王若愚

(四川機電職業(yè)技術學院，四川 攀枝花 617000)

工藝參數(shù)對鍍鋁鋅鋼板點焊接頭質量與組織的研究

王若愚

(四川機電職業(yè)技術學院，四川 攀枝花 617000)

通過鍍鋁鋅鋼板點焊實驗，對十二組不同工藝參數(shù)下獲得的點焊接頭進行抗剪力實驗和金相分析，研究表明：當采用較小的焊接電流和較短的焊接時間，接頭熔合不良；焊接電流太大，焊接過程中飛濺很大，焊點表面壓痕深度超標，同時形成方向性很強的粗大柱狀晶；適當增加電極壓力，可使柱狀晶發(fā)生傾斜，方向性減弱。研究確定了0.8 mm厚鍍鋁鋅鋼板較佳的工藝參數(shù)為I＝8.5～9.0 kA，T＝14 cyc，F(xiàn)W＝2 400 N，用這組工藝參數(shù)焊接，點焊接頭抗剪力、熔核直徑均超過了《點焊焊接區(qū)的檢驗方法》標準中規(guī)定的A級要求，熔透率、焊點表面壓痕深度均能滿足質量要求。

鍍鋁鋅鋼板；點焊；宏觀金相；顯微組織

0 前言

鍍鋁鋅鋼板是一種新型鍍層鋼板，它的抗腐蝕性和抗熱氧化性與鍍鋅鋼板相比有更大的優(yōu)勢[1]，在汽車和家電等行業(yè)有著廣闊的應用前景[2]，因此研究鍍鋁鋅鋼板點焊十分必要。

1 實驗材料與設備

1.1 實驗材料

實驗材料板厚0.8mm，鍍鋁鋅層厚度20μ m，母材組織為鐵素體+少量珠光體。鍍鋁鋅板母材組織及鍍層如圖1所示，化學成分見表1[3]。

圖1 鍍鋁鋅板母材組織及鍍層

表1 0.8mm鍍鋁鋅鋼板母材的化學成分 ／%

對點焊接頭進行抗拉剪實驗，試件的幾何尺寸和加載方式參照國家標準中的車身裝焊工藝標準試樣要求確定[4]，試樣尺寸100 mm×30 mm。

1.2 實驗設備

采用DZ-63單相整流式直流點焊機，并用MM—315型焊接電流監(jiān)測儀監(jiān)測點焊過程中的焊接電流、焊接時間等，用INSTRON 5569實驗機進行接頭抗剪實驗，用MEF3大型臥式顯微鏡和Axiovert200MAT顯微鏡進行焊點金相組織觀察。

2 點焊實驗

2.1 實驗工藝參數(shù)

點焊主要工藝參數(shù)有焊接電流、電極壓力和焊接時間，按表2所示工藝參數(shù)進行實驗[3]。實驗中測試了12組工藝參數(shù)，12組試件預壓時間30 cyc，維持時間16 cyc，休止時間30 cyc。每組工藝參數(shù)焊接四個試件，三個試件用于拉剪實驗，一個用于金相檢驗。所有試件規(guī)格尺寸100 mm×30 mm×0.8 mm。拉剪試件長度方向搭接焊，搭接長度30 mm。

表2 實驗工藝參數(shù)

2.2 實驗過程和結果

抗剪力測試在INSTRON 5569實驗機上進行。實驗時加載速度要慢，對于點焊接頭，一般將實驗中出現(xiàn)的最大載荷作為接頭的抗剪力[4]。通過12組不同的實驗工藝參數(shù)，每組工藝參數(shù)焊接三個試件，測量每組工藝參數(shù)抗剪力，計算出每組參數(shù)抗剪力的平均值。

觀察斷裂后的接頭發(fā)現(xiàn)，試件1、4、7在焊點處斷裂，即焊點被撕開，其中試件1、7根本沒有熔合，從表3的實驗結果可知，抗剪力較小，其平均值分別為4.370 kN和4.238 kN；其余試件初始裂紋發(fā)生在靠近加載端一側的焊點邊緣處，起裂后基體鋼板逐漸被撕裂，而焊點不會被撕開。從表3抗剪力平均值可知，相應的抗剪力平均值均在5.0 kN以上。

