汽車板焊接性能研究

供稿|郭晶，趙廣東，劉明輝 / GUO Jing, ZHAO Guang-dong, LIU Ming-hui

電阻點(diǎn)焊焊接具有能量集中，變形小，成本低，操作簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化及自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、車輛制造等工業(yè)部門[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一輛普通汽車車身上平均有3000~5000個(gè)電阻點(diǎn)焊焊點(diǎn)[2]。

汽車板電阻點(diǎn)焊因其低成本、高效率的特點(diǎn)，仍是車身裝配中的主要工藝手段。焊接質(zhì)量的好壞一方面取決于材料的本身，另一方面取決于焊接參數(shù)的設(shè)置。焊接工藝參數(shù)窗口能夠降低因焊接質(zhì)量問(wèn)題帶來(lái)的成本與損失，提高生產(chǎn)效率。因此確定鋼板的焊接工藝參數(shù)窗口成為保障電阻點(diǎn)焊質(zhì)量的必要環(huán)節(jié)。

本鋼汽車板工程實(shí)驗(yàn)室的焊接性能研究剛剛起步，由于不具備檢測(cè)焊接工藝參數(shù)窗口的檢驗(yàn)條件及檢驗(yàn)設(shè)備，因此與東北大學(xué)合作，研究汽車板電阻點(diǎn)焊性能檢測(cè)方法及確定鋼板焊接工藝參數(shù)窗口。以本鋼厚度1.2 mm的B250P汽車鋼板為例，通過(guò)大量的焊接試驗(yàn)，獲得了良好焊接質(zhì)量的工藝參數(shù)窗口，并對(duì)電阻點(diǎn)焊進(jìn)行了性能測(cè)試和焊接電極頭使用壽命測(cè)試。

試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料選用本鋼生產(chǎn)的厚度1.2 mm的B250P冷軋鋼板，其化學(xué)成分見表1。

試驗(yàn)方法

按照通用GWS-5A標(biāo)準(zhǔn)，焊接試樣尺寸為50 mm×150 mm，焊前試樣表面應(yīng)清洗干凈。試驗(yàn)中要求最小焊點(diǎn)直徑為4.0 mm，采用16 mm×20 mm電極帽，應(yīng)用PanasonicYR單相交流電阻焊機(jī)，Panasonic YF-0201Z5電流測(cè)量和SMC AW40-04-2W壓力測(cè)量。

◆ 確定鋼板焊接工藝參數(shù)窗口

焊接工藝參數(shù)窗口由最小焊點(diǎn)直徑曲線和飛濺點(diǎn)曲線組成。最小焊點(diǎn)直徑曲線上包含A、B、C和D四個(gè)特征點(diǎn)，表示出現(xiàn)最小焊點(diǎn)直徑的焊接時(shí)間及焊接電流關(guān)系。四個(gè)焊接時(shí)間為分別為200，180，160和140 ms。調(diào)整電極頭處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，固定焊接時(shí)間200 ms，電流以100 mA遞增，進(jìn)行點(diǎn)焊試驗(yàn)，測(cè)量焊點(diǎn)直徑大于4 mm時(shí)，按照三點(diǎn)滿足條件原則，確定焊接工藝參數(shù)窗口的特征點(diǎn)A。同理依次確定B、C和D點(diǎn)。

飛濺點(diǎn)曲線包含了E、F、H和I四個(gè)特征點(diǎn)，表示出現(xiàn)首個(gè)飛濺點(diǎn)的焊接時(shí)間及焊接電流的關(guān)系。在D點(diǎn)焊接電流基礎(chǔ)上以200 mA遞增，確定特征點(diǎn)E。同理依次確定F、H和I點(diǎn)。

◆ 點(diǎn)焊接頭性能測(cè)試

點(diǎn)焊性能測(cè)試包括抗剪拉伸、十字拉伸、鑿檢測(cè)試、金相檢測(cè)和顯微硬度測(cè)試等。確定焊接工藝參數(shù)窗口后，在焊接窗口中的每一個(gè)特征點(diǎn)條件下進(jìn)行取樣，進(jìn)行焊接性能測(cè)試。

