汽車車身特種鋼材點(diǎn)焊工藝研究

吳青云，侯玲，王學(xué)敏

江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心 安徽合肥 230022

1 序言

隨著能源危機(jī)和環(huán)境問題的日益加劇，節(jié)能和安全成為汽車制造業(yè)的主要發(fā)展方向。在降低油耗、減少排放的諸多措施中，車身輕量化減重效果最為明顯。車身重量減輕10%可節(jié)省燃油3%～7%。為了降低車身的重量，同時(shí)保證車身的安全、防腐等質(zhì)量指標(biāo)要求，近年來(lái)世界各大主機(jī)廠的汽車逐步增加了高強(qiáng)鋼、熱成形鋼和鍍鋅鋼等特種鋼材的應(yīng)用比例。

我公司在特種鋼材應(yīng)用上也大幅提升，新產(chǎn)品高強(qiáng)鋼應(yīng)用比例達(dá)60%以上，鍍鋅板的應(yīng)用比例達(dá)30%以上。高強(qiáng)鋼、熱成形鋼和鍍鋅鋼等特種鋼材在車身上的大量應(yīng)用給焊接技術(shù)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的工頻焊接設(shè)備難以保證焊接質(zhì)量，以往的焊接工藝也無(wú)法滿足新產(chǎn)品調(diào)試的需求。本文基于特種鋼材焊接困難的現(xiàn)象，分析其焊接困難的原因，并探討其焊接方法，為后續(xù)項(xiàng)目汽車車身特種鋼材焊接提供參考。

2 汽車車身特種鋼材

2.1 高強(qiáng)鋼

在汽車車身用鋼領(lǐng)域，強(qiáng)度是產(chǎn)品最重要的性能指標(biāo)。一般將抗拉強(qiáng)度≥270MPa級(jí)別的鋼稱為高強(qiáng)鋼，抗拉強(qiáng)度≥700MPa級(jí)別的鋼稱為超高強(qiáng)鋼。

高強(qiáng)鋼分為傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼和先進(jìn)高強(qiáng)鋼。傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼以鐵素體為主要微觀組織，通過(guò)析出和固溶等強(qiáng)化手段，強(qiáng)度一般在600MPa以下。在傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼基礎(chǔ)上，引入馬氏體、貝氏體等高強(qiáng)相結(jié)構(gòu)，借助這些高強(qiáng)相的強(qiáng)化作用，在不對(duì)成分體系作顯著改變的前提下，大幅度提高材料的性能。這類以相變強(qiáng)化為主要強(qiáng)化機(jī)制的高強(qiáng)鋼被稱為先進(jìn)高強(qiáng)鋼（AHSS），強(qiáng)度級(jí)別可覆蓋450～1700MPa，包括雙相鋼（DP鋼）、相變誘發(fā)塑性鋼（TRIP鋼）和馬氏體鋼（M鋼或Mart鋼）等[1]。

DP鋼主要組織為鐵素體+少量馬氏體，具有高強(qiáng)度、高韌性以及較高的強(qiáng)屈比，主要應(yīng)用于汽車的保險(xiǎn)杠、車門、車輪以及車體的縱橫梁等各種安全零件中。TRIP鋼顯微組織為多相組織，主要由鐵素體、貝氏體、殘留奧氏體和少量馬氏體組成，具有高強(qiáng)度、高延伸及高碰撞吸收性能，常用于汽車的保險(xiǎn)杠、汽車底盤等防撞部位。馬氏體鋼顯微組織幾乎全部為板條馬氏體組織，具有較高的抗拉強(qiáng)度（可達(dá)1600MPa），通常用于成形要求不高的車門防撞杠等零件。先進(jìn)高強(qiáng)鋼顯微組織如圖1所示。