表3 抗剪力平均值、熔核直徑、表面壓痕深度及熔透率

金相分析采用電火花線切割試樣，切割試樣時應考慮磨制后的試樣盡量位于焊點中心。磨制后對試樣進行拋光，然后采用硝酸酒精+4%苦味酸顯示。通過點焊接頭宏觀金相照片可直觀看出焊點熔合情況、熔核直徑、壓痕深度。同時能準確測量熔核直徑、表面壓痕深度等，還可了解焊點微觀特征，了解鍍層及點焊主要工藝參數(shù)對焊點熔核結晶形態(tài)的影響。試樣熔核直徑、熔核高度、表面壓痕深度用Axiovert200MAT顯微鏡測量。

3 接頭宏觀金相分析

12組點焊工藝參數(shù)焊后接頭宏觀金相照片如圖2所示。

從12組工藝參數(shù)點焊接頭宏觀照片可以看出：

(1)1#、4#、7#、8#四個工件熔核直徑偏小，其中1#、4#、7#三個工件的焊接電流均為7.0 kA，從宏觀看7.0kA焊接電流偏小。8#工件焊接電流為8.5kA，焊接時間8 cyc，從宏觀上看，不能保證0.8 mm的鍍鋁鋅板點焊質量。

(2)其余八個工件的熔合情況都不錯，但3#，5#、9#工件表面壓痕深度偏大，焊后變形較大。3#、9#工件焊接電流為10 kA，焊接過程中飛濺較大，所以10kA的電流點焊0.8 mm厚的鍍鋁鋅板偏大。5#焊接電流為8.5 kA，焊接時間為20 cyc，因焊接時間太長，工件表面壓痕深度偏大，焊后變形較大。

(3)12個工件中，綜合質量較好的是11#和12#。焊接電流分別為8.5 kA和9.0 kA，焊接時間14 cyc，電極壓力2 400 N。焊接電流8.5 kA和9.0 kA時，接頭抗剪力平均值分別為5.572 K和5.838 kN，大大超過JIS Z 3140-1978《點焊焊接區(qū)的檢驗方法》標準中規(guī)定的0.8 mm厚鋼板點焊接頭A級抗剪力平均值3.53 kN要求；熔核直徑分別為4.55 mm和5.85mm，大于標準規(guī)定的0.8mm厚鋼板點焊接頭A級熔核直徑平均值4.5 mm要求；熔透率分別為77.2%和79.9%，滿足點焊熔透率20%～80%的要求，表面壓痕深度分別為50 μ m和60 μ m，滿足點焊重要結構壓痕深度小于板厚10%的要求。

圖2 12組參數(shù)點焊接頭宏觀照片

4 焊點顯微金相組織與分析

4.1 焊點顯微金相組織

用研究級倒置顯微鏡對焊點進行金相分析，12組工藝參數(shù)焊點金相組織如圖3所示。

4.2 焊點結晶形態(tài)分析

12組實驗工藝參數(shù)不同，焊點熔核結晶形態(tài)也各有差異。有的熔核由方向性很強的粗大柱狀晶組成，有的柱狀晶方向不明顯，有的熔核中心還有少量等軸晶。但熔核在結合面上都有不同程度的分界線。結晶形態(tài)產(chǎn)生的原因及特點分析如下。

(1)柱狀晶的形成。

由于鍍鋁鋅鋼板表面鋁鋅層較軟且熔點低[5]，點焊時鋼板表面與電極貼合良好，且產(chǎn)生部分粘連，因此向電極方向的散熱很好，冷卻結晶時，晶體沿散熱相反的方向擇優(yōu)長大形成柱狀晶，其中垂直于電極表面方向長大速度最快，迅速優(yōu)先長入液體中。這些優(yōu)先長大的晶粒并排向液體中生長，側面受到彼此限制不能側向生長，只能沿散熱反方向生長，結果便形成柱狀晶。圖3中1#、2#、3#、6#工件都是明顯的柱狀晶。