◆ 電極頭壽命評(píng)估

電極頭壽命評(píng)估試驗(yàn)選用焊接時(shí)間180 ms，焊接電流取最大焊接電流Imax減去200 mA，以30個(gè)/min的速度進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)中50個(gè)點(diǎn)為一組，直到500個(gè)點(diǎn)合格或者焊點(diǎn)直徑小于要求的最小直徑時(shí)停止試驗(yàn)。

表1 B250P冷軋鋼板的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))%

試驗(yàn)結(jié)果與分析

焊接工藝參數(shù)窗口

應(yīng)用上述方法，尋找最小焊點(diǎn)和飛濺點(diǎn)電流，各個(gè)焊接時(shí)間、焊接電流用坐標(biāo)的形式繪制在圖上，得出鋼種的焊接工藝參數(shù)窗口，見圖1。圖1中G1，G2點(diǎn)的焊接電流分別為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的F點(diǎn)焊接電流減去200 mA和H點(diǎn)焊接電流IH減去200 mA，依據(jù)通用GWS-5A標(biāo)準(zhǔn)，G1、G2點(diǎn)為焊接窗口的最佳焊接參數(shù)。

試驗(yàn)得到，在同等電極壓力下，5.1~5.5 kA到6.5~6.7 kA是B250P在此壓力下的適焊電流區(qū)間。不同焊接時(shí)間的焊接電流范圍。最大焊接時(shí)間的電流范圍是1.4 kA，最小焊接時(shí)間的電流范圍是1.2 kA。四個(gè)焊接時(shí)間的電流范圍均大于通用GWS-5A標(biāo)準(zhǔn)中要求的0.5 kA。

圖1 B250P焊接工藝參數(shù)窗口

焊點(diǎn)性能測(cè)試

◆ 十字拉伸試驗(yàn)

十字拉伸試驗(yàn)的結(jié)果見圖2，其中橫坐標(biāo)“1~8”分別表示A、B、C、D、E、F、H和I等八個(gè)特征點(diǎn)，縱坐標(biāo)黑色方點(diǎn)表示三個(gè)試樣的破壞力，圓點(diǎn)表示該特征點(diǎn)的平均破壞力，測(cè)試得出此鋼種的電阻點(diǎn)焊平均十字拉伸破壞力為6211.8 N。

圖2 各特征點(diǎn)的十字拉伸試驗(yàn)破壞力

◆ 抗剪拉伸試驗(yàn)

在每個(gè)特征點(diǎn)條件下選取三個(gè)試樣，并進(jìn)行抗剪拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見圖3，其中橫坐標(biāo)“1~8”分別表示A、B、C、D、E、F、H和I等八個(gè)特征點(diǎn)，縱坐標(biāo)黑色方點(diǎn)表示三個(gè)試樣的抗剪力，圓點(diǎn)表示該特征點(diǎn)的平均抗剪力，測(cè)試得出該鋼種的電阻點(diǎn)焊平均抗剪力為8331.7 N。從試驗(yàn)記錄的焊點(diǎn)斷裂方式看，A、B、C、D四個(gè)特征點(diǎn)大部分表現(xiàn)為焊核拔出，而E、F、H和I等則表現(xiàn)為界面斷裂。

◆ 鑿檢測(cè)試

在B、C兩個(gè)特征點(diǎn)條件下各取五個(gè)試樣，用專用雙頭鑿子在被檢焊點(diǎn)兩側(cè)插入，鑿子方向與被檢查焊點(diǎn)內(nèi)端平行，上下扳動(dòng)鑿子以檢查焊點(diǎn)是否松動(dòng)，鑿檢測(cè)試結(jié)果見表2。

◆ 焊點(diǎn)橫截面金相檢測(cè)

