上條件，分別選取三種電流參數(shù)、焊接時(shí)間以及提升高度，采用正交試驗(yàn)方法，每組參數(shù)植焊5個(gè)螺柱。正交試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表Table 1 Factors and levels of the Orthogonal experiment

1.3 試驗(yàn)方法

焊接結(jié)束后，對(duì)每組5個(gè)焊接接頭分別進(jìn)行處理。首先進(jìn)行目視檢驗(yàn)，觀察每個(gè)試樣的焊縫形狀。采用YD型測(cè)試扭力扳手（表盤指針式）測(cè)試扭矩。打磨拋光試樣剖面，用4%硝酸酒精溶液腐蝕表面，采用XJG-500臥式顯微鏡觀察金相組織，采用HXD-1000TMC顯微硬度計(jì)測(cè)試焊縫區(qū)的顯微硬度。

1.4 扭矩測(cè)試方法

測(cè)試扭矩時(shí)，根據(jù)ASME SectionⅨ2013標(biāo)準(zhǔn)，需在螺柱周圍墊上墊圈，再將定制的高螺母旋在墊圈的上方。用扭矩扳手扭動(dòng)螺母，帶動(dòng)螺柱轉(zhuǎn)動(dòng)，直至產(chǎn)生斷裂，測(cè)得扭矩。扭矩測(cè)試示意如圖1所示。

圖1 扭矩測(cè)試示意Fig.1 Schematic diagram of torque test

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 目視檢驗(yàn)結(jié)果

對(duì)所焊試樣進(jìn)行目視檢驗(yàn)，觀察焊縫成形，結(jié)果如表2所示。

表2 目視檢驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of visual test

經(jīng)過(guò)觀察，第2、4、5、6組試樣均出現(xiàn)了不同程度的焊縫余高不規(guī)則的現(xiàn)象。9組試樣均未出現(xiàn)焊縫不完整的情況，也沒有出現(xiàn)焊透等缺陷；第2組試樣植焊時(shí)，產(chǎn)生了較大的飛濺。

2.2 扭矩測(cè)試結(jié)果

每組試樣選取3個(gè)螺柱進(jìn)行扭矩測(cè)試，測(cè)試斷裂扭矩，結(jié)果取3個(gè)螺柱的平均值如表3所示。

由扭矩測(cè)試結(jié)果可知，第1、2、4、6、7、9組試樣的斷裂位置在螺柱上，表明焊縫強(qiáng)度大于螺柱強(qiáng)度，圖2a為7-2試樣測(cè)試扭矩?cái)嗔押蟮恼掌５?、5、8組試樣的斷裂位置均在焊縫區(qū)，圖2b為5-2試樣測(cè)試扭矩?cái)嗔押蟮恼掌?/p>

表3 螺柱焊扭矩測(cè)試結(jié)果Tab.3 The results of torque test

圖2 扭矩測(cè)試斷裂在不同位置的試樣照片F(xiàn)ig.2 Photos of different fracture position at the torque test

2.3 正交試驗(yàn)結(jié)果

正交試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

3 結(jié)果分析

3.1 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

k1、k2、k3為各因素水平所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)值總和的平均值，其數(shù)值最大所對(duì)應(yīng)的水平就是該因素的最優(yōu)水平。各因素的最優(yōu)水平組合起來(lái)即為最優(yōu)參數(shù)組合，由表4可知，試驗(yàn)最優(yōu)組合為A1B1C2，即焊接電流720 A，焊接時(shí)間40 ms，提升高度2.5 mm。按照此工藝參數(shù)重復(fù)試驗(yàn)，測(cè)得扭矩為26.7N·m，斷裂位置在螺柱上，驗(yàn)證了優(yōu)化結(jié)果。極差反映了試驗(yàn)因素的水平變動(dòng)對(duì)檢測(cè)指標(biāo)變動(dòng)幅度的影響，極差越大，說(shuō)明對(duì)應(yīng)因素對(duì)指標(biāo)的影響越大，也越重要。按照極差的大小，可以列出試驗(yàn)因素的主次順序?yàn)楹附訒r(shí)間、提升高度和焊接電流。當(dāng)焊接電流相差較小時(shí)，焊接時(shí)間的長(zhǎng)短決定了焊接熱輸入的大小，對(duì)焊接接頭的形成有著重要影響。提升高度決定了焊接電壓，試驗(yàn)所選取提升高度的三種水平之間的梯度較大，由此引起的焊接接頭強(qiáng)度變化明顯。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Results of the orthogonal experiment

