金泉軍

(奇瑞汽車股份有限公司 汽車工程研究院，安徽 蕪湖 241009)

焊接材料

靜音鋼板的焊接性能研究

金泉軍

(奇瑞汽車股份有限公司 汽車工程研究院，安徽 蕪湖 241009)

研究MSC公司研發(fā)的厚0.84 mm、1.14 mm的靜音鋼板與1.0 mm厚度的DC06的點(diǎn)焊工藝，對焊接接頭的組織與力學(xué)性能進(jìn)行分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，點(diǎn)焊后的焊核組織為貝氏體，熱影響區(qū)為鐵素體與少量的貝氏體組織，熔合區(qū)結(jié)合良好，由于熔核結(jié)合面上存在著鋅或鋅鐵合金，在靜音鋼板一側(cè)焊后熔核中心存在明顯的分界線；在焊接后接頭的顯微硬度分布中，靜音鋼板的硬度最低，焊核區(qū)硬度最高。同時對焊點(diǎn)進(jìn)行拉伸剪切實(shí)驗(yàn)，焊核處的強(qiáng)度明顯高于母材及熱影響區(qū)的強(qiáng)度。因此靜音鋼板的焊接接頭具有良好的強(qiáng)韌性。同時采用不同的焊接工藝參數(shù)，對焊接強(qiáng)度也有一定的影響。

點(diǎn)焊；靜音鋼板；DC06；貝氏體；組織；硬度；參數(shù)

0 前言

汽車振動和噪聲特性是影響汽車行駛舒適性的主要因素。隨著人們對汽車舒適性的要求不斷提高，對汽車減振降噪的研究越來越受到重視。根據(jù)汽車噪音對環(huán)境的影響[1-2]，可分為車外噪聲和車內(nèi)噪聲。車外噪聲是指汽車各部分噪聲輻射到車外空間的那部分噪聲，主要包括發(fā)動機(jī)噪聲、排氣噪聲、輪胎噪聲、制動噪聲和傳動系噪聲等。車內(nèi)噪聲的成因比較復(fù)雜，主要來源于兩個途徑：一類是固體聲傳播形成的，即車身壁板振動向車內(nèi)輻射出的噪聲在車內(nèi)經(jīng)反射、疊加形成車內(nèi)聲場；另一類是空氣聲傳播形成的，即車外噪聲由車身的縫隙漏聲或壁板透聲傳播至車內(nèi)，再經(jīng)反射、疊加形成車內(nèi)噪聲。噪聲控制方法[3-5]分為機(jī)械原理噪音控制和聲學(xué)原理噪聲控制兩種類型。機(jī)械原理噪聲控制措施有：改進(jìn)機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)、應(yīng)用新材料來降噪；聲學(xué)原理噪聲控制措施有：包括吸音、隔音、減震、密封等。隔音的實(shí)質(zhì)是盡量衰減從聲源輻射出的聲音，常用措施有隔音材料和隔音結(jié)構(gòu)。靜音鋼板就是根據(jù)以上要求針對不同零件隔音要求來設(shè)計(jì)開發(fā)的。靜音鋼板是采用高強(qiáng)度的粘彈性阻尼材料將傳統(tǒng)的鋼板粘結(jié)成類似“三明治”形式的復(fù)合鋼板(見圖1)，以達(dá)到吸音降噪的效果。并廣泛運(yùn)用于汽車行業(yè)(見圖2)。焊接是汽車行業(yè)中一項(xiàng)重要的工藝方法，新材料在應(yīng)用過程中，焊接性能的好壞直接影響整車性能。因此了解和掌握該鋼種在焊接工藝中的組織和性能的變化規(guī)律，尤其是掌握該材料對焊接熱作用的適應(yīng)能力，具有重大的工程意義。在此研究該新型材料的點(diǎn)焊的力學(xué)性能和組織特征，為新材料的應(yīng)用提供合理的焊接工藝參數(shù)。