對(duì)每個(gè)特征點(diǎn)的焊點(diǎn)橫截面進(jìn)行金相檢測(cè)，測(cè)試得出焊點(diǎn)的減薄率見表3，焊點(diǎn)結(jié)合微觀照片見圖4。測(cè)試結(jié)果表明，焊核直徑均大于4 mm，并且在焊核中不存在間隙，焊點(diǎn)周圍沒有任何撕裂不圓滑的現(xiàn)象。焊點(diǎn)剪薄均未超過(guò)30%，因此滿足通用GWS-5A標(biāo)準(zhǔn)。

◆ 顯微硬度測(cè)量

用硬度計(jì)對(duì)焊點(diǎn)周圍進(jìn)行硬度測(cè)量，其測(cè)量條件為200 g負(fù)荷，整體顯微硬度分布測(cè)試圖見圖5。特征點(diǎn)的不同測(cè)試點(diǎn)的顯微硬度分布曲線見圖6，從圖中的測(cè)試結(jié)果可以看出，焊點(diǎn)的硬度遠(yuǎn)高于母材的硬度。熱影響區(qū)的硬度高于母材，但低于焊核中心的硬度。顯微硬度測(cè)試中未發(fā)現(xiàn)脆化點(diǎn)，因此滿足通用GWS-5A標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 各特征點(diǎn)的抗剪拉伸試驗(yàn)的抗剪力

表2 鑿檢測(cè)試結(jié)果

電極頭壽命測(cè)試

連續(xù)焊接的500個(gè)焊點(diǎn)，焊接開始和結(jié)束時(shí)，保持恒定的焊接壓力，電極保持充分水冷，每隔50個(gè)焊點(diǎn)，取樣，用顯微鏡測(cè)量形核直徑，圖7為試驗(yàn)過(guò)程中焊點(diǎn)形核直徑的變化。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在電極壽命測(cè)試過(guò)程中，500個(gè)焊點(diǎn)形核直徑均大于4.0 mm，滿足通用GWS-5A標(biāo)準(zhǔn)。

表3 不同參數(shù)下點(diǎn)焊接頭的減薄率

圖4 各個(gè)特征點(diǎn)的金相檢測(cè)結(jié)果

圖5 整體顯微硬度分布測(cè)試圖

結(jié)論

(1) 確定了汽車板電阻點(diǎn)焊的焊接工藝參數(shù)窗口的方法及焊接最佳工藝參數(shù)。

(2) 對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行了性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示此鋼種的電阻點(diǎn)焊平均十字拉伸破壞力為6211.8 N；平均抗剪力為8331.7 N；鑿點(diǎn)測(cè)試結(jié)果顯示基板變形，但是試樣焊點(diǎn)沒有分離；通過(guò)對(duì)焊點(diǎn)橫截面金相檢測(cè)，得到焊點(diǎn)直徑大于4 mm，且焊點(diǎn)剪薄率均小于30%；顯微硬度測(cè)試中未發(fā)現(xiàn)脆化點(diǎn)，滿足通用GWS-5A標(biāo)準(zhǔn)。

(3) 電極壽命測(cè)試中500個(gè)焊點(diǎn)形核直徑滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，焊核直徑均大于4.0 mm，通用GWS-5A標(biāo)準(zhǔn)。

(4) 研究本鋼汽車板焊接性能，能夠?yàn)橛脩籼峁┰囼?yàn)數(shù)據(jù)支持，從而降低因焊接質(zhì)量問(wèn)題帶來(lái)的成本與損失，提升了本鋼汽車板的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。

圖6 不同特征點(diǎn)的顯微硬度分布

圖7 電極頭壽命測(cè)試過(guò)程中焊點(diǎn)形核直徑的變化

[1] 趙熹華. 壓力焊. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2003

[2] 林忠欽, 胡敏. 轎車白車身點(diǎn)焊裝配過(guò)程有限元分析. 焊接學(xué)報(bào),2001, 22(1): 36