白車身四層板點(diǎn)焊工藝試驗(yàn)研究

徐世龍 朱加雷 王偉峰

摘要：國外量產(chǎn)車型中四層板搭接焊的應(yīng)用減少了搭接過渡接頭，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)輕量化。針對(duì)某國產(chǎn)車型設(shè)計(jì)的四層板點(diǎn)焊接頭進(jìn)行了點(diǎn)焊工藝試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)：通過優(yōu)化焊接工藝及裝配精度可以有效預(yù)防和減少四層板焊接缺陷，在滿足公司質(zhì)量要求情況下可以進(jìn)行適當(dāng)應(yīng)用。板厚均為0.7 mm的四層板，在點(diǎn)焊工藝參數(shù)為預(yù)壓壓力2.0 kN、焊接壓力2.6 kN、焊接時(shí)間230 ms和電流10 kA時(shí)，點(diǎn)焊接頭外觀良好，力學(xué)性能最佳，試驗(yàn)結(jié)果可為后期量產(chǎn)提供工藝指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：白車身;輕量化;四層板;點(diǎn)焊

中圖分類號(hào)：TG453+.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）10-0057-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.10.11

0 前言

汽車輕量化是新車型設(shè)計(jì)追求的熱點(diǎn)[1-2]，點(diǎn)焊是白車身制造中常用的焊接方法[3]。為了對(duì)白車身進(jìn)行有效減重，對(duì)標(biāo)國內(nèi)外車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)[4]，對(duì)某國產(chǎn)車身結(jié)構(gòu)車門總成區(qū)域四層板進(jìn)行點(diǎn)焊工藝試驗(yàn)研究，通過改變工藝參數(shù)分析其焊點(diǎn)外觀、接頭力學(xué)性能等，驗(yàn)證其質(zhì)量及工藝可靠性，為后期車型量產(chǎn)提供生產(chǎn)工藝指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料采用馬鋼廠生產(chǎn)的0.7 mm厚 DC01、DC03和DC04級(jí)汽車用板，材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1、表2所示。

試驗(yàn)設(shè)備采用DRG-130型伺服點(diǎn)焊機(jī)，試樣搭接方式和試樣規(guī)格如圖1所示。上面兩層為DC04，下面兩層為DC03和DC01。

點(diǎn)焊焊接時(shí)，保持預(yù)壓時(shí)間200 ms、焊接時(shí)間230 ms、預(yù)壓壓力2.0 kN和電極壓力2.6 kN不變，采用16×20/φ6 mm球形鉻鋯銅電極加以單脈沖電流，焊接電流從8.5 kA到10.5 kA依次遞增。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 接頭力學(xué)性能

在不同的焊接電流下，三種搭接模式所獲接頭的力學(xué)性能如圖2所示。在相同的焊接工藝參數(shù)下，Ⅲ、Ⅰ、Ⅱ型接頭的拉剪力值逐漸增加，并且隨著焊接電流的增大，三種模式下的拉剪力值前期逐漸增大，焊接電流為10 kA時(shí)，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型試樣拉剪力較8.5 kA時(shí)分別提升了10%、10.5%、10.7%，但當(dāng)焊接電流為10.5 kA時(shí)，點(diǎn)焊接頭出現(xiàn)飛濺，力學(xué)性能下降。

通常情況下，汽車制造廠都有點(diǎn)焊標(biāo)準(zhǔn)，其中熔核尺寸也有相關(guān)合格標(biāo)準(zhǔn)[5]。不同電流的點(diǎn)焊熔核直徑如圖3所示，可以看出，焊點(diǎn)中心處的直徑均大于第三、四層之間的熔核直徑，并且隨著焊接電流的增大，焊點(diǎn)中心和第三四層之間的熔核直徑前期均呈略增加的趨勢，焊接電流為10 kA時(shí)，熔核直徑最大，焊接電流為10.5 kA時(shí)，熔核直徑因飛濺導(dǎo)致減小。

圖2中Ⅱ型的力學(xué)性能較Ⅰ型有較小的提升，這與點(diǎn)焊接頭的搭接及加載模式相關(guān)。Ⅰ型對(duì)力學(xué)性能起作用的是焊點(diǎn)中心處的熔核直徑，斷裂形式是在DC04側(cè)留下孔洞，DC03側(cè)保留“紐扣”;Ⅱ型不僅有焊點(diǎn)中心處的熔核作用，還有來自第三四層板之間的熔核作用，其斷裂則是DC03板焊點(diǎn)處出現(xiàn)裂紋并沿母材方向擴(kuò)展，焊點(diǎn)留在DC03和DC04之間。Ⅲ型對(duì)力學(xué)性能起作用的是第三四層板之間的熔核直徑，熔核拔出斷裂形式是最外側(cè)DC01板留下孔洞，“紐扣”則保留在另外三層板的界面上。焊接電流為8.5 kA時(shí)，試板因熔合線伸入而發(fā)生了界面斷裂，如圖4所示。

