賈松青，張永強(qiáng)，劉興全，王 威

(首鋼技術(shù)研究院，北京 100043)

0 前言

低合金高強(qiáng)熱鍍鋅鋼板H340LAD+Z具有耐腐蝕性的同時(shí)具備優(yōu)良的沖壓性能，已經(jīng)成為汽車制造用鋼板的熱門材料［1－2］。由于電阻點(diǎn)焊具有生產(chǎn)效率高、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在汽車工業(yè)中廣泛采用，并將繼續(xù)成為汽車工業(yè)中鋼板的主要焊接方法［3］。熱鍍鋅鋼板的焊接一直是汽車制造領(lǐng)域的難點(diǎn)。試驗(yàn)著重對(duì)比兩種鋅層厚度條件下的可焊電流窗口、電極持久性以及焊接接頭金相組織，分析熱鍍鋅鋼板鋅層厚度對(duì)焊接質(zhì)量的影響。

1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用材料是首鋼順義冷軋公司生產(chǎn)的低合金高強(qiáng)熱鍍鋅鋼板H340LAD+Z，鋼板規(guī)格1.75 mm×40 mm×160 mm，A材料鋅層薄，B材料鋅層 厚。材料成分見表1，力學(xué)性能見表2。

表1 鋼板的化學(xué)成分及鋅層質(zhì)量

表2 鋼板的力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用的焊接設(shè)備是OBARA st31 IT85固定式中頻逆變點(diǎn)焊機(jī)，電極極頭材質(zhì)CrZrCu，極頭直徑6 mm。點(diǎn)焊接頭試樣焊接成型后，取點(diǎn)焊接頭的最大橫截面制備標(biāo)準(zhǔn)金相，金相試樣腐蝕試液為4%硝酸酒精溶，使用型號(hào)為Leica DMI5000M的金相顯微鏡觀察及照相設(shè)備采集顯微組織相片，并使用型號(hào)為Leica HXHXD－1000TM顯微硬度測試儀采集顯微硬度數(shù)據(jù)。同時(shí)使用抗剪試驗(yàn)設(shè)備的型號(hào)為Zwick－Z100。

2 試驗(yàn)方法

焊接試驗(yàn)的具體參數(shù)見表3，焊接后立刻撕裂焊點(diǎn)，觀察焊核大小。試驗(yàn)中所用到的可焊電流范圍下限為最小焊核直徑所對(duì)應(yīng)的電流，可焊電流范圍上限為焊接時(shí)產(chǎn)生飛濺的臨界電流。通過計(jì)算可知最小焊核直徑為5.3 mm。由于焊件表面狀態(tài)、電極表面狀態(tài)等有所差別，所得電流值有一定差別，但在一個(gè)較小范圍內(nèi)變化可視為合理。焊接過程中電極充分水冷。

當(dāng)極頭安裝好后，對(duì)試樣進(jìn)行焊接，以200 A為步長遞增，找到焊接工藝窗口的A點(diǎn)，按照三點(diǎn)滿足條件確定A點(diǎn)原則。焊接工藝窗口由最小焊點(diǎn)直徑曲線和飛濺曲線組成。最小焊點(diǎn)直徑曲線由三個(gè)不同焊接時(shí)間下的三個(gè)試樣確定的最小直徑所對(duì)應(yīng)的電流值組成，三個(gè)焊接時(shí)間在本測試中為:最大(1脈沖，525 ms)、中等(1脈沖，437 ms)、最小(1脈沖，350 ms)。飛濺曲線由這三個(gè)焊接時(shí)間下試驗(yàn)發(fā)生飛濺時(shí)所對(duì)應(yīng)的電流組成。尋找飛濺點(diǎn)時(shí)，電流以200 A為步長增長。