圖1 先進(jìn)高強(qiáng)鋼顯微組織

2.2 熱成形鋼

熱成形鋼技術(shù)是指鋼材經(jīng)過(guò)950℃的高溫加熱后一次成形，又迅速冷卻，從而全面提升了鋼材強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度達(dá)1000MPa以上，即每平方厘米能承受10t以上的壓力。由于熱成形鋼的特殊性質(zhì)，并且是加熱后成形，因此可以在一道工序完成普通冷沖壓成形需多道工序才能完成的復(fù)雜形狀。具有很好的材料成形準(zhǔn)確性，可消除材料回彈的影響，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的形狀。因其超高的強(qiáng)度與極高的機(jī)械安全性，熱成形鋼板主要應(yīng)用于前后保險(xiǎn)杠骨架以及A柱、B柱、前圍等重點(diǎn)部位，在發(fā)生碰撞時(shí)，尤其在正面和側(cè)面碰撞時(shí)可有效減少駕駛艙變形，保護(hù)駕乘人員的安全。

2.3 鍍鋅鋼

鍍鋅鋼是在鋼板表面鍍一層薄而致密的鋅金屬層，防止鋼板表面受到腐蝕，以達(dá)到延長(zhǎng)鋼板使用壽命的目的。按照鍍鋅板生產(chǎn)工藝及深加工方法的不同，鍍鋅板主要分為熱鍍鋅板和電鍍鋅板。目前汽車常用的為熱鍍鋅板，根據(jù)鍍層方式不同又可分為純鋅鍍層（GI）和鋅鐵合金鍍層（GA）兩種。因其優(yōu)良的成形及防腐性能，所以鍍鋅鋼板主要應(yīng)用于側(cè)圍外面、翼子板、門外部等外覆蓋件，提高車身的防腐蝕性能。

3 汽車車身特種鋼材焊接工藝研究

3.1 電阻焊及其焊接質(zhì)量影響因素

（1）電阻焊 電阻焊又稱接觸焊，屬壓力焊范疇，是以電阻熱為能源的一類焊接方法。電阻焊是使工件處在一定電極壓力作用下，利用電流通過(guò)工件時(shí)所產(chǎn)生的電阻熱將兩工件之間的接觸表面熔化，從而實(shí)現(xiàn)連接的焊接方法。電阻焊一般包括點(diǎn)焊、縫焊、凸焊和對(duì)焊等。

電阻焊焊接過(guò)程中電流產(chǎn)生熱量可用下式來(lái)計(jì)算，即

式中Q——電極間產(chǎn)生的熱量（J）；

I——焊接電流（A）；

R——電阻（Ω）；

t——焊接時(shí)間（s）。

焊接質(zhì)量可通過(guò)控制參數(shù)I、R、t來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中I、t可通過(guò)焊接控制器來(lái)設(shè)置；R主要由板件本身的材料特性及加壓力決定，可表示為R＝R1(材料本身電阻)+R2（工件接觸電阻），材料確定后，R1保持不變，R2隨接觸壓力變化關(guān)系可表示為

式中KC——與接觸材料、表面情況、接觸方式有關(guān)的系數(shù)，通常由試驗(yàn)得出；

F——接觸壓力（N）；

m——與接觸形式有關(guān)的系數(shù)，對(duì)點(diǎn)、線、面接觸分別取0.5、0.7、1。

由此可得出實(shí)際工件電阻焊焊接過(guò)程中產(chǎn)生的熱量計(jì)算式為

（2）點(diǎn)焊質(zhì)量影響因素 影響點(diǎn)焊焊接質(zhì)量的因素主要分為材料因素、設(shè)備因素、電極因素。

1）材料因素。影響點(diǎn)焊質(zhì)量的材料因素包括母材成分、鍍層種類、鍍層厚度、鋼板厚度等，一般衡量母材成分變化可將鋼鐵中各種合金元素折換成C當(dāng)量，C當(dāng)量越高，焊接越困難，C當(dāng)量值可簡(jiǎn)單換算為Ceq＝wC+wSi/30+wMn/20+2wP+4wS。當(dāng)C當(dāng)量較小時(shí)，不需要預(yù)熱（板厚太大時(shí)則需要預(yù)熱）。當(dāng)C當(dāng)量較大時(shí)，冷裂紋的敏感性將增大，焊接時(shí)一般需要預(yù)熱。不同鋼材C當(dāng)量值分布及斷裂形式如圖2所示。由圖2可看出，總體上高強(qiáng)鋼C當(dāng)量較大，隨著板材強(qiáng)度增加，C當(dāng)量增大。圖2中C當(dāng)量值分布位于紅線范圍內(nèi)的材料，焊接質(zhì)量相對(duì)較好實(shí)現(xiàn)，撕裂試驗(yàn)時(shí)能夠形成紐扣斷裂，反之超出范圍的材料則焊接困難，一般呈界面斷裂，難以形成紐扣。