3.1 目視檢驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)目視檢驗(yàn)結(jié)果，可以認(rèn)為試驗(yàn)設(shè)置的焊接電流和焊接時(shí)間能產(chǎn)生形成完整焊接接頭所需要的能量，主要問(wèn)題是2、4、5和6組試樣焊縫余高不規(guī)則。導(dǎo)致焊縫余高不規(guī)則的原因主要有兩個(gè)，一是磁偏吹，二是螺柱焊接時(shí)不垂直于工件。測(cè)量表明，所焊試樣均沒有出現(xiàn)螺柱不垂直試板的情況，可以排除焊接螺柱與工件不垂直的原因。而且，試驗(yàn)時(shí)采用雙地線接地，2根地線對(duì)稱接在待焊區(qū)的兩端，可以排除因結(jié)構(gòu)不對(duì)稱產(chǎn)生的磁偏吹[4]。分析試驗(yàn)參數(shù)可知，4、5、6組試樣的提升高度是試驗(yàn)中最大的，提升高度過(guò)高，焊接時(shí)電弧偏長(zhǎng)，容易受磁場(chǎng)等外界因素的影響，產(chǎn)生偏弧，導(dǎo)致焊縫余高不規(guī)則，所以認(rèn)為4、5、6組試樣出現(xiàn)的磁偏吹是由于提升高度過(guò)高引起的。第2組試樣的提升高度比4、5、6組試樣的小，但也出現(xiàn)了焊縫余高不規(guī)則的情況，而且有較大的飛濺，從表4可見，該組采用的焊接時(shí)間為45 ms，焊接電流為720 A，都是試驗(yàn)中最大的，這種參數(shù)組合產(chǎn)生的焊接熱輸入大，熔化金屬量多，易產(chǎn)生飛濺以及焊縫余高形成不規(guī)則。

3.2 扭矩測(cè)試結(jié)果分析

由表3可知，3、5和8組試樣的扭矩測(cè)試斷在焊縫。

圖2b為5-2試樣扭矩測(cè)試后的斷面照片，其他斷裂在焊縫處試樣的斷面形貌與此相似。由圖可見，磁偏吹現(xiàn)象較為嚴(yán)重，焊接時(shí)熔池內(nèi)的熔化金屬分布不均是導(dǎo)致焊接接頭強(qiáng)度下降的原因之一。

由圖2b還可知斷面上有大量氣孔存在，呈現(xiàn)蜂窩狀，應(yīng)為氮?dú)庖鸬臍饪?，說(shuō)明在焊接過(guò)程中有空氣進(jìn)入熔池。短周期螺柱焊焊接時(shí)間較短，一般不采用氣體或者瓷環(huán)保護(hù)，而是利用電弧引燃瞬間產(chǎn)生的爆炸效應(yīng)保護(hù)焊接區(qū)域。這種方法會(huì)使部分空氣殘留在焊接區(qū)中，加之焊接過(guò)程中能量輸入快速集中，冷卻速度較快，進(jìn)入熔池的空氣來(lái)不及逸出，則會(huì)在焊縫中形成氣孔[5]。氣孔的數(shù)量與焊接參數(shù)相關(guān)，電爆炸劇烈則保護(hù)效果好、氣孔少、強(qiáng)度高，3、5和8組試樣在焊接過(guò)程中電爆炸效應(yīng)較小，焊縫中氣孔多，是導(dǎo)致焊接接頭強(qiáng)度下降的另一個(gè)原因。其中第3組試樣的扭矩最小，產(chǎn)生這種結(jié)果除上述兩個(gè)原因外，還與輸入能量有關(guān)，第3組試樣所用焊接時(shí)間為30 ms，焊接電流660 A，都是試驗(yàn)中最小的，實(shí)測(cè)熔深只有0.3 mm，說(shuō)明該組焊接能量偏低，熔化量不足是導(dǎo)致焊接接頭強(qiáng)度下降的另一原因。

3.3 微觀金相組織分析

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)最佳參數(shù)組合條件下的焊接接頭進(jìn)行取樣，試樣經(jīng)打磨拋光后用4%硝酸酒精腐蝕，觀察金相組織。圖3a為螺柱側(cè)金相組織，可以看到螺柱側(cè)金相為大塊鐵素體加少量的珠光體，為08鋼的典型組織。圖3b為螺柱側(cè)熱影響區(qū)，在這片區(qū)域內(nèi)，只有一部分組織經(jīng)歷了相變重結(jié)晶過(guò)程，焊接時(shí)滲碳體在高溫下分解，分解出來(lái)的碳元素向鐵素體擴(kuò)展，但是由于螺柱焊冷卻速度較快，高溫停留時(shí)間短，碳的擴(kuò)散不充分，冷卻時(shí)保留在鐵素體里面，形成如圖3b所示的形態(tài)。在圖3b的下方可以看到有粒狀貝氏體和少量的馬氏體組織。