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ之所以產(chǎn)生這種力學(xué)變化，究其原因可能是模式Ⅲ下接頭未焊透或大電流情況下壓痕較深，飛濺嚴(yán)重導(dǎo)致在受拉力情況下直接脫落或者分離，而其他兩個(gè)模式受力在中間層，熔核已形成。

2.2 四層板點(diǎn)焊接頭的外觀與缺陷

四層板點(diǎn)焊時(shí)的熔核形成機(jī)制不同于兩層板，四層板點(diǎn)焊初期并不是在三個(gè)界面各自同時(shí)形成熔核，然后形成一個(gè)整體的熔核。在焊接初期，熔核只在中間界面處生長，而在上下兩界面處并沒有形成熔核。隨著時(shí)間的推進(jìn)，中間界面母材不斷熔化，兩板的接觸電阻逐漸降低，直至中間界面的接觸電阻小于上下界面接觸電阻時(shí)，熔核開始在上下界面處快速生長，且很快趕上并超過熔核在中間界面處的尺寸。隨著上下界面母材不斷熔化，接觸電阻逐漸降低，熔核又開始在中間界面處快速生長并很快趕上并超過上下界面的熔核尺寸，并最終在中間界面處達(dá)到最大熔核尺寸。

因此，當(dāng)焊接電流較小時(shí)，中間界面形成了較完整的熔核，而在上下兩層則因熱輸入量不足，熔核未完全形成，存在熔合線伸入的缺陷，在該兩處的熔核直徑較小。觀察圖4、圖5可以發(fā)現(xiàn)，第一層和第三層的熔合情況有差異，這主要是材料性能差異所致。當(dāng)焊接電流較大時(shí)，焊點(diǎn)中心處的熔融金屬突破焊點(diǎn)的塑性環(huán)飛濺出來，飛濺出來的金屬無法彌補(bǔ)，形成了焊點(diǎn)中心處的縮孔[5]。由于能量的損失，熔核直徑相應(yīng)減小，力學(xué)性能隨之降低。另外在四層板點(diǎn)焊時(shí)，各板之間的裝配及前處理（油污等）也是造成飛濺的直接因素，所以在四層板點(diǎn)焊時(shí)要保證鋼板表面質(zhì)量和裝配精度。

焊點(diǎn)的壓入深度是外觀檢測重要指標(biāo)[6]。在一定范圍內(nèi)，隨著壓入深度的增大，熔核直徑有增大的趨勢，達(dá)到一定值時(shí)，熔核直徑就會(huì)減小，同時(shí)導(dǎo)致點(diǎn)焊接頭力學(xué)性能下降。不同焊接電流時(shí)的壓入深度如圖6所示，焊接電流為10.5 kA時(shí)，壓入深度達(dá)到0.7 mm以上，壓入單塊板材的百分比大于50%，而壓入深度較大會(huì)影響到焊點(diǎn)的靜態(tài)拉剪強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)疲勞強(qiáng)度，因此在點(diǎn)焊焊點(diǎn)的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中，通常會(huì)對(duì)焊點(diǎn)的壓入深度做出規(guī)定，通常為30%板厚，但應(yīng)酌情考慮間隙量。

電極壓力在一定程度上對(duì)焊點(diǎn)的外觀產(chǎn)生影響[7]。電極壓力由預(yù)壓壓力和焊接壓力組成。施加預(yù)壓壓力是為了消除多層板之間的裝配間隙，同時(shí)接觸壓力分布及工件變形影響焊接時(shí)的接觸電阻，當(dāng)鋼板壓合不均導(dǎo)致焊件局部電流密度過大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)焊點(diǎn)不規(guī)則、飛濺等缺陷。施加焊接壓力使焊點(diǎn)受熱區(qū)域產(chǎn)生一定量的塑性變形及材料的熔合，同時(shí)有利于焊點(diǎn)的快速冷卻[8]。針對(duì)電極壓力對(duì)焊點(diǎn)外觀的影響，設(shè)定了如表3所示的焊接工藝。保持焊接電流9.5 kA、焊接時(shí)間230 ms、預(yù)壓時(shí)間200 ms、保持時(shí)間40 ms不變，施以單脈沖電流。