圖2 不同鋼材C當(dāng)量值分布及斷裂形式

鍍層種類和厚度對(duì)點(diǎn)焊質(zhì)量產(chǎn)生影響，鋼板增加鍍層會(huì)導(dǎo)致焊接困難，焊接窗口變窄，所需電流更大。其中純鋅鍍層（GI）與鋅鐵合金鍍層（GA）相比，前者需要更高的焊接電流，但焊接窗口相比稍寬。在其他因素不變的情況下，鍍層越厚，焊接窗口越窄。鍍層變化對(duì)其焊接性能影響如圖3所示。

圖3 鍍層變化對(duì)焊接性能影響

2）設(shè)備因素。影響點(diǎn)焊質(zhì)量的設(shè)備因素主要指焊機(jī)、焊鉗。焊機(jī)一般有中頻直流及工頻交流，前者為三相均衡輸入，直流輸出，參數(shù)穩(wěn)定，頻率高達(dá)1000Hz，響應(yīng)速度1ms，次級(jí)電流輸出能力強(qiáng)，波形平直，熔核尺寸穩(wěn)定的范圍擴(kuò)大，幾乎不飛濺，且焊接初級(jí)階段電流呈自然遞增，焊點(diǎn)表面質(zhì)量好。焊鉗一般有氣動(dòng)焊鉗及伺服焊鉗。氣動(dòng)焊鉗的電極壓力由氣缸驅(qū)動(dòng)，無(wú)法得到精確控制和保證；伺服焊鉗使用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電極，從而能夠精確地控制電極壓力，實(shí)現(xiàn)軟接觸，消除沖擊變形，提高焊接質(zhì)量[2]。中頻直流、工頻交流、氣動(dòng)、伺服焊接技術(shù)對(duì)比如圖4所示。研究表明，中頻焊機(jī)+伺服焊鉗，可以有效解決高強(qiáng)鋼的焊接問題，提高焊接質(zhì)量，擴(kuò)展焊接性范圍，減少電極頭磨損。隨著輕質(zhì)高強(qiáng)鋼在車身上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，伺服焊槍和中頻直流焊機(jī)必將取代傳統(tǒng)的氣動(dòng)焊槍和工頻交流焊機(jī)，成為車身生產(chǎn)線上主要的焊接設(shè)備[2]。

圖4 技術(shù)對(duì)比

3）電極因素。影響點(diǎn)焊質(zhì)量的電極因素主要包括電極材料、電極端面形狀，實(shí)際焊接過(guò)程還與電極表面潔凈度及對(duì)中度有關(guān)。常用點(diǎn)焊電極材料分為三類，I類為高電阻率、中等硬度的銅及銅合金，如純銅、鋯鈮銅，適用于制作鋁及鋁合金的電極，也可用于鍍層鋼板的點(diǎn)焊，但性能不如II類。II類具有較高的電導(dǎo)率，硬度高于I類，如鉻銅、鉻鋯銅，是最通用的電極材料，廣泛地用于點(diǎn)焊低碳鋼、低合金鋼、不銹鋼及鍍層鋼等；III類為電阻率低于I類和II類、硬度高于II類的銅合金，如鈹鈷銅，適用于點(diǎn)焊不銹鋼和高溫合金等電阻率和高溫強(qiáng)度高的材料。另外，氧化鋁彌散強(qiáng)化銅電極（Cu-Al2O3）是一種新型的電極材料，強(qiáng)度較高，可以大大減輕電極的蘑菇狀變形，用于點(diǎn)焊鍍鋅鋼和普通碳素鋼，電極壽命可達(dá)II類電極的4～10倍，但成本較高。

