CP780復(fù)相高強(qiáng)鋼工頻與中頻電阻點(diǎn)焊接頭性能對(duì)比分析

王鵬博，張永強(qiáng)，蔡 寧，余 洋，陳煒煊，李學(xué)濤

首鋼集團(tuán)有限公司技術(shù)研究院，北京 100043

0 前言

電阻點(diǎn)焊是目前汽車制造中主要連接方式之一，轎車車身結(jié)構(gòu)中薄板及中厚板片體零件的焊接通常由電阻點(diǎn)焊完成，約占車身總裝配90%的工作量，因此電阻點(diǎn)焊接頭性能的強(qiáng)度和工藝的穩(wěn)定性對(duì)整車綜合性能和安全穩(wěn)定性至關(guān)重要[1-3]。隨著汽車車身輕量化發(fā)展的需求，高強(qiáng)鋼提供了更高的極限強(qiáng)度和良好的延展性，越來(lái)越多地應(yīng)用于車身及結(jié)構(gòu)件制造，點(diǎn)焊接頭質(zhì)量已成為制約先進(jìn)高強(qiáng)鋼大規(guī)模應(yīng)用于汽車工業(yè)的技術(shù)難點(diǎn)[4]。

工頻焊機(jī)和中頻焊機(jī)是汽車主機(jī)廠目前使用較多的電阻點(diǎn)焊設(shè)備，工頻焊機(jī)具有成本低、可清理表面氧化物的優(yōu)點(diǎn)，但變壓器尺寸大；而中頻焊機(jī)具有響應(yīng)速度快、參數(shù)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，但成本較高，主機(jī)廠面臨著兩種電流波形點(diǎn)焊設(shè)備選擇的問(wèn)題。王鵬博等[5]人采用固定式中頻逆變電阻點(diǎn)焊機(jī)對(duì)2.2 mm板厚HR800CP復(fù)相高強(qiáng)鋼進(jìn)行焊接，研究該鋼種的可焊電流范圍、金相組織、焊點(diǎn)的力學(xué)性能和電極使用壽命評(píng)估。劉芯娟[6]比較了中頻逆變直流點(diǎn)焊系統(tǒng)與工頻交流電阻點(diǎn)焊系統(tǒng)，指出中頻點(diǎn)焊電源具有更好的焊接表現(xiàn)、焊接合格率、更輕巧的質(zhì)量和體積，是電阻焊的發(fā)展趨勢(shì)。朱振柏[7]針對(duì)中頻電阻點(diǎn)焊控制器日益復(fù)雜的功能需求，采用步增焊接電流和電極電壓的方法補(bǔ)償焊接過(guò)程中的電極磨損，以獲得良好、穩(wěn)定的焊接質(zhì)量。

隨著高強(qiáng)鋼在汽車上的應(yīng)用比例越來(lái)越高，提升高強(qiáng)鋼電阻點(diǎn)焊的性能是主機(jī)廠關(guān)心的問(wèn)題，目前對(duì)比不同電流波形點(diǎn)焊設(shè)備焊接高強(qiáng)鋼的研究較少[8-12]。本文以CP780高強(qiáng)鍍鋅板為研究對(duì)象，使用工頻和中頻兩種不同電流波形焊機(jī)進(jìn)行點(diǎn)焊，研究焊接電流、通電時(shí)間和電極壓力對(duì)點(diǎn)焊接頭剪切力的影響，對(duì)比兩種電流波形焊機(jī)對(duì)點(diǎn)焊接頭性能的影響，為高強(qiáng)鋼電阻點(diǎn)焊的焊接設(shè)備和工藝選擇提供參考。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為1.5 mm厚的CP780高強(qiáng)鋼鍍鋅板，尺寸為50 mm×150 mm鋼板的主要化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見(jiàn)表1、表2。母材金相組織如圖1所示，為鐵素體、馬氏體和貝氏體的混合組織。

表1 鋼板主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Main chemical composition of steel plate（wt.%）