(2)等軸晶形成過程。

隨著柱狀晶的發(fā)展，經(jīng)過散熱后熔核中心部分液態(tài)金屬溫度全部降至熔點以下，在液體金屬中雜質等因素的作用下，滿足形核對過冷度的要求時，剩余液體同時形核。此時散熱已失去方向性，晶核可以在液體中自由生長，在各個方向上的長大速度差不多，因而形成了等軸晶。由于點焊工藝參數(shù)不同，焊后冷卻速度不同，所以形成等軸晶多少不同。9#、11#、12#等工件熔核中有少量等軸晶。

圖3 12組實驗參數(shù)焊點金相組織

與柱狀晶相比，等軸晶各晶粒在長大時彼此交叉，枝杈間搭接牢固，裂紋不易擴展，不存在明顯的脆性界面，各晶粒的取向不相同，其性能也沒有方向性，所以等軸晶性能優(yōu)于柱狀晶。通過選擇合適的工藝參數(shù)，可得到部分等軸晶，以改善點焊性能。

4.3 主要工藝參數(shù)對鍍層殘留情況的影響

(1)電極壓力的影響。

圖3共12組金相組織照片中1#、2#、3#工件，由于電極壓力較小，焊接過程中結合面上的鍍層不能被完全擠出，殘留較多，在結合面上有較明顯的分界線。其余9個工件電極壓力增大，熔核在較高的壓力作用下，鍍層幾乎被擠出，結合面鍍層殘留較少，分界線已不明顯。

(2)焊接電流的影響。

通過觀察圖3可以發(fā)現(xiàn)，焊接電流較小時，結合面鍍層殘留較多，隨焊接電流增大，結合面鍍層殘留逐漸減少。

(3)焊接時間的影響。

為分析焊接時間對鍍層殘留情況的影響，選取焊接電流和電極壓力相同(I＝8.5 kA、FW＝2 400 N)，焊接時間8 cyc、14 cyc、20 cyc的10#、11#和5#分析。通過觀察發(fā)現(xiàn)，10#結合面上鍍層殘留最多，有明顯的分界線，其余兩個工件鍍層殘留很少。其原因是焊接時間增加，使熔核在斷電前能充分攪拌，在凝固時能將鍍層充分擠出。

4.4 點焊主要工藝參數(shù)對焊點結晶形態(tài)的影響

(1)電極壓力對結晶形態(tài)的影響。

圖3中1#、2#、3#工件，由于電極壓力較小，熔核柱狀晶幾乎垂直于工件表面(3#工件最明顯)。其余9個工件由于電極壓力增大，熔核柱狀晶在較高的壓力作用下，發(fā)生部分傾斜(如12#工件)，這說明增加電極壓力對改善鍍鋁鋅鋼板熔核結晶形態(tài)有一定作用。

(2)焊接電流對結晶形態(tài)的影響。

分析焊接電流對鍍鋁鋅鋼板焊點結晶形態(tài)的影響，選取焊接時間和焊接壓力完全相同(T＝14 cyc，F(xiàn)W＝2 400 N)，焊接電流分別為7.0 kA、8.5 kA、9.0 kA的三個工件(對應工件號分別為4#、11#、12#)進行分析，觀察熔核微觀形態(tài)?？砂l(fā)現(xiàn)焊接電流越大，柱狀晶越粗大，方向性越強，焊接電流越小，柱狀晶越小，方向性越弱。

(3)焊接時間對結晶形態(tài)的影響。

對焊接電流和電極壓力相同，焊接時間8 cyc、14 cyc、20 cyc的10#、11#和5#試件進行分析，觀察熔核的結晶形態(tài)，10#熔核幾乎全是柱狀晶，5#、11#在熔核中心有少量等軸晶。其原因是焊接時間越長，冷卻時接頭和熔核的上下與中間的溫度梯度較小，容易形成等軸晶，有利于改善接頭質量。

4.5 焊點顯微組織分析

通過對點焊接頭顯微組織分析，鍍鋁鋅板焊點組織為馬氏體+貝氏體+少量鐵素體+少量珠光體。盡管鍍鋁鋅板含碳量很低，但由于焊點在壓力作用下結晶，電極內有冷卻水，焊點冷卻速度極快，結果焊點和熱影響區(qū)形成了馬氏體+貝氏體組織，由于馬氏體和貝氏體的存在，焊點的強度大大提高。點焊中形成的是低碳板條狀馬氏體，這種馬氏體有較高的強度，同時又有良好的塑性和韌性。