圖1 靜音鋼板的結(jié)構(gòu)

圖2 靜音鋼板在汽車行業(yè)的運(yùn)用

1 實(shí)驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料采用MSC公司的0.84 mm、1.14 mm鋅層單面厚度為60 g／m2靜音鋼板以及寶鋼生產(chǎn)的1.0 mm／DC06冷軋鋼板材料。其中1.14 mm靜音鋼板材料的力學(xué)性能：R0.2≥150 MPa，Rm≥290 MPa，Elong≥42%，n≥0.26；0.84 mm靜音鋼板材料的力學(xué)性能：R0.2≥145 MPa，Rm≥277 MPa，Elong≥40%，n≥0.23；1.0 mm的寶鋼DC06冷軋鋼板材料的力學(xué)性能：R0.2≥170 MPa，Rm≥250 MPa，Elong≥40%，n≥0.18。其實(shí)驗(yàn)板DC06材料的化學(xué)成分范圍為：w(C)＝0.002%，w(Si)＝0.008%，w(Mn)＝0.15%，w(P)≤0.020%，w(S)≤0.020%，w(Alt)≥0.015%，w(Ti)≤0.02%。靜音鋼板材料的成分范圍：w(C)＝0.001%，w(Si)＝0.006%，w(P)≤0.010%，w(S)≤0.010%，w(Alt)≥0.03%，w(Ti)≥0.02%，w(Ni)≥0.01%。

2 實(shí)驗(yàn)方法

將實(shí)驗(yàn)鋼板按照DIN ISO 14273加工成0.84mm× 40 mm×100 mm、1.0 mm×40 mm×100 mm和1.14 mm× 40 mm×100 mm標(biāo)準(zhǔn)的剪切拉伸試樣。在100kVA中頻焊接變壓器配備伺服式焊槍的點(diǎn)焊機(jī)器人設(shè)備上(見圖3)進(jìn)行焊接，焊接試樣如圖4所示。焊接工藝參數(shù)決定焊接過程中金屬加熱及塑性變形的參數(shù)。脈沖點(diǎn)焊設(shè)備的基本工藝參數(shù)有焊接電流、焊接時間、焊接壓力、維持時間、加壓時間及電極端面尺寸等參數(shù)。在眾多參數(shù)中焊接電流是影響焊接熱量輸入的主要因素，輸入熱量與電流的平方成正比。在其他參數(shù)一定時，焊接區(qū)的電流密度應(yīng)有一個合理的上、下限。低于下限，能量過小不能形成焊核；高于上限，加熱速度過快會產(chǎn)生飛濺，降低焊點(diǎn)質(zhì)量。焊接時間對熔合尺寸的影響與焊接電流的影響基本類似，只是增減速度有所區(qū)別。因此，根據(jù)靜音鋼板及DC06材料的物理性能、焊件厚度及焊接表面質(zhì)量等要求選擇合理的工藝參數(shù)。在此主要通過調(diào)整焊接電流來觀察焊接性能的變化情況。工藝參數(shù)如表1所示。

用Neop hot23型光學(xué)顯微鏡觀察焊接接頭的金相組織，其DC06的腐蝕液體采用體積分?jǐn)?shù)為3%的硝酸酒精溶液，腐蝕時間10～20s，而靜音鋼板的腐蝕液體采用8%硝酸酒精溶液，腐蝕時間100～200 s。拉伸試驗(yàn)在WE230拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。接頭的顯微硬度測試采用HX2000型顯微硬度計(jì)，載荷4.9 N。

通過分析焊點(diǎn)的微觀特征和力學(xué)性能來討論點(diǎn)焊參數(shù)對焊點(diǎn)熔核結(jié)晶形態(tài)的影響。

表1 靜音鋼板焊接工藝參數(shù)

