焊接參數(shù)對鍍鋅低碳鋼板點焊接頭抗剪切力的影響

王丙旭，張 宇，施澤平，Gary C.Barber，馮祖德

1.浙江理工大學(xué) 機械與自動控制學(xué)院，浙江 杭州 310018 2.奧克蘭大學(xué) 汽車摩擦學(xué)中心，羅徹斯特 48309，美國3.慧能焊接設(shè)備有限公司，廣東 東莞 523000

0 前言

鍍鋅是一種重要的鋼鐵防腐方法，通過對鋼板表面進行熱鍍鋅處理，形成致密的保護層可有效提高其抗腐蝕能力[1-5]。鍍鋅鋼板廣泛應(yīng)用于汽車車體、輪船隔艙板和電氣設(shè)備外殼等，通常采用電阻點焊連接[6-8]。在電阻點焊過程中，工藝參數(shù)如焊接電流、焊接時間和電極壓力等對焊接接頭質(zhì)量有著重要影響，而接頭質(zhì)量很大程度上決定了焊件的服役性能，一旦工藝參數(shù)不合理，很容易出現(xiàn)凹陷、裂紋和變形大等缺陷。

潘小強等[9]研究了焊接時間對低碳鋼點焊接頭微觀組織和抗剪切力的影響規(guī)律，結(jié)果表明熔核區(qū)內(nèi)的馬氏體尺寸隨焊接時間的延長逐漸增大，硬度下降，焊件的抗剪切力先增大后減小。王鵬博等[10]研究了鍍鋅CP780復(fù)相鋼的點焊電流工藝窗口以及焊接接頭的微觀組織和力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)焊接電流窗口為6.0～8.0 kA，最大焊接電流下點焊接頭的最大剪切力和正拉力分別為21.8 kN、10.56 kN，相比最小焊接電流分別提高了51.8%和38.0%。周磊磊等[11]研究了熱鍍鋅DP780鋼板電阻點焊性能并優(yōu)化了焊接工藝參數(shù)，結(jié)果表明熱鍍鋅DP780鋼板的點焊性能良好，但焊接工藝窗口較窄，點焊接頭組織為馬氏體和鐵素體，塑性較差。當前大多數(shù)研究針對焊接電流或焊接時間對點焊接頭組織和性能開展了相關(guān)研究，并沒有綜合分析各個焊接工藝參數(shù)對點焊接頭的影響程度。

文中以熱浸鍍鋅Q235低碳鋼板為研究對象，基于正交試驗法重點研究焊接電流、焊接時間和電極壓力對點焊接頭抗剪切力的影響規(guī)律，并分析了最佳焊接工藝參數(shù)下點焊接頭的微觀組織、硬度分布和抗剪切力，為熱浸鍍鋅低碳鋼板的實際應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料為熱浸鍍鋅Q235低碳鋼板，尺寸為120 mm（長）×35 mm（寬）×1 mm（厚），其化學(xué)成分如表1所示。鍍鋅層厚度約為8μm。母材微觀組織為鐵素體和少量珠光體，如圖1所示。

表1 低碳鋼Q235化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)，%）Table 1 Chemical composition of low carbon steel（wt.%）

圖1 低碳鋼的顯微組織Fig.1 Microstructure of low carbon steel

1.2 試驗設(shè)備

電阻點焊設(shè)備為MD-40中頻逆變點焊機，電極為直徑6 mm的鉻鋯銅平頭電極，如圖2所示。兩個鍍鋅低碳鋼板的搭接面尺寸為30 mm×35 mm，點焊位置為重疊部分的中心處，如圖3所示。通過線切割從焊件上切取金相試樣，打磨、拋光、腐蝕后，使用VM3000I倒置金相顯微鏡觀察點焊接頭熔核區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)的微觀組織；使用XHV-1000TCCD型維氏硬度計測量點焊接頭硬度分布，載荷為0.98 N，時間10 s；使用MINCEE 30 kN雙臂拉力試驗機測量點焊接頭的抗剪切力，位移速度5 mm/min，測得抗剪切力-位移曲線如圖4所示。

圖3 電阻點焊鍍鋅低碳鋼板試樣尺寸Fig.3 Dimension of resistance spot-welded galvanized low carbon steel sheets

圖4 抗剪切力-位移曲線Fig.4 Shearing strength-displacement curve

1.3 正交試驗

采用三因素三水平設(shè)計正交試驗方案，影響鍍鋅低碳鋼板點焊接頭抗剪切力的主要因素為焊接電流、焊接時間和電極壓力，每個因素設(shè)置三個水平，具體如表2所示。

表2 三因素三水平正交試驗Table 2 Orthogonal tests with three factors and three levels

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗

正交試驗結(jié)果如表3所示。1～7組熱浸鍍鋅鋼板試樣的抗剪切力較低，失效模式均為界面斷裂，如圖5a所示，這多是焊接工藝參數(shù)設(shè)置不當造成熔核較小且熔核內(nèi)缺陷較多，促使斷裂發(fā)生在界面處。8組、9組鍍鋅低碳鋼板試樣的抗剪切力均超過7 kN，失效模式為典型的紐扣斷裂，如圖5b所示，這是由于熔核區(qū)和熱影響區(qū)的強度和塑性較母材區(qū)差異較大，在剪切力作用下，熱影響區(qū)與母材區(qū)發(fā)生不同程度的塑性變形，形成應(yīng)力集中，從而造成裂紋的萌生和擴展。相比于界面斷裂試樣，紐扣斷裂試樣的抗剪切力更高，與賀地求[12]、鄭森[13]等人的研究結(jié)果一致。