3.2 高強(qiáng)鋼焊接工藝研究

（1）高強(qiáng)鋼焊接難點(diǎn) 高強(qiáng)鋼的顯著特點(diǎn)是強(qiáng)度高、C當(dāng)量大，其焊接相對(duì)普通鋼主要存在以下難點(diǎn)。

1）高強(qiáng)鋼焊接窗口比軟鋼窄，圖5所示為同板厚普通鋼與高強(qiáng)鋼的焊接窗口對(duì)比。

圖5 普通鋼與高強(qiáng)鋼焊接窗口

2）高強(qiáng)鋼強(qiáng)度高需要更大的電極壓力，焊鉗選型時(shí)應(yīng)確保其最大輸出壓力。

3）高強(qiáng)鋼成形后回彈大，回彈引起的裝配間隙會(huì)給點(diǎn)焊帶來(lái)巨大的負(fù)面影響，調(diào)試過(guò)程需重點(diǎn)關(guān)注板件搭接。

4）隨著母材強(qiáng)度升高，焊點(diǎn)強(qiáng)度增加，界面斷裂傾向也隨之增加，焊點(diǎn)難以形成紐扣，但即使界面斷裂仍具有良好的承載能力。

5）高強(qiáng)鋼焊接區(qū)硬度高，但1000MPa以上可能出現(xiàn)熱影響區(qū)軟化現(xiàn)象。

對(duì)于高強(qiáng)鋼焊接而言，隨著鋼材強(qiáng)度的提高，母材、熱影響區(qū)、熔核硬度與強(qiáng)度均總體呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，當(dāng)強(qiáng)度超過(guò)一定值時(shí)，熱影響區(qū)硬度呈現(xiàn)低于母材硬度的趨勢(shì)，熱影響區(qū)發(fā)生軟化現(xiàn)象，如圖6所示。

圖6 高強(qiáng)鋼熱影響區(qū)軟化情況

（2）高強(qiáng)鋼焊接性能分析 試驗(yàn)過(guò)程以DP1180 高強(qiáng)鋼為例，分析其焊接性能，依據(jù)DP1180成分以及前文所述公式計(jì)算，其Ceq相對(duì)較高，位于圖2窗口的界面斷裂區(qū)域，難以形成紐扣。圖7所示為采用單脈沖焊接工藝形成的顯微組織結(jié)構(gòu)，焊接電流4.8kA，焊接時(shí)間360ms，電極壓力為4kN，電極為球形電極?？梢钥闯霭宀谋砻鎵汉圯^深，熔核位置鋼板間隙較大，焊接過(guò)程存在明顯裂紋，且裂紋貫穿塑性環(huán)進(jìn)入熔核內(nèi)部，容易發(fā)生界面斷裂。

圖7 單脈沖焊接工藝下的顯微組織結(jié)構(gòu)

采用多脈沖的焊接工藝，并研究不同回火電流、回火時(shí)間、電極形式下焊接質(zhì)量及焊接窗口，得到的顯微組織結(jié)構(gòu)如圖8所示。從圖8可看出，采用多脈沖焊接工藝，焊接裂紋相比單脈沖顯著改善，但未消除，且隨著回火電流增大，回火時(shí)間增長(zhǎng)，焊接裂紋有改善，但效果不明顯。采用平面電極形式替代球型電極，能夠顯著提高焊接質(zhì)量，焊接裂紋消失，無(wú)焊接壓痕。球形電極及平面電極的焊接窗口如圖9所示。由圖9可看出，采用平面電極或球形帶端面電極焊接，焊接窗口由1.0kA提高到2.8kA。

圖8 多脈沖焊接工藝下不同回火電流、回火時(shí)間、電極形式的顯微組織結(jié)構(gòu)

