密封膠對差厚不銹鋼板電阻點焊接頭的影響

郭太吉 張慶鑫 孫曉光 韓曉輝 張志毅 李永兵

1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，青島，2661112.上海交通大學機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室，上海，2002403.上海交通大學上海市復雜薄板結(jié)構(gòu)數(shù)字化制造重點實驗室，上海,200240

0 引言

奧氏體不銹鋼以其良好的加工性能、抗腐蝕性能和優(yōu)良的冷作硬化性能成為地鐵車體骨架和蒙皮最常用的材料。與傳統(tǒng)碳鋼相比，奧氏體不銹鋼的高電阻率和低熱導率特性使其成為電阻點焊的理想材料，加之電阻點焊工藝具有自動化程度高、低熱輸入、焊接表面質(zhì)量高且工藝適應(yīng)性好等一系列優(yōu)點，因此現(xiàn)有無涂裝不銹鋼軌道車輛車體多采用電阻點焊工藝[1-4]。然而，電阻點焊是一種非連續(xù)的局部連接工藝，無法實現(xiàn)連接件之間的可靠密封，車體的振動和噪聲會傳遞至車廂，導致乘坐舒適度下降，因此密封問題是不銹鋼車體不可回避的研究課題。在利用現(xiàn)有電阻點焊設(shè)備實現(xiàn)密封要求的研究過程中發(fā)現(xiàn)：汽車白車身常用的膠焊工藝具有極強的借鑒意義。由于無涂裝不銹鋼車體沒有整體加熱的工序，而且其尺寸過大也無法進行整體加熱，即需要加熱固化的結(jié)構(gòu)膠并不適用，因此，通過無需固化的密封膠提高不銹鋼車體的密封、吸振和防噪性能，便成為必然選擇。然而密封膠的電阻率高、熱導率低，它的引入必然會影響不銹鋼電阻點焊工藝過程及焊點質(zhì)量。

本文以厚度差異極大(板厚比接近7∶1)的地鐵底架中梁和底架蓋板組合為研究對象，研究密封膠對接頭組織和力學性能的影響，以及對焊點間距和板材間隙的影響，用以輔助設(shè)計，指導生產(chǎn)。

1 材料和試驗方法

1.1 材料

表1 301L不銹鋼的化學成分和力學性能

1.2 試樣制備

本研究采用剝離和拉剪兩種測試方式研究密封膠引入對電阻點焊接頭性能的影響。測試所需樣件制備流程為：板材預(yù)處理→涂膠→焊接→樣件后處理→測試。首先將待焊板材放在丙酮中用超聲清洗5 min，以去除表面油污和附著物。隨后，基于前期優(yōu)化探索結(jié)果，在板材搭接區(qū)域的中部連續(xù)涂布直徑為5 mm的密封膠條，如圖1a、圖1b所示。涂布密封膠條后，加蓋上板輕輕按壓，使兩板平穩(wěn)貼合。剝離樣件和拉剪樣件的焊點設(shè)計分別如圖1c、圖1d所示。

(a)剝離試樣 (b)拉剪試樣

(c)剝離試樣焊點設(shè)計 (d)拉剪試樣焊點設(shè)計圖1 焊接前準備工作Fig.1 Preparations before welding

對差厚301L不銹鋼板組合進行電阻點焊時，因上下板產(chǎn)熱和散熱條件不相同，致使熔核向厚板側(cè)偏移。該現(xiàn)象使得差厚301L不銹鋼板組合的焊接窗口非常的窄，產(chǎn)熱量稍大就會形成縮孔或飛濺，降低連接強度；產(chǎn)熱量稍小薄板一側(cè)的熔透深度又難以保證。為保證熔透深度，本研究擬采用硬規(guī)范，固定焊接時間為150 ms，并在焊接電流為7～11 kA范圍內(nèi)，以0.5 kA的增幅使用金相檢測的方法對可用電流范圍進行探索。所使用的焊接設(shè)備型號為Obara DB6-100R1，焊接控制器為WTC中頻直流控制器，加壓方式為伺服加壓，采用的電極帽形貌和焊接時序如圖2所示。