由表3可知，工藝1預(yù)壓壓力較小，焊接通電時(shí)，接頭因裝配間隙的存在導(dǎo)致焊點(diǎn)局部熱輸入量過大，焊點(diǎn)呈不規(guī)則形狀，壓入深度較大;工藝2，焊點(diǎn)呈圓形，壓入深度較小;工藝3和工藝4，焊點(diǎn)呈圓形，焊點(diǎn)壓痕較深，工藝4壓痕較工藝3更深。通過試驗(yàn)可知，預(yù)壓壓力和焊接壓力會(huì)在一定程度上影響焊點(diǎn)的外觀，預(yù)壓壓力要保證多層板之間的裝配間隙。

2.3 點(diǎn)焊接頭微觀組織分析

點(diǎn)焊接頭微觀組織照片如圖7所示。

由圖7a、7b可知，DC01、DC03和DC04的母材組織均為鐵素體;由焊點(diǎn)組織形貌（見圖7c）可知焊接熱影響區(qū)和熔核區(qū)的分布特征，從母材到熔核區(qū)分別為：母材、不完全重結(jié)晶區(qū)、相變重結(jié)晶區(qū)、過熱區(qū)和熔核區(qū)。在不完全重結(jié)晶區(qū)，一部分組織發(fā)生了相變重結(jié)晶過程，組織為細(xì)小的鐵素體;在相變重結(jié)晶區(qū)，母材金屬加熱到Ac3以上的溫度，發(fā)生重結(jié)晶，在空氣中冷卻，生成均勻細(xì)小的鐵素體;在過熱區(qū)，奧氏體晶粒發(fā)生嚴(yán)重的長大現(xiàn)象，冷卻后得到粗大的組織，通過硬度測試發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域的硬度值較低;在熔核區(qū)（見圖7f），焊縫金屬在快速冷卻的作用下，生成了鐵素體型貝氏體，該區(qū)域的組織均勻性較好。

3 結(jié)論

（1）焊點(diǎn)的熔核直徑和接頭的力學(xué)性能存在著密切關(guān)系，加載模式對(duì)力學(xué)性能也產(chǎn)生重要影響。在一定的范圍內(nèi)，隨著焊接電流的增大，熔核直徑增加，接頭力學(xué)性能提高，外觀良好。

（2）四層板點(diǎn)焊容易出現(xiàn)未焊透、飛濺以及壓入深度過大的缺陷，優(yōu)化焊接工藝及裝配精度可以有效預(yù)防和減少焊接缺陷。在點(diǎn)焊工藝參數(shù)為預(yù)壓壓力2.0 kN、焊接壓力2.6 kN、焊接時(shí)間230 ms和焊接電流10 kA時(shí)，點(diǎn)焊接頭外觀良好，力學(xué)性能最佳。

（3）電極壓力對(duì)壓入深度有一定的影響，主要通過熱輸入量和預(yù)壓裝配間隙影響壓入的深度。預(yù)壓壓力和焊接壓力不同，可以在一定程度上影響焊點(diǎn)的外觀。

（4）四層板焊點(diǎn)的顯微組織演變決定了其硬度分布，可以通過焊接工藝的優(yōu)化，改變焊點(diǎn)處的顯微組織，從而提高點(diǎn)焊接頭的力學(xué)性能。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳文斐. 基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的汽車輕量化方?法探索[J]. 汽車實(shí)用技術(shù)，2019（24）：135-13

[2] 陳宇豪，薛松柏，王博，等. 汽車輕量化焊接技術(shù)發(fā)展現(xiàn)?狀與未來[J]. 材料導(dǎo)報(bào).2019，33（S2）：431-440.

[3] 徐世龍，朱加雷，王吉仁，等. 鍍鋅板無飛濺點(diǎn)焊電極設(shè)?計(jì)及試驗(yàn)[J]. 電焊機(jī)，2017，47 （05）：82-84.

[4] 多層鈑金搭接結(jié)構(gòu)[P]. CN201220678609.0.

[5] 王大臣，劉曉琴，逯連文，等. 電阻點(diǎn)焊熔核檢測標(biāo)準(zhǔn)對(duì)?比及分析[J]. 電焊機(jī)，2020，50（06）：96-99+136-137

[6] 李雪海. 汽車白車身點(diǎn)焊質(zhì)量控制評(píng)價(jià)體系研究[J]. 汽?車實(shí)用技術(shù)，2020（08）：191-193.

[7] 趙濤. 鍍鋅鋼板電阻點(diǎn)焊工藝研究[D]. 安徽：合肥工業(yè)?大學(xué)，2005.

[8] 劉磊，縱榮榮，李樂樂，等. 輕量化汽車電阻點(diǎn)焊技術(shù)的?研究與應(yīng)用[J]. 時(shí)代汽車，2019（03）：131-134.