圖9 球形電極及平面電極的焊接窗口

（3）高強(qiáng)鋼焊接措施 依據(jù)高強(qiáng)鋼特性、焊接難點(diǎn)及相關(guān)分析，高強(qiáng)鋼相對(duì)于軟鋼點(diǎn)焊工藝制定原則如下：高強(qiáng)鋼適合小參數(shù)焊接；增加焊接時(shí)間，采用多脈沖，并根據(jù)材料的屈服強(qiáng)度不同提高電極壓力20%以上；增加電極工作面直徑，改變電極種類，采用球形帶端面電極或平面電極焊接?？紤]高強(qiáng)鋼實(shí)際焊接特點(diǎn)，尤其是Ceq高到一定情況下容易出現(xiàn)界面端面，難以形成紐扣，但此種情況下仍然具有良好的焊接強(qiáng)度，可考慮調(diào)整點(diǎn)焊質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，可接受熔核直徑減小，不以紐扣作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 熱成形鋼焊接工藝研究

熱成形鋼屬于高強(qiáng)鋼的一種，強(qiáng)度相對(duì)更高，一般強(qiáng)度＞1000MPa。熱成形鋼具有以下特點(diǎn)。

1）熱成形鋼點(diǎn)焊熱影響區(qū)存在明顯的軟化，在進(jìn)行熱成形鋼焊接時(shí)要預(yù)留足夠的搭接量，且焊核到零件邊部要保持足夠距離，否則零件受外力時(shí)易從熱影響區(qū)開裂；在保證接頭強(qiáng)度的情況下盡可能采用小的熱輸入，減少熱影響區(qū)寬度。

2）熱成形鋼點(diǎn)焊前，必須去除熱沖壓過(guò)程中形成的氧化皮，否則會(huì)嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量。

3）熱成形鋼強(qiáng)度非常高，需要更大的焊接壓力。

3.4 鍍鋅鋼焊接工藝研究

（1）鍍鋅鋼焊接難點(diǎn) 鍍鋅鋼的顯著特點(diǎn)是鋼板表面增加一層鋅鍍層，其焊接相對(duì)普通鋼主要存在以下難點(diǎn)。

1）焊接電流需增加：點(diǎn)焊時(shí)鋅層優(yōu)先熔合，接觸電阻降低；首先熔化的鍍層在電極壓力作用下被擠出焊接區(qū)，在熔核區(qū)外形成鋅環(huán)，增加焊接區(qū)接觸面積，使流經(jīng)焊接區(qū)的電流密度降低。

2）需要提高電極壓力：為了將熔化的鋅快速擠出焊接區(qū)，使基板和基板有效接觸，一般比冷板焊接時(shí)壓力提高20%～25%。

3）增加電極修磨頻次：鋅層易導(dǎo)致電極粘槍及合金化，導(dǎo)致接觸電阻大，電極發(fā)熱，保持電極端部形狀變差，因此需增加修磨頻次。

4）加強(qiáng)電極冷卻：粘鋅導(dǎo)致接觸電阻大，電極發(fā)熱，需降低電極溫度，減少電極變形。

5）焊接窗口變窄：形成熔核所需電流升高，較冷軋板更易發(fā)生飛濺，導(dǎo)致焊接窗口比冷軋板窄。鍍鋅鋼焊接電極頭表面粘鋅情況及鍍鋅板的焊接窗口如圖10所示。由圖10可知，鍍鋅鋼相比普通鋼的焊接窗口縮窄一半以上[3]。

圖10 鍍鋅鋼焊接電極頭表面粘鋅情況及鍍鋅板的焊接窗口

（2）鍍鋅鋼焊接性能分析

1）電極壓力對(duì)鍍鋅板焊接的影響。選擇DC56+ZF鍍鋅板，板厚0.7mm，弧面電極，研究其焊接窗口。試驗(yàn)驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)，隨著電極壓力的增大，可焊電流的范圍增大，同時(shí)由于電極壓力增大，使焊接區(qū)接觸面積增大，電流密度減小，所需最小焊接電流提高，如圖11所示。另外，電極壓力增大后，熔核直徑變大，可減少縮孔，但同時(shí)壓力增大會(huì)導(dǎo)致電極磨損加速，同時(shí)電極壓力增加也受到焊鉗、電極強(qiáng)度的限制，因此應(yīng)合理選擇鍍鋅鋼焊接所需壓力，同時(shí)適當(dāng)提高焊接電流。

圖11 電極壓力對(duì)鍍鋅鋼焊接趨勢(shì)