表2 鋼板力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of steel plate

圖1 母材金相組織Fig.1 Metallographic structure of base metal

試驗(yàn)設(shè)備采用OBARA DN-200型固定式工頻逆變點(diǎn)焊機(jī)和OBARA DB-220型固定式中頻逆變點(diǎn)焊機(jī)，如圖2所示，額定功率均為220 kVA，額定電壓均為380 V，冷卻水流量為20 L/min。所用電極材料端面為鉻鋯銅，端面直徑8 mm。

圖2 電阻點(diǎn)焊焊接設(shè)備Fig.2 Resistance spot welding equipment

1.2 試驗(yàn)方法

接頭形式如圖3所示，搭接量為50 mm。焊接前使用丙酮溶液清理焊接區(qū)域表面，采用單因素法研究?jī)煞N焊機(jī)不同工藝參數(shù)對(duì)接頭性能的影響。根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果，在不發(fā)生飛濺且破壞模式均為拔核失效的前提下，工藝參數(shù)選取范圍為：焊接電流5 ～10 kA，焊接時(shí)間200 ～600 ms，電極壓力3 ～8 kN，在所選參數(shù)范圍內(nèi)使用兩種電流波形焊機(jī)所獲得接頭拉剪試驗(yàn)力的數(shù)值最大的工藝參數(shù)即為最優(yōu)焊接工藝參數(shù)。

圖3 接頭形式示意Fig.3 Diagram of welded joint form

點(diǎn)焊完成后采用線切割方式截取接頭的最大橫截面制備金相試樣，經(jīng)鑲嵌、研磨、拋光后，用濃度為4%的硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕，使用Leica DMI 5000M型金相顯微鏡觀察焊點(diǎn)宏觀形貌，使用激光共聚焦顯微鏡觀察微觀組織。采用Leica HXD-1000TM型顯微硬度測(cè)試儀測(cè)定點(diǎn)焊接頭母材、熱影響區(qū)及熔核區(qū)的硬度，加載載荷200g，加載時(shí)間10 s，測(cè)試點(diǎn)間距400 μm。拉剪試驗(yàn)在Zwick-Z50型拉伸機(jī)上進(jìn)行，夾頭運(yùn)動(dòng)速率為5 mm/min，測(cè)定點(diǎn)焊接頭的最大剪切強(qiáng)度。拉伸時(shí)為防止剪切拉伸試樣受力不在一條直線上，分別在試樣兩端墊等厚的鋼片以保證受力均勻。

2 分析與討論

2.1 焊接電流對(duì)接頭剪切性能的影響

在焊接時(shí)間400 ms、電極壓力5 kN、保持時(shí)間100 ms的條件下，研究焊接電流變化對(duì)焊點(diǎn)剪切性能的影響規(guī)律，具體工藝參數(shù)如表3所示。中頻焊機(jī)和工頻焊機(jī)平均電流為7 kA的電流波形如圖4所示?？梢钥闯觯?dāng)焊接平均電流相同時(shí)，中頻焊機(jī)焊接電流的峰值幾乎等于輸出的平均電流，而工頻焊機(jī)焊接電流的峰值是平均電流的2倍左右；同時(shí)可以看出，中頻焊機(jī)沒(méi)有工頻焊機(jī)在加熱過(guò)程中的斷電現(xiàn)象，可提供連續(xù)加熱過(guò)程，改善了電阻焊接的焊接品質(zhì)。