表3 正交試驗結(jié)果Table 3 Results of orthogonal tests

圖5 電阻點焊鍍鋅低碳鋼板試樣剪切失效模式Fig.5 Failure mode of resistance spot-welded galvanized low carbon steel sheets

對正交試驗結(jié)果進行極值分析。Kj1、Kj2、Kj3分別表示不同因素三個水平下抗剪切力之和，分別表示不同因素三個水平下抗剪切力的平均值，R表示對應(yīng)的極差，按照式（1）進行計算

R值越大說明該因素對結(jié)果的影響越大。極值分析結(jié)果如表4所示，可以看出，焊接電流對點焊接頭抗剪切力的影響最大，對焊接時間和電極壓力的影響較小且基本相近。根據(jù)繪制抗剪切力相對因素水平的變化趨勢，如圖6所示，發(fā)現(xiàn)點焊接頭具有最高抗剪切力時的工藝參數(shù)為焊接電流13 kA、焊接時間80 ms、電極壓力4 kN。采用Minitab軟件對正交試驗結(jié)果進行方差分析，結(jié)果如表5所示，其中F值越大表示該因素對結(jié)果的影響越大，發(fā)現(xiàn)焊接電流對焊接接頭抗剪切力具有顯著影響，與極值分析結(jié)果一致。

表4 正交試驗極值分析Table 4 Range analysis of orthogonal tests

圖6 抗剪切力對因素水平變化趨勢Fig.6 Trend of shearing strength with factors and levels

表5 正交試驗方差分析Table 5 Variance analysis of orthogonal tests

為了驗證正交試驗結(jié)果，采用最佳焊接工藝參數(shù)制備鍍鋅低碳鋼板點焊試樣，測得點焊接頭的抗剪切力為8.637 kN，高于正交試驗中的9組試樣，如圖7所示。

圖7 不同焊接工藝參數(shù)下鍍鋅低碳鋼板點焊接頭抗剪切力Fig.7 Shearing strength of resistance spot-welded joints of galvanized low carbon steel sheets under various welding parameters

2.2 最佳焊接參數(shù)下的接頭微觀組織

最佳焊接工藝參數(shù)下獲得的鍍鋅低碳鋼板點焊接頭微觀全貌如圖8所示，由熔合區(qū)、熱影響區(qū)及母材區(qū)組成，其中熔合區(qū)呈橢圓形，淺色區(qū)為母材區(qū)，二者之間存在熱影響區(qū)。熔合區(qū)內(nèi)母材在電阻熱的作用下溫度逐漸升高直至完全熔化，凝固形核后晶粒呈有方向性的柱狀晶結(jié)構(gòu)生長，其方向垂直于熔合線（液-固相面），由于冷卻速度較快，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榇执蟮陌鍡l狀馬氏體組織。熱影響區(qū)所受電阻熱遠低于熔合區(qū)，故其組織只發(fā)生部分相變，同時存在馬氏體及鐵素體，由于溫度較低，晶粒較為細小且分布均勻，如圖9所示。

圖8 最佳焊接工藝參數(shù)下鍍鋅低碳鋼板點焊接頭微觀全貌Fig.8 Micro view of resistance spot-welded joint of galvanized low carbon steel sheets under optimal welding parameters

圖9 最佳工藝參數(shù)下鍍鋅低碳鋼板點焊接頭微觀組織Fig.9 Microstructure of resistance spot-welded joint of galvanized low carbon steel sheets under optimal welding parameters

2.3 最佳焊接工藝參數(shù)下的接頭顯微硬度分布

最佳焊接工藝參數(shù)下鍍鋅低碳鋼板點焊接頭顯微硬度分布如圖10所示。從母材區(qū)至熔合區(qū)硬度逐漸上升。熔合區(qū)內(nèi)為板條狀馬氏體，硬度約為320 HV；母材區(qū)內(nèi)以鐵素體為主，硬度較低，約為102 HV；熱影響區(qū)由于同時存在馬氏體和鐵素體，硬度介于熔合區(qū)和母材區(qū)之間，且越靠近熔合區(qū)，馬氏體含量越高，硬度越高。

圖10 最佳工藝參數(shù)下鍍鋅低碳鋼板點焊接頭顯微硬度分布Fig.10 Vickers hardness distribution of resistance spot-welded joint of galvanized low carbon steel sheets under optimal welding parameters

4 結(jié)論

（1）正交試驗中，紐扣斷裂試樣的抗剪切力高于界面斷裂試樣。通過對結(jié)果的極值和方差分析，發(fā)現(xiàn)焊接電流對點焊接頭抗剪切力影響最大，焊接時間和電極壓力影響較小，最佳焊接工藝參數(shù)是焊接電流13 kA、焊接時間80 ms和電極壓力4 kN。工藝驗證試驗結(jié)果與預(yù)測的最佳焊接工藝參數(shù)相吻合，點焊接頭的抗剪切力為8.637 kN，高于正交試驗中的9組試樣，但焊接參數(shù)對低碳鋼點焊接頭性能的影響機理仍需進一步研究。

（2）采用最佳焊接工藝參數(shù)制備的鍍鋅低碳鋼板焊接試樣的抗剪切力為8.637 kN，點焊接頭熔核區(qū)呈橢圓形，內(nèi)部組織為板條狀馬氏體，硬度約為320 HV，母材區(qū)組織以鐵素體為主，硬度約102 HV，熱影響區(qū)組織為馬氏體和鐵素體，硬度介于熔合區(qū)和母材區(qū)之間。