(a)電極帽形貌 (b)焊接時序圖圖2 焊接過程參數(shù)Fig.2 The parameters of welding process

通過圖3所示的試樣來研究焊點間距和板材間隙(h)變化對電阻點焊和密封膠焊的影響。如圖3a所示，設(shè)計焊點間距為20 mm、30 mm、45和60 mm，焊接順序為1→2→3，焊接第3點時，相鄰另外兩個焊點會存在分流現(xiàn)象，基于此情形考察第3點的剝離直徑變化情況。如圖3b所示，在待焊金屬板之間平行放置兩塊間距為60 mm的亞克力板，居中進行焊接，通過調(diào)整亞克力板厚來模擬強約束條件下的板材間隙尺寸，間隙尺寸從0逐漸增大，增幅為0.5 mm，直至發(fā)生飛濺時停止焊接過程。

(a)焊點間距影響

(b)板材間隙尺寸影響圖3 焊點間距和板材間隙尺寸影響研究所用 樣品示意圖Fig.3 Samples used for the researches on weld spacing and initial gap

根據(jù)DOLPHIN 6098商用密封膠技術(shù)數(shù)據(jù)要求，測試樣品在焊接完成后需要在室溫下靜置72 h，然后方可進行測試。

1.3 測試與表征

焊接完成后剝離試樣，將其用于金相檢測和剝離直徑測定。將焊點沿中心線切開、磨拋、腐蝕以獲得斷面形貌，使用Leica DFC295和DFC495金相顯微鏡進行觀察，并參考焊點設(shè)計要求和AWS D17.2標準[6]對熔核直徑和焊透率等要求進行評價。對于該板厚組合，設(shè)計要求最小熔核直徑為3.05 mm，單個焊點拉剪載荷最小為2.915 kN。AWS D17.2標準對熔透率的規(guī)定如下：以上下板結(jié)合面為界，在熔核宏觀形貌中居中繪制一矩形(矩形的寬度為熔核直徑的80%，高度為上下板厚的20%)，若該矩形全部位于熔核內(nèi)部即判定熔透率合格。因為存在熔核偏移現(xiàn)象，厚板側(cè)熔核深度大都合格，所以后文所述的熔透深度僅指該矩形在厚度為0.6 mm板材側(cè)的最小熔透深度。

使用專用設(shè)備將上下板剝離，用于檢測剝離直徑；拉剪試樣用于力學性能檢測，測試在ZWICK-Z100萬能試驗機上進行，拉伸速率為3 mm/min，為保證對中性，在夾持部位設(shè)置有墊片。每組參數(shù)做三個重復性試驗以考察質(zhì)量的穩(wěn)定性。

2 結(jié)果與討論

2.1 可焊性和熔核宏觀形貌

密封膠對“0.6 mm+ 4.0 mm”差厚板組合熔核直徑、缺陷情況和熔透深度等指標的影響如圖4所示。由圖4a可知，電阻點焊和密封膠焊兩種工藝獲得標準要求的熔核直徑都較為容易，電阻點焊熔核直徑隨焊接電流增大而增大，電流超過10 kA后熔核直徑開始減小。在電流較小(≤ 8.5 kA)時，密封膠對熔核直徑基本沒有影響；電流稍大(9～11 kA)時，使用密封膠會導致熔核直徑出現(xiàn)一定程度的減小，而縮孔缺陷開始出現(xiàn)的電流增大1 kA左右。密封膠對薄板側(cè)熔透深度的影響則較為復雜(圖4b)，電阻點焊與密封膠焊相比，熔透深度曲線從“W”形變?yōu)椤癠”形。焊點質(zhì)量合格與否主要取決于薄板側(cè)的焊透率。綜合考慮焊點的幾何評價指標以及縮孔缺陷，圖2b所示焊接時序可以實現(xiàn)“0.6 mm+ 4.0 mm”差厚板的焊接，只是可接受電流范圍略窄：電阻點焊約為8.3～9.2 kA，密封膠焊約為9.3～10.2 kA。顯然，密封膠的引入使得焊接窗口右移，能耗有所增加。

(a)熔核直徑

(b)薄板側(cè)熔透深度圖4 電阻點焊和密封膠焊樣品的焊接性能Fig.4 Effect of weld current on resistance spot weld growth with and without adhesive sealant

熔核直徑和熔透深度分別反映的是熔核長度方向和厚度方向的生長率，而兩方向的生長率直接與界面接觸電阻和材料的體電阻相關(guān)，生長率的不同實則是熱量分布不均衡的必然結(jié)果。該密封膠黏度偏低，在長時間(1 200 ms)預(yù)壓過程中電極帽下方的密封膠絕大部分都會被排開，上下板剛度的顯著差異亦促使這種排膠行為更為徹底，排出的密封膠則環(huán)繞于此接觸區(qū)域，因為密封膠導電性差、電阻率高，必然會影響電流密度分布以及焊核的生長。