圖3c和圖3d為焊縫處金相組織。圖3c所示靠近焊縫中心區(qū)域，組織為低碳馬氏體和粒狀貝氏體混合組織。圖3d所示焊縫組織靠近母材，低碳馬氏體的含量較圖3c少，尺寸也更加細(xì)小。與母材側(cè)焊縫相比，螺柱側(cè)溫度較高，奧氏體晶粒尺寸較大，冷卻后所得的馬氏體尺寸相應(yīng)較大[6]。

圖3e為母材側(cè)熱影響區(qū)，組織為粒狀貝氏體。圖3f為典型的母材DP600金相組織，由馬氏體和鐵素體組成。

圖4為最佳參數(shù)組合條件所焊試樣顯微硬度測(cè)試結(jié)果。DP600高強(qiáng)鋼母材顯微維氏硬度為245HV，螺柱硬度215 HV。比較兩個(gè)區(qū)域的熱影響區(qū)，靠近母材一側(cè)的熱影響區(qū)硬度值較大，為370 HV，靠近螺柱一側(cè)熱影響區(qū)硬度值為316 HV，兩側(cè)熱影響區(qū)馬氏體的含量不同，母材側(cè)馬氏體含量要高于螺柱側(cè)，所以硬度也較高。焊縫區(qū)域?yàn)轳R氏體和粒狀貝氏體的混合組織，硬度值427 HV，硬度較高，與金相組織所觀察到的結(jié)果相吻合。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)正交試驗(yàn)結(jié)果可以得到DP600高強(qiáng)鋼6 mm螺柱焊的最佳參數(shù)組合為：焊接電流720 A，焊接時(shí)間40 ms以及提升高度2.5 mm；在設(shè)置的三組參數(shù)中，焊接時(shí)間是影響焊接接頭的強(qiáng)度的最主要因素，其次是提升高度和焊接電流。

（2）母材為DP600的螺柱焊焊接接頭在合理參數(shù)范圍內(nèi)具備較高的強(qiáng)度，且工藝穩(wěn)定。在最優(yōu)參數(shù)組合條件下，焊縫處接頭內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)氣孔、裂紋、夾雜等焊接缺陷，且焊縫組織晶粒較細(xì)，接頭具備較高的強(qiáng)度。

（3）觀察金相組織，焊縫處組織為低碳馬氏體和粒狀貝氏體，硬度較高；焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)因馬氏體含量不同，導(dǎo)致母材側(cè)焊縫硬度高于螺柱側(cè)焊縫硬度。

（4）焊接參數(shù)選取不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生不同的缺陷，如熔池內(nèi)的熔化金屬分布不均、焊縫中氣孔較多以及母材和螺柱熔化量不足，最終導(dǎo)致焊接接頭強(qiáng)度下降。

[1]張義.螺柱焊技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

圖3 焊接接頭金相組織Fig.3 Microstructure of the welding joint

圖4 最佳參數(shù)組合試樣顯微硬度Fig.4 Microhardness of the best parameters sample with stud welding

[2]關(guān)嵐，謝翔，包曄峰，等.B550和DP600全自動(dòng)CO2搭接焊工藝研究[J].機(jī)車車輛工藝，2008（6）：4-6.

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Research on organization and performance of short circle stud welding joint of DP600 steel

ZHANG Jingzhang，BAO Yefeng，ZHANG Jinhui，LIAO Hailong
（School of Mechanical and Electrical Engineering，Hohai University，Changzhou 213022，China）

Orthogonal experiment method is carried out to optimize the technological parameters.Welding time，welding current and stud lifting height are selected as three factors，each factor setting three levels.Stud welding joint quality is judged by visual inspection and torque test，and substandard quality of welded joints will be analyzed.The microstructure of welded joints is observed the and welding zone hardness is measured to obtain a hardness trends.The results show that the most important factors affecting the quality of welding are the welding time and welding current，welding time and lift height influence the strength of welded joints.6 mm stud welding plant optimum parameters for the welding current 720 A，welding time 40 ms and lifting height of 2.5 mm.Under this argument，the weld zone structure is martensite and granular bainite，high hardness，and on both sides of the heat affected zone hardness difference is greater.

DP600；short circle stud welding；welding time；welding current；stud lifting height

TG453+.3

A

1001－2303（2017）02－0088-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.02.17

2016-08-17

收稿日期：中央高校專項(xiàng)業(yè)務(wù)經(jīng)費(fèi)（2014811614）

張景璋（1990—），男，江蘇徐州人，在讀碩士，主要從事螺柱焊質(zhì)量控制的研究。

獻(xiàn)

張景璋，包曄峰，張金輝，等.DP600短周期螺柱焊焊接接頭組織與性能研究[J].電焊機(jī)，2017，47（02）：88-92.