5 電極使用壽命

5.1 鍍層對電極的污染

鍍鋁鋅鋼板點焊過程中，由于鍍層的熔點較低，與銅有較強的親和力，焊接過程中電極／工件界面處溫度較高，在電極壓力作用下，會發(fā)生鋅對銅合金電極端部的粘附，并且發(fā)生合金化作用，形成導電、導熱能力差、硬度低的Cu-Zn合金[6]。特別是焊接電流超過9.5kA時，鍍層對電極的污染嚴重。鍍層污染電極后，焊接過程中電極／工件界面的溫度更高，電極端部很快就變成蘑菇狀而變粗，降低了焊接電流密度，使焊點強度降低，甚至電極由于坑蝕作用而失效，大大降低電極的使用壽命。因此，電極被污染后要及時修整電極，否則就不能保證焊點質量。

5.2 影響電極使用壽命的因數(shù)

影響電極使用壽命的因數(shù)有電極材料、電極形狀、電極冷卻情況、焊接工藝參數(shù)等。

(1)電極材料。

鍍層鋼板的點焊研究中，電極材料是一個關注的焦點。國外鍍鋅板點焊用電極材料主要有Cu-Cr (0.8%Cr)、Cu-Zr(0.15%Zr)、Cu-Cr-Zr，以及含Al3O2粒子的彌散強化銅[7]。鍍鋁鋅鋼板點焊中，分別使用了Cu-Cr、Cu-Zr、Cu-Cr-Zr三種材料的電極，結果發(fā)現(xiàn)Cu-Cr-Zr電極使用壽命最長，正常使用能達到約500個焊點。

用電火花在Cu-Cr-Zr表面熔敷一層厚15～20 μ m的TiC，能使電極的使用壽命大大提高，采用合理的點焊工藝參數(shù)，能達到1 000個焊點以上。

(2)電極形狀。

常見的電極有截錐形、尖頭形和圓頂形。一般來講，圓頂形電極壽命最低，截錐形電極和尖頭形電極壽命相當。Rivett[8]在研究相同的電極材料不同的電極結構焊接1 mm厚的A1-Cu-Mg合金時發(fā)現(xiàn)，采用截錐形電極時電極的壽命(平均1 383焊點)是圓頂形電極壽命(平均400焊點)的3倍。本試驗采用電極端面直徑為φ 6.0 mm的截錐形電極。

(3)電極冷卻情況。

鍍層鋼板點焊過程中，電極表面溫度比普通鋼板點焊時顯著提高[9]。因此，對電極的冷卻十分重要，冷卻水流必須充分，保證電極接近室溫，這樣才能將電極與鍍層的合金反應減至最小，并防止因電極軟化而產(chǎn)生的凸起或電極脹大。鍍鋁鋅鋼板點焊中水流速度應大于3.78L／min，進水最高溫度不能超過30℃。

(4)工藝參數(shù)對電極壽命的影響。

點焊工藝參數(shù)對電極壽命的影響很大，正確選擇工藝參數(shù)是很重要的。焊接電流是點焊最重要的工藝參數(shù)，隨著焊接電流的增大，電極發(fā)熱大大增大，從而大大降低電極的壽命[10]。鍍鋁鋅鋼板點焊過程中，當焊接電流超過9.5 kA時，電極易與焊件粘在一起，焊點表面出現(xiàn)明顯的銅色，這樣會大大降低電極的使用壽命。所以鍍鋁鋅鋼板點焊電流一般不能超過9.5 kA。焊接時間對電極壽命的影響與焊接電流對電極壽命的影響類似，當其他焊接參數(shù)不變，增加焊接時間，電極的發(fā)熱量增加，從而降低電極的使用壽命。電極壓力主要影響焊接區(qū)電阻和電極的塑性變形量，電極壓力過小，焊接區(qū)電阻增大，其他焊接參數(shù)不變時，焊接區(qū)發(fā)熱量會增加，這必然會影響電極使用壽命；電極壓力過大，焊接中將增加焊件表面的壓痕和增大電極塑性變形的可能性。0.8 mm鍍鋁鋅鋼板焊接電流為8.5～9.0 kA，焊接時間14 cyc，電極壓力2 400 N時，電極的使用壽命可達1 000～1 200個焊點。

