DP590高強鋼雙脈沖膠接點焊的工藝研究

易金權(quán)，曾 凱，丁燕芳，何曉聰，邢保英，翟停停

(昆明理工大學機電工程學院，昆明650500)

高強鋼具有高的抗拉強度、良好的延展性以及成型性能好等特點，廣泛應(yīng)用于汽車制造領(lǐng)域，是實現(xiàn)汽車輕量化技術(shù)的主要選材之一［1－3］.膠接點焊技術(shù)是一種將膠接和點焊相結(jié)合的復合連接技術(shù)，在汽車生產(chǎn)中的應(yīng)用也日益增加，膠接點焊質(zhì)量的好壞直接影響車身的強度［4－6］，因此，研究膠接點焊工藝具有重要價值.

國內(nèi)外學者對單脈沖和多脈沖點焊進行了廣泛研究，對比分析單脈沖和多脈沖點焊接頭的力學性能、金相組織、顯微硬度等.Zhang等［7］對DP780高強鋼膠接點焊接頭與點焊接頭的力學性能和顯微組織進行對比，結(jié)果表明在小電流情況下，膠接點焊的焊點拉剪力和能量吸收值均高于點焊.李慈等［8］針對不同板厚的車用 DP600和DC54D異種鋼，開展了電阻點焊和電阻膠接點焊試驗，結(jié)果表明涂膠的焊接接頭可以得到優(yōu)異的焊接性能，且未涂膠與涂膠接頭斷裂均發(fā)生在DC54D側(cè).羅震等［9］針對AISI420馬氏體不銹鋼焊后接頭的脆性問題，研究了回火脈沖對電阻點焊接頭力學性能的影響，結(jié)果表明回火脈沖工藝能夠明顯提高接頭的韌性和強度.楊思乾等［10］關(guān)于多脈沖電流與磁控制點縫焊技術(shù)及其現(xiàn)狀的研究發(fā)現(xiàn)，多脈沖點焊能夠有效消除焊點應(yīng)力、改善組織性能、消除焊接缺陷等.劉興全等［11］研究多脈沖電阻點焊對鍍鋅高強汽車板組織性能的影響，發(fā)現(xiàn)多脈沖點焊相對于單脈沖點焊焊接窗口更大、焊點直徑更大、能減少裂紋、氣孔等缺陷的產(chǎn)生.華昊等［12］研究電阻點焊單脈沖和多脈沖兩種電流模式對AA5182鋁合金的影響，結(jié)果表明多脈沖有更寬的工藝窗口，但在金相裂紋、電極壽命等方面比單脈沖的差.Wang等［13］研究了多脈沖回火工藝對DP590電阻點焊的影響，研究發(fā)現(xiàn)多脈沖比單脈沖點焊在熔核區(qū)硬度值更低、有更好的機械性能.多脈沖點焊比單脈沖點焊焊接窗口更大，有更少的飛濺、缺陷產(chǎn)生，焊核成形效果更好，能有效提高接頭的力學性能.已有研究表明，膠接點焊相比點焊更易產(chǎn)生飛濺和缺陷［14－16］，然而膠接點焊通常采用一次電流，采用二次電流進行膠接點焊的相關(guān)研究鮮有報道.

本文設(shè)計了雙脈沖直流點焊波形，針對DP590高強鋼，開展膠接點焊工藝試驗研究，辨析焊接工藝參數(shù)對膠接點焊接頭質(zhì)量的影響，并對比分析單脈沖膠接點焊與雙脈沖膠接點焊接頭的組織與力學性能.

1 試驗

1.1 試驗材料及設(shè)備

用于膠接點焊的試驗材料為DP590雙相鋼薄板，試件尺寸為110 mm×25 mm ×1.5 mm，其力學性能如表1所示，化學成分見表2.膠接點焊工藝選用的膠為DP460環(huán)氧樹脂膠，試件的尺寸及搭接長度如圖1所示.