2）電極種類對(duì)鍍鋅鋼焊接的影響。針對(duì)電極對(duì)鍍鋅鋼焊接的影響，分別從電極頭端面形狀及材質(zhì)兩個(gè)方面進(jìn)行分析。

首先選擇DC53D+Z鍍鋅板，板厚0.8mm，分別采用球形電極和平面電極焊接（見表1）。由圖12可看出，球形電極焊接電流為8.4～11.1kA，平面電極焊接電流為12～12.9kA，球形電極具有更大的焊接窗口，同時(shí)可焊接的電流最小。

圖12 球形電極和平面電極鍍鋅鋼焊接窗口

表1 不同電極形狀焊接參數(shù)

其次選擇DP800鍍鋅鋼，板厚1.5mm，焊接壓力3.6kN，分別采用鉻鋯銅（CrZrCu）和氧化鋁彌散強(qiáng)化銅電極（Cu-Al2O3）焊接（見表2），研究其焊接窗口，如圖13所示。由圖13可看出，鉻鋯銅電極焊接窗口寬度1.3kA，氧化鋁彌散強(qiáng)化銅電極焊接窗口寬度2.9kA，由此得出采用氧化鋁彌散強(qiáng)化銅電極可顯著提高焊接范圍。同時(shí)氧化鋁彌散強(qiáng)化銅電極能夠顯著改善焊接過(guò)程中電極粘槍現(xiàn)象，提高電極使用壽命。

表2 鉻鋯銅和氧化鋁彌散強(qiáng)化銅電極焊接電流

圖13 鉻鋯銅和氧化鋁彌散強(qiáng)化銅電極焊接窗口

（3）鍍鋅鋼焊接措施 依據(jù)鍍鋅鋼特性、焊接難點(diǎn)及相關(guān)分析，鍍鋅鋼板相對(duì)于普通鋼板點(diǎn)焊工藝制定原則如下：點(diǎn)焊鍍鋅鋼時(shí)，應(yīng)比不帶鍍層的鋼板提高電流20%～30%，同時(shí)提高電極壓力20%，增大預(yù)壓時(shí)間10%，選擇多脈沖焊接工藝、圓弧面電極，在不考慮成本的情況下可選用彌散強(qiáng)化，增加電極修磨頻率，增強(qiáng)電極冷卻能力。連續(xù)生產(chǎn)時(shí)可選用有焊接電流步增功能的焊接電源控制器。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文圍繞高強(qiáng)鋼、熱成形鋼及鍍鋅鋼的材料特性、焊接難點(diǎn)，研究其焊接特性，并提出焊接工藝制定原則及措施，為后續(xù)項(xiàng)目中特種鋼材的應(yīng)用作指導(dǎo)。

綜上所述，特種鋼材焊接質(zhì)量保證從工藝上需要考慮以下幾方面。

1）工藝參數(shù)。優(yōu)選多脈沖焊接工藝，選擇合適的工藝參數(shù)。高強(qiáng)鋼焊接適合小參數(shù)，適當(dāng)加大焊接時(shí)間，尤其是強(qiáng)度超過(guò)800MPa的情況下；鍍鋅鋼焊接適合大參數(shù)，應(yīng)比不帶鍍層的鋼板提高焊接電流20%～30%；高強(qiáng)鋼、鍍鋅鋼焊接均應(yīng)根據(jù)材料強(qiáng)度及鍍層厚度提高電極壓力20%以上。

2）電極類別。高強(qiáng)鋼適合平面電極或球形帶端面電極，能夠保證板材貼合，改善焊接壓痕及熔核裂紋；鍍鋅鋼適合球形電極，能夠快速擠出板材表面鋅層，焊接窗口相比平面電極或球形帶端面電極更寬，同時(shí)應(yīng)增大修磨頻次，保證電極表面質(zhì)量，必要時(shí)可選擇氧化鋁彌散強(qiáng)化銅電極（Cu-Al2O3）焊接。

3）焊接設(shè)備。優(yōu)選中頻焊機(jī)+伺服焊鉗，可以穩(wěn)定輸出焊接電流及壓力，確保特種鋼材焊接質(zhì)量。