圖3 伺服式焊槍的點(diǎn)焊機(jī)器人

圖4 焊接試樣示意

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 焊接接頭組織

通過對點(diǎn)焊焊接接頭組織進(jìn)行分析，來評價焊接熔合情況。了解焊接工藝參數(shù)變化對焊點(diǎn)熔核微觀形態(tài)的影響。對點(diǎn)焊試樣進(jìn)行了金相試驗(yàn)，其熔核的結(jié)晶形態(tài)如圖5～圖9所示(圖5、圖6為焊點(diǎn)區(qū)域的宏觀金相組織，圖7a為DC06母材的微觀金相組織，圖7b為靜音鋼板磨去表面鋅層的金相組織，圖8為左右兩端靠近兩電極的母材熱影響區(qū)，圖9為焊核組織)。通過對圖5、圖6宏觀金相分析可以看出，熔合區(qū)域結(jié)合良好，熔合處無任何缺陷，但在熔核中心以及結(jié)合面上有明顯分界線。其原因是，焊接鍍鋅靜音鋼板時，熔核攪拌不充分，熔核結(jié)合面上存在著鋅或鋅鐵合金，焊后冷卻時，從靠近電極的熔核邊緣開始結(jié)晶，并以枝晶形式沿著與散熱相反的方向向核心中部生長，但由于熔核中部的鋅或鋅鐵合金熔點(diǎn)較低，在較高的溫度下熔核中心不會結(jié)晶，從而使枝晶生長充分，一直延伸到上、下相碰為止，形成具有明顯方向性的柱狀結(jié)晶形態(tài)，在熔核凝固的最后階段才把鋅從熔核中擠出，在焊接熔核區(qū)域殘留，因此在結(jié)合面上出現(xiàn)明顯的分界線。同時還有微量鋅仍殘留在熔核中，以致在焊后熔核中心存在明顯的分界線。

為了研究焊接電流對鍍鋅鋼板點(diǎn)焊熔核結(jié)晶形態(tài)的影響，按照上述典型焊接規(guī)范，在保持焊接時間和焊接壓力等參數(shù)不變的情況下，改變焊接電流進(jìn)行焊接，并觀察其熔核的微觀形態(tài)。圖5、圖6為靜音鋼板增加焊接電流后的點(diǎn)焊熔核結(jié)晶形態(tài)。由圖5c、圖5f、圖6c、圖6f可見，其柱狀晶比大電流時明顯減少，且方向性也減弱，但同時由于焊接電流較小，結(jié)合面上的鍍鋅層不能被完全擠出，所以在結(jié)合面上仍有較明顯的分界線。由于靜音鋼板中間夾有一層粘彈性阻尼材料，熔點(diǎn)較低，與母材的熔點(diǎn)相差較大，因此在焊點(diǎn)凝固過程中，容易在此形成較為明顯的分界線。同時發(fā)現(xiàn)熔合直徑隨著焊接電流的增加有明顯的增大趨勢，其最小焊核直徑與最大直徑變化量約為20%。由于DC06母材為鐵素體組織+少量珠光體(見圖7a)，靜音鋼板母材為鐵素體組織(見圖7b)，靜音鋼板焊點(diǎn)的一側(cè)區(qū)域熱影響區(qū)形成的組織(見圖8a)為鐵素體+少量的粒狀貝氏體，DC06一側(cè)區(qū)域形成的組織為鐵素體+粒狀貝氏體(見圖8b)；焊核區(qū)域形成(見圖9)為貝氏體組織。通過對組織及金相分析可以很明顯的發(fā)現(xiàn)，靜音鋼板與DC06焊接后，其熱影響區(qū)及焊核處產(chǎn)生了分布比較均勻、晶粒細(xì)小的粒狀貝氏體組織。由于貝氏體組織具有高強(qiáng)度、高韌性的組織，提高了強(qiáng)韌性。因此，熱影響區(qū)及焊核處的強(qiáng)韌性明顯高于基材。

圖5 1.0 mm／DC06+0.84 mm／QS焊接低倍金相檢測(11×)