表1 DP590的拉伸性能Table 1 Tensile properties of DP590 dual-phase steel

表2 材料化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%)Table 2 Chemical compositions of sheet materials(wt.%)

圖1 膠接點焊試件幾何尺寸Fig.1 Geometry of the weld-bonded joints

本試驗使用的連接設(shè)備是中頻逆變直流點焊機，采用球面電極，電極頭端面直徑6 mm，曲率半徑10 mm，電極材料為鉻鎬銅.焊接前首先用砂紙對試件焊接面進行打磨，并用酒精溶液擦拭去除表面的油污;然后在試件焊接面涂膠，用專用夾具控制膠層的厚度，其膠層控制原理圖如圖2所示;而后采用中頻逆變直流點焊機，對涂膠后的試件進行單脈沖或雙脈沖電阻點焊;最后將試件放入恒溫箱中使膠層固化.

圖2 膠層控制原理圖Fig.2 Schematic diagram of thickness control of adhesive layer

1.2 雙脈沖膠接點焊正交試驗設(shè)計

本文研究的雙脈沖膠接點焊工藝，是在兩個脈沖電流之間加入脈沖間隔時間，其雙脈沖波形圖如圖3所示，一次電流I1為10～12 kA，二次電流I2為12 kA，一次電流時間t1為40～80 ms，脈沖間隔時間t2為40～80 ms，二次電流時間t3為60 ms，恒定電極壓力Fw為0.3 MPa

圖3 雙脈沖膠接點焊脈沖波形Fig.3 Pulse waveform of double pulse welding

由于雙脈沖工藝參數(shù)多，為減少試驗變量，在前期試驗基礎(chǔ)上，先選定第2次脈沖波形的焊接時間60 ms、焊接電流12 kA和電極壓力0.3 MPa，然后只考慮一次電流、一次電流時間和脈沖間隔時間3個變量，按照L9(34)型正交表進行正交試驗，共需9次試驗，為減少膠接點焊工藝涂膠過程中的誤差，對每組參數(shù)下選取7個試件進行拉剪試驗.并對9組膠接點焊接頭的平均抗剪強度進行極差分析，以判斷影響接頭抗剪強度的主次關(guān)系，得出最優(yōu)工藝參數(shù).采用正交試驗設(shè)計，因素水平表的試驗數(shù)據(jù)如表3所示.

表3 工藝參數(shù)因素水平表Table 3 Factor levels of welding parameters

1.3 拉剪試驗

利用MTS電液伺服材料試驗機對焊接好的試件進行拉伸剪切試驗，為保證拉剪試驗中試件不產(chǎn)生附加扭矩，需要在試件兩端分別粘貼25 mm×25 mm×1.5 mm的墊片，使試件夾持兩端的厚度一致.設(shè)置拉伸速率為20 mm/min，對每組參數(shù)下的7個試件進行重復性拉剪試驗.

1.4 金相組織及顯微硬度試驗

采用手鋸的方式沿膠接點焊接頭熔核中心線切取試樣，然后，經(jīng)鑲嵌、磨光、拋光、清洗、烘干后，再用4%的硝酸酒精溶液腐蝕試件，獲得金相試件，采用ECLIPSE－MA200倒置金相顯微鏡觀察膠接點焊接頭的金相組織.使用MVC－1000A1顯微硬度計，每隔0.4 mm測量1個點，測試載荷300 g，保壓時間為10 s，沿著金相試件接頭對角線方向測量母材區(qū)、熱影響區(qū)和熔核區(qū)的維氏硬度.

2 結(jié)果及分析

2.1 雙脈沖膠接點焊的極差分析

一次電流、一次電流時間、脈沖間隔時間3個因素的正交試驗結(jié)果如表4所示.根據(jù)極差數(shù)值的大小，可以看出各個因素對試驗結(jié)果影響程度，一次電流這一系列極差為1 578.02，是3個因素中最大的，由此得出一次電流對接頭抗剪強度影響最大，脈沖間隔時間對接頭抗剪強度影響最小.分析極差Ri，可以得出因素A中取A3比取A1、A2平均抗剪強度都要高;因素B中取B3比B1、B2平均抗剪強度要高;因素C中取C1比C2、C3平均抗剪強度要高.綜合得出最優(yōu)工藝參數(shù)為A3、B3、C1，即焊接電流為 12.0 kA，焊接時間為80 ms，脈沖間隔時間為40 ms.