表3 焊接工藝參數(shù)Table 3 Welding parameters

圖4 焊機(jī)電流波形Fig.4 Diagram of welding machine current waveform

點(diǎn)焊接頭剪切力隨電流而變化的規(guī)律如圖5所示。由圖可知，兩種焊機(jī)焊點(diǎn)最大剪切力均隨著焊接電流的增加逐漸增加，在焊接電流為5 ～8 kA時(shí)增長(zhǎng)較快，當(dāng)焊接電流超過(guò)8 kA時(shí)，焊點(diǎn)最大剪切力緩慢增長(zhǎng)，焊接電流為10 kA時(shí)，中頻焊機(jī)所焊焊點(diǎn)最大剪切力為28 245 N，工頻焊機(jī)所焊焊點(diǎn)最大剪切力為26 747.4 N，且中頻焊機(jī)的最大剪切力和熔核直徑始終大于工頻焊機(jī)。分析認(rèn)為，焊接電流決定了使金屬熔化、產(chǎn)生焊點(diǎn)所需熱量，焊接電流較小時(shí)，形成的熔核直徑較小，因而焊點(diǎn)的承載面積變小，導(dǎo)致剪切力較小；隨著焊接電流的增大，焊接熱輸入增大，金屬充分熔合，形成的焊點(diǎn)直徑增大，所以焊點(diǎn)的最大剪切力變大。當(dāng)焊點(diǎn)直徑增大到一定值時(shí)，焊點(diǎn)長(zhǎng)大受到限制，因此最大剪切力增長(zhǎng)緩慢。

圖5 焊接電流對(duì)剪切性能和熔核直徑的影響Fig.5 Effect of welding current on shear properties and nugget diameter

2.2 焊接時(shí)間對(duì)接頭剪切性能的影響

在焊接電流為7 kA、電極壓力為5 kN、保持時(shí)間為100 ms的條件下，研究焊接時(shí)間變化對(duì)焊點(diǎn)剪切性能的影響規(guī)律，具體工藝參數(shù)如表4所示。

表4 焊接工藝參數(shù)Table 4 Welding parameters

點(diǎn)焊接頭剪切力、熔核直徑隨焊接時(shí)間而變化的規(guī)律如圖6所示。由圖可知，焊點(diǎn)最大剪切力、熔核直徑隨著焊接時(shí)間的增加逐漸增加，當(dāng)焊接時(shí)間為600 ms時(shí)，中頻焊機(jī)最大剪切力為22 669 N，工頻焊機(jī)最大剪切力為18 139.6 N。分析認(rèn)為，焊接時(shí)間也是通過(guò)影響焊接熱輸入來(lái)影響焊接質(zhì)量，焊接時(shí)間短，會(huì)導(dǎo)致熱量不足，形成的焊點(diǎn)直徑較小，接頭剪切力較低；隨著焊接時(shí)間的增加，焊點(diǎn)直徑增加，因此剪切力增加。

圖6 焊接時(shí)間對(duì)剪切性能和熔核直徑的影響Fig.6 Effect of welding time on shear properties and nug‐get diameter

2.3 電極壓力對(duì)接頭剪切性能的影響

在焊接電流7 kA、焊接時(shí)間400 ms、保持時(shí)間100 ms的條件下研究電極壓力變化對(duì)焊點(diǎn)剪切性能的影響規(guī)律，具體工藝參數(shù)如表5所示。

表5 焊接工藝參數(shù)Table 5 Welding parameters

點(diǎn)焊接頭剪切力、熔核直徑隨電極壓力變化而變化的規(guī)律如圖7所示。由圖可知，電極壓力對(duì)最大剪切力、熔核直徑的影響十分明顯，兩者均隨著電極壓力的增加而降低，當(dāng)電極壓力為3 000 N時(shí)，中頻焊機(jī)最大剪切力為22 647.3 N，工頻焊機(jī)最大剪切力為20 373.6 N。這是因?yàn)殡姌O壓力增大，會(huì)導(dǎo)致接觸面積增大，降低焊接電流密度，從而降低焊接熱輸入；同時(shí)，也會(huì)使電極的冷卻作用增強(qiáng)，增加焊接熱量的損失。

圖7 焊接壓力對(duì)剪切性能和熔核直徑的影響Fig.7 Effect of welding pressure on shear properties and nugget diameter

比較焊點(diǎn)最大剪切力數(shù)值可知，中頻焊機(jī)和工頻焊機(jī)的最優(yōu)焊接工藝參數(shù)均為：焊接電流10 kA，焊接時(shí)間400 ms，電極壓力5 kN，中頻焊機(jī)焊點(diǎn)最大剪切力為28 245 N；工頻焊機(jī)焊點(diǎn)最大剪切力為26 747.4 N。