圖6 1.0 mm／DC06+1.14 mm／QS焊接低倍金相檢測(11×)

3.2 焊接接頭力學(xué)性能

焊接接頭質(zhì)量的好壞最終反映在接頭強(qiáng)度上。而接頭強(qiáng)度主要取決于焊接尺寸、表面質(zhì)量及內(nèi)部質(zhì)量。點(diǎn)焊接頭強(qiáng)度一般用剪切力或正拉伸來評定。當(dāng)接頭上的內(nèi)部或外部缺陷均在規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)時，則接頭強(qiáng)度主要取決于焊點(diǎn)的幾何尺寸，即焊點(diǎn)的熔核直徑。而焊核尺寸差異性主要受焊接工藝參數(shù)的影響。評價不同點(diǎn)焊工藝參數(shù)對MSC與冷軋鋼板焊接力學(xué)性能的敏感性，也是此次研究的目的。

圖7 DCO6及靜音鋼板母材金相組織

圖8 DC06及靜音鋼板HAZ的金相組織

由圖10～圖13可以看出，點(diǎn)焊的焊接方法在此焊接工藝參數(shù)范圍內(nèi)具有良好的焊接力學(xué)性能，焊點(diǎn)熔核處的焊接強(qiáng)度明顯高于母材強(qiáng)度；同時在其他工藝條件不變的情況下，僅僅改變焊接電流，隨著焊接電流的增加，熔核直徑增加，拉剪載荷也增加，為上升曲線，其變化值均達(dá)到30%。但是隨著焊接電流增加，焊點(diǎn)強(qiáng)度及熔合直徑并非線性增加，因?yàn)楫?dāng)電流增加到一定值之后，表現(xiàn)為拉剪載荷趨于平穩(wěn)，此時再增加電流則熔核直徑和拉剪力都不會有大的變化，并有所下降。這是因?yàn)楫?dāng)電流過大時，熔核金屬過熱，易產(chǎn)生飛濺，使得熔核直徑下降，影響了焊接接頭的質(zhì)量。

圖9 DC06及靜音鋼板焊核金相組織

圖10 1.0 mm+0.84 mm的三組工藝參數(shù)剪切強(qiáng)度

圖11 1.0 mm+1.14 mm的三組工藝參數(shù)剪切強(qiáng)度

圖12 1.0 mm+0.84 mm的三組工藝參數(shù)熔核直徑

圖13 1.0 mm+1.14 mm的三組工藝參數(shù)熔核直徑

通過分析對比焊接電流參數(shù)下的焊接強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，靜音鋼板的焊接電流選擇范圍較大，有利于實(shí)際生產(chǎn)中焊接過程的控制及焊接工藝的調(diào)整。從圖10～圖13可以看出，在相同情況下，要獲得相同的熔核直徑和拉剪載荷，較薄的靜音鋼板所需的電流最小，隨著靜音鋼板厚度的增加，所需電流越來越大。

3.3 焊接接頭的顯微硬度分析

通過測量焊點(diǎn)顯微硬度，可以很直觀地發(fā)現(xiàn)母材、熱影響區(qū)及焊核之間的性能關(guān)系。靜音鋼板點(diǎn)焊接頭的顯微硬度分布如圖14、圖15所示。比較母材、熱影響區(qū)、焊縫金屬可以看出，焊核硬度最高，HAZ比母材的硬度高。從組織上看，焊接過程中，在熱影響區(qū)上產(chǎn)生了少量貝氏體組織，從而提高了強(qiáng)韌性，因此HAZ的硬度明顯高于基材。但是在靜音鋼板一側(cè)的焊點(diǎn)HAZ的硬度卻低于DC06一側(cè)的焊點(diǎn)HAZ的硬度，如圖16所示。一方面，靜音鋼板表面有一層鍍鋅層，而鋅較軟，在凝固過程中分布在焊核金屬內(nèi)，從而減小了HAZ及基體的硬度；另一方面，靜音鋼板中有一層粘彈性阻尼非金屬材料，在結(jié)晶后易于聚集在熔核結(jié)合面上，因此減小焊核的硬度。從靜音鋼板的厚度變化對硬度的影響分析可以直觀的看出，其厚度提高時，HAZ及焊核處的硬度有明顯提高。主要原因是，靜音鋼板厚度提高時，要達(dá)到良好的焊接接頭必須增加焊接電流，而電流過大會使鋅層更易蒸發(fā)，或成熔融狀態(tài)，在電極壓力的作用下，擠出熔核范圍，這使鋅層對焊接接頭質(zhì)量的影響相對減小，因此提高了HAZ及焊核硬度。