從極差分析表中所得到的膠接點焊接頭最優(yōu)工藝參數(shù)是正交試驗設(shè)計表中沒有的，因此，對工藝參數(shù):一次焊接時間 80 ms，一次焊接電流12.0 kA，脈沖間隔時間 40 ms，二次焊接時間60 ms，二次焊接電流 12.0 kA，電極壓力 0.3 MPa進行試驗驗證，發(fā)現(xiàn)焊接沒有飛濺產(chǎn)生，平均抗剪強度為9 921.67 N，高于正交試驗中的平均抗剪強度.在此參數(shù)基礎(chǔ)上，繼續(xù)提高或降低焊接工藝參數(shù)，如增加一次焊接電流、焊接時間或減少脈沖間隔時間，發(fā)現(xiàn)均有焊接飛濺的產(chǎn)生，因此，確定該焊接參數(shù)為雙脈沖膠接點焊的最優(yōu)工藝參數(shù);由前期的正交試驗，并通過極差分析和方差分析，得到單脈沖膠接點焊的最優(yōu)工藝參數(shù)為:一次焊接電流14.0 kA，一次焊接時間70 ms，電極壓力0.5 MPa.

表4 極差分析表Table 4 Range analysis

2.2 接頭的力學性能

在單脈沖膠接點焊最優(yōu)工藝參數(shù)和雙脈沖膠接點焊最優(yōu)工藝參數(shù)下，通過對2組接頭進行重復性拉伸－剪切試驗，得到試件的載荷－位移曲線.計算得到每組試件的平均失效載荷，選取每組試件中接近平均值的一條曲線建立載荷－位移曲線，如圖4所示.由圖4可以看到，單脈沖和雙脈沖膠接點焊載荷－位移曲線都呈現(xiàn)兩個峰值，第1個峰值為膠層處的失效載荷，第2個峰值為點焊處失效載荷.單脈沖膠接點焊接頭在膠層處和點焊處的失效載荷均小于雙脈沖膠接點焊接頭的失效載荷，分析膠接點焊接頭發(fā)現(xiàn)，單脈沖膠接點焊在最優(yōu)工藝參數(shù)下，即一次電流14 kA、一次電流時間70 ms、電極壓力0.5 MPa下焊接翹曲嚴重，導致在拉伸過程中膠層很快失效，且雙脈沖膠接點焊平均抗剪強度為9 921.67 N，標準差為44.23;單脈沖膠接點焊平均抗剪強度9 006.01 N，標準差為90.61.雙脈沖膠接點焊平均抗剪強度遠大于單脈沖膠接點焊平均抗剪強度，因此，在拉剪試驗中，雙脈沖膠接點焊接頭的力學性能優(yōu)于單脈沖膠接點焊接頭的力學性能.

圖4 單脈沖膠接點焊與雙脈沖膠接點焊載荷位移曲線Fig.4 Single pulse and double pulse weld-bonded load displacement curves