電阻點焊和密封膠焊的熔核宏觀形貌分別如圖5和圖6所示(圖中虛線為上下板結(jié)合面分界線)。

(1)電阻點焊。當焊接電流I較小時(圖5a)，熱輸入較小，板材熔化速率低，熔核尺寸也比較小，電流分布相對比較集中，使得熔核沿結(jié)合面向上下兩側(cè)生長相對比較快，焊核兩側(cè)熔透深度比較大。電流稍大時(圖5b、圖5c)，熔核長度方向的生長率是厚度方向生長率的數(shù)倍，導致導電通路上電流密度下降。由于接觸面邊緣的電流密度要高于心部的電流密度，所以熔核呈現(xiàn)薄板側(cè)邊緣熔深大，而心部熔深不合格的“水餃”狀[7]。隨著電流繼續(xù)增大(圖5d、圖5e)，由于電流導通面積的限制，熔核寬度方向生長趨于穩(wěn)定，熔核厚度方向生長則持續(xù)進行，導致上下板熔透深度同時增大，出現(xiàn)了合格熔核。當電流進一步增大時(圖5f～圖5i)，接觸面迅速熔化，接觸電阻的影響快速減弱，焊核生長以體積電阻加熱為主，導致焊核尺寸有所減小，熔核偏移現(xiàn)象加劇，甚至在電流大于10.5 kA時出現(xiàn)雙熔核，同時，因為液態(tài)金屬體積過大，熔核心部無法補縮導致形成集中縮孔缺陷。

(a)I=7.0 kA (b)I=7.5 kA (c)I=8.0 kA

(d)I=8.5 kA (e)I=9.0 kA (f)I=9.5 kA

(g)I=10.0 kA (h)I=10.5 kA (i)I=11.0 kA圖5 電阻點焊接頭宏觀形貌Fig.5 Nugget profile of resistance spot welds

(a)I=7.0 kA (b)I=7.5 kA (c)I=8.0 kA

(d)I=8.5 kA (e)I=9.0 kA (f)I=9.5 kA

(g)I=10.0 kA (h)I=10.5 kA (i)I=11.0 kA圖6 密封膠焊接頭宏觀形貌Fig.6 Nugget profile of resistance spot welds with adhesive sealant

(2)密封膠點焊。當電流較小時(圖6a)，兩板接觸區(qū)域殘余的少量密封膠分解需要吸熱，減少了用于形核的熱量，焊核尺寸相對比較小。當電流稍大時(圖6b～圖6e)，密封膠焊試樣的熔核直徑充分長大，但是其薄板側(cè)只有一側(cè)邊緣的熔透深度較大(白色虛線框所示)，另一側(cè)存在未焊合區(qū)域，這與電阻點焊有很大的不同。這是因為接觸區(qū)域被擠出的密封膠環(huán)繞在焊點周圍，且電極壓力分布不均勻，所以殘余密封膠膠層厚度也不一致。通電后在焦耳熱作用下，較薄的膠層會優(yōu)先分解，隨后形成相對電阻較小的導電通路，進而改變電流分布密度，導致結(jié)合面上產(chǎn)熱不均勻，使得不同區(qū)域焊透率產(chǎn)生差異。一般而言，膠層較薄處因優(yōu)先形成導電通路，產(chǎn)熱量較多；而膠層較厚處則是依賴熱量的積聚才能不斷分解，進而擴大導電通路面積。當焊接電流較小時，膠層分解時間相對較長，實際用于形核的焊接時間也比膠層較薄處少，所以呈現(xiàn)出一側(cè)熔透深度合格而另一側(cè)未焊合的現(xiàn)象。當電流繼續(xù)增大時(圖6f、圖g)，熱量的積聚縮短了膠層分解的時間，因為周圍環(huán)繞膠層減小了導電通路面積，使得上下板中熔透深度得到充分發(fā)展，形成合格熔核，與此同時因為體積電阻的加熱效應(yīng)，厚板側(cè)開始出現(xiàn)雙熔核；當電流進一步增大時(圖6h、圖6i)，膠層分解所需的時間更短，接觸界面影響減弱，體積電阻加熱占主導，與傳統(tǒng)點焊一樣出現(xiàn)了熔核直徑減小現(xiàn)象和明顯的縮孔缺陷。