6 結論

(1)通過抗剪實驗和金相分析可確定0.8 mm厚鍍鋁鋅鋼板較佳的工藝參數(shù)焊接電流8.5～9.0 kA，焊接時間14 cyc，電極壓力2 400 N。

(2)通過點焊接頭宏觀金相照片可以直觀看出焊點熔合情況(熔核大小、焊點熔透情況、表面壓痕深度等)，當焊接電流偏小時易形成熔核直徑偏小或未熔合；焊接電流過大時，會造成熔透率太大，表面壓痕深度大，焊件變形大。

(3)鍍鋁鋅鋼板點焊時，焊接時間若較短，則熔核攪拌不充分，熔核結合面上存在著鋁鋅或鋁鋅鐵合金，焊后冷卻時，從靠近電極的熔核邊緣開始結晶，并以枝晶形式沿著與散熱相反的方向向核心中部生長，但由于熔核中部的鋁鋅或鋁鋅鐵合金熔點較低，在較高的溫度下熔核中心不會結晶，從而使枝晶生長充分，一直可延伸到上、下相碰為止，形成具有明顯方向性的柱狀晶形態(tài)，在熔核凝固的最后階段才將鋁鋅合金從熔核中擠出，并且還有微量鋁鋅殘留在熔核中，以至焊后熔核中心存在分界線。

(4)增加或減小焊接電流對改善鍍鋁鋅鋼板熔核結晶形態(tài)無明顯作用，增加焊接電流反而會使柱狀晶更粗大，方向性更強；增加焊接時間對改善鍍鋅鋼板點焊熔核結晶形態(tài)有一定的作用，能減弱結合面分界線，形成少量等軸晶；提高電極壓力對改善鍍鋅鋼板點焊熔核結晶形態(tài)有一定的作用，可使柱狀晶發(fā)生傾斜，方向性減弱。

(5)鍍鋁鋅鋼板點焊時熔核結晶以柱狀晶為主，無論采用怎樣的工藝參數(shù)匹配，在焊件結合面上都有不同程度的分界線。從改善鍍鋁鋅鋼板熔核微觀形態(tài)考慮，鍍鋁鋅鋼板點焊時應采用較長的焊接時間和較大的電極壓力并匹配合適的焊接電流。

(6)用電火花在電極端面直徑為φ 6.0 mm的截錐形電極Cu-Cr-Zr表面熔敷一層厚15～20 μ m的TiC，點焊工藝參數(shù)較佳時，電極壽命能達到1 000～1 200個焊點。

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[2]符寒光，吳建中.汽車用鍍鋅鋼板的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].鋼鐵研究，1998：？？

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Study on processing parameters'influence to the quality and microstructure of spot-welded joint for the Al-Zn alloy coated steel

WANG Ruo-yu
(Sichuan Electromechanical Institute of Vocation and Technology，Panzhihua 617000，China)

By the spot welding experiments of Al-Zn alloy coated steel，the metallographic analysis and the shear experiment have been carried out to the spot welding joints achieved by twelve group processing parameters.The result indicates that the joint is lack of fusion in lower welding current or shorter welding time；and too higher current can cause more splashing in welding，the overproof depth of indentation on spot weld，and the stronger directional rough columnar crystals；and enhancing welding force properly can make the columnar crystals leaning or directional weakly.It is defined that the more appropriate processing parameters for 0.8 mm Al-Zn alloy coated steel spot welding is I＝8.5～9.0 kA，T＝14 cyc，F(xiàn)W＝2 400 N，by the group processing parameter in welding，both the spot-welded joint's resisting shear and the nugget size are above A-level requirement in the standard of″Method of Inspection for Spot Weld″，and the penetration rate and the depth of indentation on spot weld meet the quality requirements.

Al-Zn alloy coated steel；spot welding；metallograph；microscopic structure

TG457.19

A

1001-2303(2011)05-0066-06

2011-02-22

王若愚(1970—)，男，四川資中人，講師，碩士，主要從事焊接理論及實踐教學方面的工作。