2.3 膠接點焊接頭的金相組織

單脈沖和雙脈沖膠接點焊的金相組織形貌如圖5所示，圖5(a)和(c)為母材區(qū)和熱影響區(qū)交界位置的形貌;圖5(b)和(d)為接頭熔核區(qū)的形貌.從圖5(a)和(c)可以發(fā)現(xiàn)，母材區(qū)大部分由鐵素體組成，由母材區(qū)逐漸過渡到熱影響區(qū)的過程可以看出鐵素體晶粒不斷的細化，越靠近熔核區(qū)，鐵素體所占比例明顯減小.接頭熔核區(qū)形成晶粒的粗細、密集程度與接頭的冷卻速度有關(guān)，當熔核區(qū)冷卻速度高時，熔核區(qū)的液態(tài)金屬在結(jié)晶過程過冷度高，自發(fā)形成的晶核也越多，每個晶核長大的余地就越小，最終形成的晶粒也就越細越密集.從圖5(b)和(d)可以看出，雙脈沖膠接點焊接頭比單脈沖膠接點焊接頭在熔核區(qū)的板條狀馬氏體更密集，這是由于雙脈沖膠接點焊在經(jīng)歷第一次脈沖焊接時，熔核區(qū)的膠層會發(fā)生汽化，再進行第二次脈沖焊接時，膠層對接頭散熱影響更小，因此，雙脈沖膠接點焊焊后冷卻速度比單脈沖膠接點焊冷卻速度快，最終形成的晶粒也就越細越密集.

圖5 單脈沖和雙脈沖膠接點焊接頭的金相組織Fig.5 Metallographic structure of single pulse and double pulse weld-bonded joints:(a)single-pulse base metal and heat affected zone boundary;(b)single pulse nugget area;(c)double-pulse base metal and heat affected zone boundary; (d) double pulse nugget

2.4 顯微硬度

圖6 所示為焊點硬度的測試路徑，從材料一側(cè)的母材區(qū)開始沿著對角線方向經(jīng)過熔核區(qū)、熱影響區(qū)，每隔0.4 mm測試1個硬度值，并將兩種接頭的測試結(jié)果繪制成曲線圖，如圖7所示.由于母材區(qū)大部分是由鐵素體組成，硬度較低，且母材區(qū)逐漸向熱影響區(qū)過渡中，鐵素體晶粒不斷細化，導致硬度逐漸上升，越靠近熔核區(qū)硬度值越大，熔核區(qū)存在大量的馬氏體，使熔核區(qū)的硬度明顯高于母材區(qū).馬氏體力學性能的顯著特點是具有高硬度和高強度，而雙脈沖膠接點焊接頭比單脈沖膠接點焊接頭擁有更多更細小的馬氏體板條束，且馬氏體板條束越小，強度越高，因此，雙脈沖膠接點焊熔核區(qū)硬度值(最大為249.4 HV)高于單脈沖膠接點焊熔核區(qū)(最大值240.2 HV).

圖6 焊點硬度測試示意圖Fig.6 Solder joint hardness test

圖7 金相試件顯微硬度測試結(jié)果Fig.7 Microhardness test results of metallographic specimen

3 結(jié)論

1)采用雙脈沖電流，可降低飛濺的產(chǎn)生，提高膠接點焊工藝的穩(wěn)定性;通過正交試驗的極差分析，獲得雙脈沖膠接點焊的最優(yōu)工藝參數(shù):一次焊接時間80 ms，一次焊接電流12.0 kA，脈沖間隔時間40 ms，二次焊接時間60 ms，二次焊接電流12.0 kA，電極壓力0.3 MPa;并發(fā)現(xiàn)一次電流大小對雙脈沖膠接點焊接頭的抗剪強度影響最大，一次電流時間對抗剪強度影響次之，脈沖間隔時間對抗剪強度影響最小.

2)在單脈沖和雙脈沖最優(yōu)工藝參數(shù)下，由力學試驗得出雙脈沖膠接點焊接頭平均抗剪強度為9 921.67 N，標準差為 44.23;單脈沖膠接點焊接頭平均抗剪強度為9 006.01 N，標準差為90.61.說明雙脈沖膠接點焊接頭的力學性能明顯優(yōu)于單脈沖膠接點焊接頭的力學性能.

3)采用雙脈沖膠接點焊工藝，可明顯細化熔核區(qū)的晶粒，提高接頭的韌性和強度.雙脈沖膠接點焊接頭比單脈沖膠接點焊接頭在熔核區(qū)的板條狀馬氏體更密集，使雙脈沖膠接點焊焊核硬度高于單脈沖膠接點焊焊核硬度.