2.2 力學性能

根據(jù)2.1節(jié)確定的可接受電流范圍，選取該范圍的下限、中間值和上限對電阻點焊和密封膠焊工藝分別進行拉剪測試，電流對應(yīng)情況如表2所示，拉剪測試結(jié)果如圖7所示。

表2 拉剪測試電流對應(yīng)表

可以看出在許可電流范圍內(nèi)密封膠焊接頭拉剪強度、塑性和吸能均明顯高于電阻點焊接頭的上述特性，而且兩種工藝的剪切強度均遠高于要求值2.915 kN。此外，如圖8所示，在拉力作用下，由于上下兩板強度和剛度差異較大，所有拉剪測試樣品的斷裂方式均為薄板側(cè)撕裂，表現(xiàn)出較好的接頭韌性。

(a)拉剪最大力(b)拉剪最大力對應(yīng)的位移

(c)拉剪吸能圖7 電阻點焊和密封膠焊接頭拉剪性能Fig.7 Mechanical property of the resistance spot welds with and without adhesive sealant

圖8 拉剪樣品斷裂方式Fig.8 Fracture mode of lap shear testing

加入密封膠后，電阻點焊的可接受電流范圍整體右移1 kA(即上下限向增大1 kA)，此時密封膠焊的熔核直徑略大于相應(yīng)的電阻點焊的熔核直徑，且總?cè)弁干疃冗h大于薄板厚度，所以在連接良好的前提下，密封膠焊的強度和塑性均較高。拉剪測試時，由于上下兩板剛度差異明顯，夾頭移動一定距離后薄板一側(cè)先達到屈服極限，出現(xiàn)撕裂行為，裂紋沿熔核邊緣擴展，這也說明熔核區(qū)域強度要高于薄板的強度。

2.3 生產(chǎn)因素影響分析

(a)焊點間距 (b)板材間距圖9 生產(chǎn)過程因素對電阻點焊和密封膠焊的影響Fig.9 Influence of manufacturing process factors on the resistance spot welds with and without adhesive sealant

使用圖3所示試樣對焊點間距和板材間隙尺寸的影響進行研究，焊接時序如圖2b所示，所用電流為表2中的中間值，熔核直徑如圖9所示，可以看出，焊點間距在20～60 mm范圍內(nèi)的熔核直徑均符合標準要求(最小熔核直徑為3.05 mm)。隨著焊點間距的減小，分流現(xiàn)象會愈加明顯，但是仍然遠遠滿足AWS標準的要求。因不銹鋼地鐵車身設(shè)計焊點間距一般大于30 mm，由此可推知密封膠引入不會對焊點間距設(shè)計產(chǎn)生影響，仍按照電阻點焊標準進行設(shè)計即可。

由圖9b可知，板材間隙尺寸對電阻點焊和密封膠焊的影響趨勢基本一致，即適當?shù)陌宀拈g隙尺寸(0.5 mm)有利于熔核直徑的長大。這是因為強約束條件下小間隙可增大界面接觸電阻，使得生熱增加，熔核尺寸變大；但是當板材間隙尺寸超過0.5 mm后，會導致導電通路面積減小，使得熔核直徑減小，但仍在合格范圍內(nèi)；當間隙過大時，導電通路面積過小，熱量過于集中，則容易發(fā)生飛濺。由此可知密封膠的引入略微增大了對板材間隙的容忍程度，但進行焊點設(shè)計時仍要同時注意優(yōu)化焊接順序，避免過大板材間隙的出現(xiàn)。

3 結(jié)論

(1)因密封膠黏度低，在電極壓力作用下容易排開，所以密封膠的引入對熔核直徑、熔核偏移和縮孔缺陷影響較小。但由于其影響接觸界面電流分布均勻性，因此薄板側(cè)熔透深度出現(xiàn)波動，使得可用焊接電流范圍向右平移1 kA，能耗有所增大。

(2)在許可電流范圍內(nèi)，密封膠焊和傳統(tǒng)點焊的拉剪強度均顯著高于標準要求值，所有拉剪測試樣品的斷裂方式均為薄板側(cè)撕裂，但是密封膠焊表現(xiàn)出更好的強度和吸能性。

(3)密封膠引入對焊點間距設(shè)計基本無影響，對板材間隙也表現(xiàn)出較好的容忍度。