車身骨架多層板多脈沖點焊焊接工藝

（上汽大眾汽車有限公司長沙分公司，湖南長沙410151）

0 前言

汽車的安全性能和車身輕量化是當今世界汽車工業(yè)發(fā)展的潮流，因此熱成型板、高強度鍍鋅鋼板的使用越來越普遍，其焊接品質(zhì)備受青睞。在汽車白車身的焊接中，特別是三層/四層厚板的焊接及匹配間隙大的焊點，采用普通的焊接工藝難以獲得質(zhì)量優(yōu)良的焊點，不僅影響生產(chǎn)效率，而且嚴重影響白車身的焊接質(zhì)量。若僅增加焊接電流或焊接時間，則可能造成焊接熱輸入過大，導致焊點過燒、飛濺大等焊接缺陷。針對上述問題，根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場情況，對部分焊點采用了多脈沖焊接的點焊優(yōu)化試驗，特別對厚板、三層/四層板焊接、間隙大的焊點，采用二次甚至三次通電點焊工藝，能夠形成合格的焊核，避免了焊核偏移至厚板，同時能夠獲得形貌美觀、飛濺毛刺少、焊接強度可靠等綜合性能良好的焊點。國內(nèi)外學者對汽車用熱成型板、高強度鍍鋅鋼板進行了大量研究，采用增加預熱脈沖進行點焊能夠很好地改善點焊接頭的質(zhì)量問題[1]。上海交通大學的唐虹[2-3]等人充分研究了多層板點焊，認為三層板焊核最初是橫向擴展，然后才是縱向擴展，容易形成一定的焊核偏移。徐松等人研究熱成型板點焊電流模式對點焊試樣斷裂點位置和中心偏析的影響，分析了焊接接頭軟化區(qū)中心偏析的原因[4]。本研究針對目前汽車車身常用的低碳鋼和熱成型鋼這種差強差厚鋼板的焊接存在的熔核偏移、焊點強度不合格，焊點壓痕過大、焊接飛濺嚴重、薄板變形嚴重的問題，通過控制變量法設計工藝實驗，利用金相分析、鑿測測試等多種手段，借助BOS6000焊接控制器本身采集焊接電阻時間曲線，研究制約差強差厚鋼板形成良好熔核的原因。通過設計特定的焊接工藝，使用3次脈沖電流的方法，獲得熔核尺寸、位置滿足要求，表面質(zhì)量良好的焊點。試驗在車身實際生產(chǎn)中對解決差強差厚鋼多層板焊接的方法進行焊接穩(wěn)定性驗證，結(jié)果顯示該焊接工藝方法能夠克服焊接接頭過熱、焊核偏移的影響，連續(xù)焊接出尺寸合格、表面整潔、無焊接缺陷的焊點。

1 試驗方法及設備

1.1 試驗材料及設備

試驗基于某車型車身骨架三層板的點焊連接。板材為低碳鍍鋅鋼板和熱成型板，試驗材料為上海寶鋼生產(chǎn)的普通低碳鋼冷軋鋼板，其中板a、c為鍍鋅板，牌號DC54D+Z100MB，板厚分別為0.8 mm和2mm，板b為高強度熱成型板，牌號22MnB5 AS150，厚度1 mm，材料化學成分如表1所示。采用KUkA機器人自動點焊、During氣伺服點焊焊槍和BOS 6000控制器。采用Cr-Zr-Cu合金電極，電極型號21-58D-8246/1，外徑16 mm，焊接端面直徑6 mm，電極形狀如圖1所示；采用蔡司Axio Imager A2m金相顯微鏡，威爾遜UH250萬用硬度試驗機。點焊工藝參數(shù)如表2所示，預壓時間200 ms，維持時間200 ms。

表1 鍍鋅板和熱成型板材料成分%

圖1 電極頭示意

1.2 試驗方法

考慮到現(xiàn)場實際生產(chǎn)狀態(tài)，在保持焊接過程熱輸入、預壓時間、預熱電流和預熱時間不變的條件下，通過改變點焊脈沖次數(shù)、焊接電流和時間參數(shù)進行對比，得出最佳的焊接工藝參數(shù)見表2。

表2 點焊工藝參數(shù)

