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0 前言

汽車的安全性能和車身輕量化是當(dāng)今世界汽車工業(yè)發(fā)展的潮流，因此熱成型板、高強(qiáng)度鍍鋅鋼板的使用越來(lái)越普遍，其焊接品質(zhì)備受青睞。在汽車白車身的焊接中，特別是三層/四層厚板的焊接及匹配間隙大的焊點(diǎn)，采用普通的焊接工藝難以獲得質(zhì)量?jī)?yōu)良的焊點(diǎn)，不僅影響生產(chǎn)效率，而且嚴(yán)重影響白車身的焊接質(zhì)量。若僅增加焊接電流或焊接時(shí)間，則可能造成焊接熱輸入過(guò)大，導(dǎo)致焊點(diǎn)過(guò)燒、飛濺大等焊接缺陷。針對(duì)上述問(wèn)題，根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)情況，對(duì)部分焊點(diǎn)采用了多脈沖焊接的點(diǎn)焊優(yōu)化試驗(yàn)，特別對(duì)厚板、三層/四層板焊接、間隙大的焊點(diǎn)，采用二次甚至三次通電點(diǎn)焊工藝，能夠形成合格的焊核，避免了焊核偏移至厚板，同時(shí)能夠獲得形貌美觀、飛濺毛刺少、焊接強(qiáng)度可靠等綜合性能良好的焊點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)汽車用熱成型板、高強(qiáng)度鍍鋅鋼板進(jìn)行了大量研究，采用增加預(yù)熱脈沖進(jìn)行點(diǎn)焊能夠很好地改善點(diǎn)焊接頭的質(zhì)量問(wèn)題[1]。上海交通大學(xué)的唐虹[2-3]等人充分研究了多層板點(diǎn)焊，認(rèn)為三層板焊核最初是橫向擴(kuò)展，然后才是縱向擴(kuò)展，容易形成一定的焊核偏移。徐松等人研究熱成型板點(diǎn)焊電流模式對(duì)點(diǎn)焊試樣斷裂點(diǎn)位置和中心偏析的影響，分析了焊接接頭軟化區(qū)中心偏析的原因[4]。本研究針對(duì)目前汽車車身常用的低碳鋼和熱成型鋼這種差強(qiáng)差厚鋼板的焊接存在的熔核偏移、焊點(diǎn)強(qiáng)度不合格，焊點(diǎn)壓痕過(guò)大、焊接飛濺嚴(yán)重、薄板變形嚴(yán)重的問(wèn)題，通過(guò)控制變量法設(shè)計(jì)工藝實(shí)驗(yàn)，利用金相分析、鑿測(cè)測(cè)試等多種手段，借助BOS6000焊接控制器本身采集焊接電阻時(shí)間曲線，研究制約差強(qiáng)差厚鋼板形成良好熔核的原因。通過(guò)設(shè)計(jì)特定的焊接工藝，使用3次脈沖電流的方法，獲得熔核尺寸、位置滿足要求，表面質(zhì)量良好的焊點(diǎn)。試驗(yàn)在車身實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)解決差強(qiáng)差厚鋼多層板焊接的方法進(jìn)行焊接穩(wěn)定性驗(yàn)證，結(jié)果顯示該焊接工藝方法能夠克服焊接接頭過(guò)熱、焊核偏移的影響，連續(xù)焊接出尺寸合格、表面整潔、無(wú)焊接缺陷的焊點(diǎn)。

1 試驗(yàn)方法及設(shè)備

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

試驗(yàn)基于某車型車身骨架三層板的點(diǎn)焊連接。板材為低碳鍍鋅鋼板和熱成型板，試驗(yàn)材料為上海寶鋼生產(chǎn)的普通低碳鋼冷軋鋼板，其中板a、c為鍍鋅板，牌號(hào)DC54D+Z100MB，板厚分別為0.8 mm和2mm，板b為高強(qiáng)度熱成型板，牌號(hào)22MnB5 AS150，厚度1 mm，材料化學(xué)成分如表1所示。采用KUkA機(jī)器人自動(dòng)點(diǎn)焊、During氣伺服點(diǎn)焊焊槍和BOS 6000控制器。采用Cr-Zr-Cu合金電極，電極型號(hào)21-58D-8246/1，外徑16 mm，焊接端面直徑6 mm，電極形狀如圖1所示；采用蔡司Axio Imager A2m金相顯微鏡，威爾遜UH250萬(wàn)用硬度試驗(yàn)機(jī)。點(diǎn)焊工藝參數(shù)如表2所示，預(yù)壓時(shí)間200 ms，維持時(shí)間200 ms。