2.4 接頭金相組織

在最佳焊接工藝參數(shù)下獲得的點(diǎn)焊接頭宏觀組織照片如圖8所示，通電后，電極與板材界面上的溫度增加，在電極壓力的作用下板材產(chǎn)生塑性變形，產(chǎn)生壓痕。使用工頻焊機(jī)和中頻焊機(jī)焊接的點(diǎn)焊接頭均未出現(xiàn)縮孔、裂紋等缺陷，熔核區(qū)呈“橢圓”形，在相同焊接條件下，中頻焊機(jī)會(huì)形成更大的焊點(diǎn)，提供更大的承載面積。熔核區(qū)外側(cè)環(huán)繞其周圍顏色較淺部分為熱影響區(qū)，熱影響區(qū)外側(cè)相鄰顏色較深部分為母材區(qū)。

圖8 接頭宏觀組織照片F(xiàn)ig.8 Macrostructure of joint

中頻焊機(jī)焊點(diǎn)微觀組織照片如圖9所示。由于點(diǎn)焊冷卻速度遠(yuǎn)大于馬氏體轉(zhuǎn)變的臨界速度，因此熔核區(qū)會(huì)形成粗大的板條狀馬氏體[6]，呈柱狀晶形態(tài)?？拷酆说拇志^(qū)，受熱循環(huán)影響較大，高溫停留時(shí)間較長(zhǎng)，奧氏體組織長(zhǎng)大時(shí)間較長(zhǎng)，形成的馬氏體組織粗大。遠(yuǎn)離熔核的細(xì)晶區(qū)形成的馬氏體組織較為細(xì)小，還有少部分鐵素體組織；不完全正火區(qū)組織為馬氏體和鐵素體，但是鐵素體含量較細(xì)晶區(qū)增多。

2.5 接頭顯微硬度

在最優(yōu)焊接工藝參數(shù)下，工頻焊機(jī)和中頻焊機(jī)所獲點(diǎn)焊接頭的顯微硬度分布如圖10所示?？梢钥闯?，顯微硬度分布規(guī)律基本一致，熔核區(qū)的顯微硬度在360 ～400 HV之間波動(dòng)，中頻焊機(jī)焊點(diǎn)熔核區(qū)范圍略寬于工頻焊機(jī)，中頻焊機(jī)焊點(diǎn)熔核區(qū)硬度略低于工頻焊機(jī)，這是因?yàn)橹蓄l焊機(jī)提供的熱輸入更高，降低了冷卻速度。由于在熔核區(qū)和熱影響區(qū)的馬氏體含量明顯提高，焊點(diǎn)熔核區(qū)和熱影響區(qū)的組織顯微硬度高于母材區(qū)。

圖10 焊點(diǎn)顯微硬度Fig.10 Microhardness of solder joint

3 結(jié)論

（1）在本試驗(yàn)選擇的工藝參數(shù)范圍內(nèi)，中頻焊機(jī)最佳點(diǎn)焊工藝參數(shù)為：焊接電流10 kA，焊接時(shí)間400 ms，電極壓力5 kN。在最佳工藝條件下，最大剪切力可達(dá)28 245 N，優(yōu)于工頻焊機(jī)所得接頭。

（2）點(diǎn)焊接頭最大剪切力隨著焊接電流和焊接時(shí)間的增加而增加，隨著焊接壓力的增加而降低，在相同工藝參數(shù)下，中頻焊機(jī)焊點(diǎn)剪切力高于工頻焊機(jī)。

（3）焊點(diǎn)由熔核區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)組成，熔核區(qū)為粗大的板條狀馬氏體，呈柱狀晶形態(tài)。粗晶區(qū)馬氏體組織粗大，細(xì)晶區(qū)馬氏體組織較為細(xì)小，還有少部分鐵素體組織；不完全正火區(qū)組織為馬氏體、鐵素體，但是鐵素體含量較細(xì)晶區(qū)增多。

（4）工頻焊機(jī)和中頻焊機(jī)焊點(diǎn)顯微硬度分布規(guī)律基本一致，中頻焊機(jī)焊點(diǎn)熔核區(qū)范圍略寬于工頻焊機(jī)，中頻焊機(jī)焊點(diǎn)熔核區(qū)硬度略低于工頻焊機(jī)。