圖14 1.0 mm+0.84 mm的焊接硬度分布

圖15 1.0 mm+1.14 mm的焊接硬度分布

圖16 靜音鋼板硬度分布示意圖

同時熱影響區(qū)的硬度與基體組織相比顯微硬度明顯提高，說明靜音鋼板在焊接后熱影響區(qū)空冷后形成裂紋傾向較小，焊核及HAZ硬度明顯高于基材。

4 結(jié)論

(1)靜音鋼板與普通冷軋鋼板的點(diǎn)焊熔核結(jié)晶形態(tài)以方向性很強(qiáng)的柱狀晶為主，且結(jié)合面處有明顯的分界線，導(dǎo)致兩者點(diǎn)焊熔核結(jié)晶形態(tài)有明顯的分界線，主要原因是靜音鋼板點(diǎn)焊時攪拌不充分，鋅在凝固結(jié)晶最后階段才被全部或部分?jǐn)D出。(2)增加焊接電流對改善靜音鋼板點(diǎn)焊熔核結(jié)晶形態(tài)無明顯作用，反而會使柱狀晶更粗大、方向性更強(qiáng)。(3)在靜音鋼板焊接過程中，在焊接電流6～9 kA范圍內(nèi)，焊接時間為15cyc，焊接壓力230daN的工藝參數(shù)下，通過增加焊接電流，提高焊核直徑，從而改善焊接強(qiáng)度。(4)采用靜音鋼板的焊接接頭具有良好的強(qiáng)韌性。焊接后接頭的顯微硬度分布中，靜音鋼板的硬度最低，焊核的硬度最高，靜音鋼板一側(cè)的焊接熱影響區(qū)硬度明顯低于DC06一側(cè)焊接熱影響區(qū)的硬度。

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Research of weld ability of resistance spot welding on quite steel

JIN Quan-jun
(Automobile Engineering Research Institute，Chery Automobile CO.，LTD，Wuhu 241009，China)

Resistance spot welding of quiet steel plate with 0.84 mm and 1.14 mm and mild steel with 1.0 mm made by MSC has been investigated，the joint microstructure and mechanical properties of quiet steel plate and mild steel are studied.The results show that the microstructure of spot welded metal is bainite，microstructure in the heat-affected-zone is ferrite and a litter bainite，grains is good joining in bond area.Due to existence of Zn or Zn-Fe alloy on combining surface of the nugget，there is a remarkable boundary lying in the center of welding nugget that is on the side of quiet steel.Hardness in the quiet steel is the least in the hardness profile of the welded joint，while hardness of spot welded metal is the most.Shear tensile strength in the spot welded metal is better than strength of HAZ and base metal.So the welding joint of quite steel plate has good strength and toughness after spot welding.Welding strength is obviously affected by disparate welding technological parameters applied at the same time.

resistance spot welding；quiet steel；mild steel；bainite；microstructure；hardness；parameters

TG406

A

1001-2303(2011)09-0092-07

2010-06-24；

2011-03-20

金泉軍(1977—)，男，江西鷹潭人，碩士，工程師，主要從事汽車結(jié)構(gòu)鋼焊接模擬分析及新材料的焊接研究工作。