表3 焊接窗口試驗(yàn)參數(shù)表及結(jié)果

在350 ms焊接時(shí)間條件下，測試兩種材料持久性打點(diǎn)性能。持久性打點(diǎn)性能測試打點(diǎn)頻率30點(diǎn)/min，每隔200個(gè)點(diǎn)測量一次焊點(diǎn)直徑，如果焊點(diǎn)形核直徑大于5.3 mm，繼續(xù)進(jìn)行持久性打點(diǎn)性能測試。如果焊點(diǎn)形核直徑小于5.3 mm，則停止試驗(yàn)，持久性極限值按照最近一次合格的焊點(diǎn)數(shù)計(jì)算。當(dāng)累積測試?yán)鄯e達(dá)到1 000點(diǎn)時(shí)，停止試驗(yàn)。

表4 持久性打點(diǎn)性能測試及結(jié)果

3 結(jié)果和討論

3.1 焊接電流窗口

由結(jié)果可知，對(duì)應(yīng)350 ms、437 ms和525 ms三個(gè)焊接時(shí)間，材料A焊接電流窗口分別為3.3 kA、3.2 kA、3.1 kA，平均焊接電流窗口 3.2 kA。材料B 焊接電流窗口分別為 2.7 kA、2.6 kA、2.6 kA，平均焊接電流窗口2.6 kA。材料A的平均焊接電流窗口比材料B大0.6 kA，約23%。

兩種材料焊接電流窗口的對(duì)比如圖1所示?？梢钥闯觯?dāng)焊接時(shí)間由350 ms增大到525 ms后，焊接電流均有減小的趨勢，減小幅度300～500 A。其主要原因是焊接時(shí)間增大，注入能量增大，而焊點(diǎn)形核和飛濺所需的能量為定值，因此當(dāng)焊接時(shí)間增大后，相應(yīng)的焊點(diǎn)形核和飛濺的焊接電流應(yīng)減小。

圖1 A/B兩種材料焊接電流窗口對(duì)比

對(duì)比材料A與材料B的焊接電流窗口可以發(fā)現(xiàn)，材料B的焊接電流窗口較材料A發(fā)生左移，特別是飛濺曲線，兩者相差600～700 A，說明焊接材料B較材料A容易發(fā)生飛濺，其主要原因是材料B的鋅層厚度比較大，導(dǎo)致材料B的導(dǎo)熱性降低，大量的能量不能透過鋅層傳遞到基板材料中，當(dāng)能量積聚足夠大以后會(huì)破壞鋅層，將能量直接注入基板，導(dǎo)致基板過熱發(fā)生飛濺。而對(duì)于形核曲線，由于焊接電流較小，鋅層表面聚集的能量不大，當(dāng)鋅層被破壞后，注入基板的能量較少，對(duì)形核影響較小。由圖1可知，材料B的形核曲線比材料A的形核曲線小100～200 A。

3.2 組織性能分析

A/B兩種材料鋅層厚度對(duì)比如圖2所示。用掃描電鏡對(duì)比材料A與材料B鋅層截面可以發(fā)現(xiàn)，兩種材料鋅層與基體結(jié)合較好，鋅層結(jié)構(gòu)完整。材料A的鋅層厚度6.87 μm，材料B的鋅層厚度為9.33 μm，材料 A 比材料 B 的鋅層厚度小2.46 μm，約26%。對(duì)比材料A的焊接電流窗口比材料B的焊接窗口大23%可以發(fā)現(xiàn)，材料鋅層厚度增長的比例與材料焊接電流窗口成反比關(guān)系，鋅層厚度增大會(huì)導(dǎo)致焊接電流窗口減小。

圖2 A/B兩種材料鋅層厚度對(duì)比

在焊接時(shí)間350 ms的條件下，對(duì)比材料A與材料B焊接電流窗口上下限的組織(見圖3、圖4)，可以發(fā)現(xiàn)兩種材料的內(nèi)部組織無明顯變化，焊接電流窗口下限所對(duì)應(yīng)的焊點(diǎn)直徑約5.4 mm，焊接電流窗口上限所對(duì)應(yīng)的焊點(diǎn)直徑約7.5 mm。