試驗采用手動焊槍，選取3種生產(chǎn)現(xiàn)場使用的板材夾緊后施焊，焊接裝置如圖2所示。

圖2 多層板焊接試驗設置

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 點焊表面和焊縫橫截面形貌

不同脈沖條件下的焊點表面形貌和橫截面形貌如圖3、圖4所示。

圖3 多層板焊接試樣焊點表面形貌

圖4 多層板焊接試樣橫截面形貌

圖3中1、2、3、4分別為采用一次脈沖、二次脈沖、三次脈沖以及僅采用預熱脈沖（本試驗預熱脈沖不作為焊接脈沖次數(shù)）的焊點表面形貌?？梢钥闯?，隨著脈沖數(shù)的增加，薄板側(cè)焊點表面受熱痕跡變得明顯，說明多脈沖條件下薄板一側(cè)的熱量大于單脈沖條件，而當僅采用預熱脈沖時未形成有效焊核。圖4a為采用預熱+一次焊接脈沖，工藝參數(shù)為50 ms/6 kA預熱脈沖+450 ms/8.5 kA一次焊接，焊核已經(jīng)形成，但薄板一側(cè)焊核不足，整個焊核形狀不規(guī)則，焊核在板厚方向形狀過扁。圖4b為采用預熱+兩次焊接脈沖，工藝參數(shù)為50 ms/6 kA預熱脈沖+225 ms/8.5 kA兩次焊接脈沖（兩次焊接脈沖之間冷卻時間為10 ms），與圖4a相比，薄板側(cè)的焊核熔深明顯變大，焊核形貌呈較規(guī)則的橢圓形。圖4c為采用預熱+三次焊接脈沖，工藝參數(shù)為50ms/6 kA預熱脈沖+150 ms/8.5 kA三次焊接脈沖（中間兩次冷卻時間均為10ms），此時薄板側(cè)的焊核熔深更深，焊核形貌飽滿均勻，呈規(guī)則的橢圓形。由上述焊核成形區(qū)別可知，在總熱輸入不變的前提下，增加焊接脈沖數(shù)（總熱輸入為：焊接電流×焊接時間，總焊接時間保持不變但將其平均分成多次焊接脈沖來完成）能夠抑制焊核向厚板側(cè)偏移同時增加焊核熔深。圖4d為僅采用預熱階脈沖焊接，工藝參數(shù)為50 ms/6 kA，通過焊點橫截面實驗可以看出，在預熱階段三層板未形成有效連接，僅中間熱成型板存在熱影響區(qū)。

2.2 金相組織及硬度分析

使用顯微鏡觀察圖4c試樣焊點橫截面金相組織，利用萬能硬度機測量焊點橫截面硬度，試驗結(jié)果如圖5、圖6所示。

鍍鋅板母材組織主要是鐵素體（見圖5d），熱成型板母材的組織為細小板條馬氏體組織（見圖5e），這是因為熱成型板工藝是在高溫下塑性成型后快速冷卻形成，且母材中加入B等微量元素有助于高溫下的奧氏體化，通過模具控制冷卻速度保證晶粒從奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)化，從而保證材料的高強度和硬度[5]。圖5c為焊核與上板交界處金相組織，粗大的針狀馬氏體深入鐵素體一側(cè)，兩種組織分界線較為明顯，熱影響區(qū)寬度較窄，這是因為點焊過程中加熱集中且電極帽通過冷卻水循環(huán)冷卻，有效減小了焊接接頭熱影響區(qū)的大小。圖5a為焊點接頭處照片，焊核沿著下層板與熱成型板搭接面成樹枝狀生長成針狀馬氏體組織。這是因為焊縫區(qū)最高溫度Tm大于奧氏體化溫度，焊接過程中發(fā)生相變時由于高溫停留時間很短，只有部分鐵素體發(fā)生相變，因此鐵素體數(shù)量減少，馬氏體數(shù)量增多，且晶粒排列雜亂；而越靠近焊核，最高溫度越高，相變轉(zhuǎn)化越充分，鐵素體殘留越少，馬氏體晶粒越來越粗大，到焊核區(qū)便成為規(guī)則的板條馬氏體。尤其是到焊核中心區(qū)域時，高溫停留時間tm較長，冷卻相對較慢，從奧氏體晶界的側(cè)面以板條狀向晶內(nèi)生長成鎬牙狀的板條鐵素體，見圖5b、圖5c。

圖5 焊點橫截面金相照片

圖6 顯微硬度

從點焊接頭橫截面沿焊核中心線縱向的硬度分布（見圖6）可以看出，焊點接頭區(qū)橫截面最高顯微硬度為350HV，硬度最高點在焊核中心兩側(cè)區(qū)域，焊核區(qū)的硬度明顯高于焊核交界區(qū)，而熱成型板母材硬度最高，鍍鋅板母材顯微硬度最低。焊核區(qū)越靠近焊核中心，硬度越低，顯微硬度在300～350HV呈上下波動狀。這是因為相對于鍍鋅板，點焊接頭得到硬化，但相對于熱成型板，由于熱成型板本身組織為細小均勻的馬氏體組織，硬度、強度均很高，焊接過程經(jīng)過再次加熱冷卻后，點焊接頭馬氏體組織變得粗大且軟化。此外整個焊核區(qū)的組織硬度差別不大，但中心區(qū)焊核硬度略低于兩側(cè)，主要原因是焊核中心區(qū)熱量集中，冷卻速度慢，晶粒軟化程度大于焊核邊緣。

2.3 多脈沖焊接實際使用結(jié)果

車身骨架焊接由于大部分都是三層板點焊連接，且包含熱成型板材，采用一次焊接時需要大電流短時間硬規(guī)范來完成才能保證薄板一側(cè)焊核直徑符合要求。但通過長期金相和鑿測驗證發(fā)現(xiàn)這類點焊風險較高，薄板一側(cè)熔核過小或沒有熔合，且過大電流導致門框飛濺嚴重，既影響后道工藝和美觀，給整車強度帶來隱患，也增加了工廠監(jiān)控和返修成本。因此選取總拼A柱區(qū)域三層板焊點作為實際多脈沖生產(chǎn)試驗點，以現(xiàn)場跟蹤飛濺效果，UIR監(jiān)控的飛濺率以及金相結(jié)構(gòu)作為依據(jù)判斷該工藝是否起到優(yōu)化作用。優(yōu)化前僅采用一次焊接脈沖，焊點表面飛濺嚴重，照片如圖7所示，需要人工100%打磨毛刺返工。優(yōu)化后采用三次脈沖參數(shù)，焊點表面平整無飛濺毛刺，照片如圖8所示。

圖7 采用一次焊接脈沖9.5 kA/300 ms照片

經(jīng)現(xiàn)場跟蹤統(tǒng)計，點焊毛刺消除，點焊飛濺率（見下文的焊縫冷卻曲線）由之前的30%降至10%，極大減輕了生產(chǎn)線員工的勞動負荷，同時提升了生產(chǎn)線節(jié)拍。

2.4 UIR曲線分析

圖8 采用6 kA/50 ms預熱，8.5 kA/450 ms三次脈沖照片

Bos6000本身的UIR曲線具有監(jiān)控焊接過程中電阻隨時間變化的功能，同時該UIR曲線能夠根據(jù)電阻值的陡降判斷焊接過程是否產(chǎn)生飛濺。本次實驗對單脈沖、雙脈沖、三次脈沖等模式下的焊接工藝參數(shù)進行曲線對比分析，采用三次脈沖焊接時的參數(shù)設置界面如圖9所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著脈沖數(shù)的增加，整個焊接過程電阻值逐漸減少，焊接曲線更加平滑。當僅有一次脈沖時，在約120 ms出產(chǎn)生飛濺；當有兩次脈沖時，約在200 ms產(chǎn)生飛濺但此時電阻陡降值較小，產(chǎn)生的飛濺?。划敳捎萌蚊}沖時則沒有飛濺產(chǎn)生，如圖10所示。這是因為多次脈沖之間存在冷卻階段（冷卻時間10ms），在冷卻階段無電流作用而焊接壓力保持不變，塑性環(huán)持續(xù)增大而焊核保持不變，從而有效避免了因焊核持續(xù)增大超過塑性環(huán)帶來的焊接飛濺。由一次脈沖變?yōu)槎啻蚊}沖正是降低了焊核持續(xù)受熱增大的速度從而降低飛濺。

圖9 采用三次焊接脈沖的參數(shù)設置界面

3 結(jié)論

（1）采用多脈沖點焊工藝可以獲得無焊核偏移、焊點成形良好的點焊接頭，且能夠適用于實際車身制造工藝。

圖10 Bos6000電阻隨時間變化曲線

（2）包含熱成型板的三層板點焊焊核硬度高于鍍鋅板而低于熱成型板，焊核區(qū)晶粒組織為粗大馬氏體組織。

（3）通過UIR曲線發(fā)現(xiàn)，多脈沖點焊工藝能夠獲得穩(wěn)定的焊接過程，降低甚至消除多層板點焊飛濺。

[1]Debanshu Bhattacharya.Developments Iron and Steel in advanced high strength steels[J].Iron&Steel Supplement，2005（40）：69-75.

[2]唐虹，李軍鋒,宋清，等.含鍍鋅板的三層板點焊熔核形成機理研究[J].熱加工工藝，2013，42（1）：142-144.

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