圖3 A/B兩種材料焊接電流窗口下限對(duì)應(yīng)組織

3.3 力學(xué)性能分析

對(duì)圖4中的金相組織進(jìn)行顯微硬度測試，測量位置如圖5所示，從零點(diǎn)開始，沿實(shí)線每0.2 mm測量一個(gè)點(diǎn)，共進(jìn)行50個(gè)測量點(diǎn)，圖6為每個(gè)測量點(diǎn)所測得的顯微硬度值。母材組織的硬度平均值為100 HV，且隨著組織中貝氏體含量的增加，硬度也隨之增加，在焊縫內(nèi)部硬度達(dá)到最大。采用兩種材料焊接電流窗口上限值進(jìn)行試驗(yàn)，焊接完成后進(jìn)行抗剪拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表5。材料A抗剪拉伸最大值比材料B抗剪拉伸最大值小419 N，約2%，該差值在系統(tǒng)誤差范圍內(nèi)，可以認(rèn)為兩種材料的最大抗剪拉伸力相同。

圖4 A/B兩種材料焊接電流窗口上限對(duì)應(yīng)組織

圖5 焊點(diǎn)硬度位置測量示意

表5 A/B兩種材料焊點(diǎn)最大拉伸力

通過力學(xué)分析，對(duì)于鋅層不同的兩種材料，其焊接電流窗口上限所對(duì)應(yīng)的焊點(diǎn)力學(xué)性能無明顯差異，鋅層的變化不會(huì)影響到焊點(diǎn)力學(xué)性能。

3.4 持久性打點(diǎn)性能測試

A/B兩種材料持久性測試對(duì)比如圖8所示。對(duì)比兩種材料電極持久性打點(diǎn)性能可以發(fā)現(xiàn)，材料B由于鋅層比較厚，導(dǎo)致電極持久性測試點(diǎn)達(dá)到800點(diǎn)，再繼續(xù)進(jìn)行電極持久性打點(diǎn)性能測試，則焊點(diǎn)不能滿足最小焊點(diǎn)直徑要求。而材料A的電極持久性測試點(diǎn)可以達(dá)到測試的終止條件1 000點(diǎn)。其主要原因是，材料B表面鋅層厚度較大，在焊接時(shí)與電極頭接觸過程中，鋅層容易脫落黏粘在銅電極表面，導(dǎo)致銅電極磨損嚴(yán)重，與材料A情況相比較，表現(xiàn)的形式為電極頭直徑變大。同等條件下，電極頭直徑變大后，電流密度必然降低，導(dǎo)致電極持久性測試點(diǎn)的合格數(shù)量小于材料A。

圖6 焊縫硬度分布

通過對(duì)比可以看出，鋅層厚度較大時(shí)，對(duì)電極持久性打點(diǎn)測試影響較大，導(dǎo)致合格的測試點(diǎn)降低。

4 結(jié)論

(1)對(duì)于1.75 mm厚熱鍍鋅H340LAD+Z材料的電阻點(diǎn)焊接，鋅層厚度對(duì)焊接電流窗口影響較大。鋅層厚度降低26%，會(huì)使焊接電流窗口增大23%。鋅層厚度主要影響焊接電流窗口上限，對(duì)于焊接窗口電流下限影響較小。

(2)鋅層厚度的變化對(duì)于焊點(diǎn)熱影響區(qū)以及焊核的組織分布、顯微硬度、最大抗剪力等力學(xué)性能指標(biāo)影響不明顯。

(3)鋅層厚度大時(shí)，電極持久性打點(diǎn)測試合格點(diǎn)數(shù)降低。鋅層厚度大會(huì)加快電極的磨損，使電極持久性測試點(diǎn)由1 000點(diǎn)降為800點(diǎn)。

圖7 A/B兩種材料持久性測試對(duì)比

［1］楊思乾，張 勇，李京龍，等.TC3鈦合金的雙脈沖點(diǎn)焊試驗(yàn)研究［J］.新工藝·新技術(shù)·新設(shè)備，2002(11):45－48.

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