表1 鍍鋅板和熱成型板材料成分%

圖1 電極頭示意

1.2 試驗(yàn)方法

考慮到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)狀態(tài)，在保持焊接過(guò)程熱輸入、預(yù)壓時(shí)間、預(yù)熱電流和預(yù)熱時(shí)間不變的條件下，通過(guò)改變點(diǎn)焊脈沖次數(shù)、焊接電流和時(shí)間參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，得出最佳的焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 點(diǎn)焊工藝參數(shù)

試驗(yàn)采用手動(dòng)焊槍，選取3種生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用的板材夾緊后施焊，焊接裝置如圖2所示。

圖2 多層板焊接試驗(yàn)設(shè)置

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 點(diǎn)焊表面和焊縫橫截面形貌

不同脈沖條件下的焊點(diǎn)表面形貌和橫截面形貌如圖3、圖4所示。

圖3 多層板焊接試樣焊點(diǎn)表面形貌

圖4 多層板焊接試樣橫截面形貌

圖3中1、2、3、4分別為采用一次脈沖、二次脈沖、三次脈沖以及僅采用預(yù)熱脈沖（本試驗(yàn)預(yù)熱脈沖不作為焊接脈沖次數(shù)）的焊點(diǎn)表面形貌?？梢钥闯?，隨著脈沖數(shù)的增加，薄板側(cè)焊點(diǎn)表面受熱痕跡變得明顯，說(shuō)明多脈沖條件下薄板一側(cè)的熱量大于單脈沖條件，而當(dāng)僅采用預(yù)熱脈沖時(shí)未形成有效焊核。圖4a為采用預(yù)熱+一次焊接脈沖，工藝參數(shù)為50 ms/6 kA預(yù)熱脈沖+450 ms/8.5 kA一次焊接，焊核已經(jīng)形成，但薄板一側(cè)焊核不足，整個(gè)焊核形狀不規(guī)則，焊核在板厚方向形狀過(guò)扁。圖4b為采用預(yù)熱+兩次焊接脈沖，工藝參數(shù)為50 ms/6 kA預(yù)熱脈沖+225 ms/8.5 kA兩次焊接脈沖（兩次焊接脈沖之間冷卻時(shí)間為10 ms），與圖4a相比，薄板側(cè)的焊核熔深明顯變大，焊核形貌呈較規(guī)則的橢圓形。圖4c為采用預(yù)熱+三次焊接脈沖，工藝參數(shù)為50ms/6 kA預(yù)熱脈沖+150 ms/8.5 kA三次焊接脈沖（中間兩次冷卻時(shí)間均為10ms），此時(shí)薄板側(cè)的焊核熔深更深，焊核形貌飽滿均勻，呈規(guī)則的橢圓形。由上述焊核成形區(qū)別可知，在總熱輸入不變的前提下，增加焊接脈沖數(shù)（總熱輸入為：焊接電流×焊接時(shí)間，總焊接時(shí)間保持不變但將其平均分成多次焊接脈沖來(lái)完成）能夠抑制焊核向厚板側(cè)偏移同時(shí)增加焊核熔深。圖4d為僅采用預(yù)熱階脈沖焊接，工藝參數(shù)為50 ms/6 kA，通過(guò)焊點(diǎn)橫截面實(shí)驗(yàn)可以看出，在預(yù)熱階段三層板未形成有效連接，僅中間熱成型板存在熱影響區(qū)。

2.2 金相組織及硬度分析

使用顯微鏡觀察圖4c試樣焊點(diǎn)橫截面金相組織，利用萬(wàn)能硬度機(jī)測(cè)量焊點(diǎn)橫截面硬度，試驗(yàn)結(jié)果如圖5、圖6所示。

鍍鋅板母材組織主要是鐵素體（見(jiàn)圖5d），熱成型板母材的組織為細(xì)小板條馬氏體組織（見(jiàn)圖5e），這是因?yàn)闊岢尚桶骞に囀窃诟邷叵滤苄猿尚秃罂焖倮鋮s形成，且母材中加入B等微量元素有助于高溫下的奧氏體化，通過(guò)模具控制冷卻速度保證晶粒從奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)化，從而保證材料的高強(qiáng)度和硬度[5]。圖5c為焊核與上板交界處金相組織，粗大的針狀馬氏體深入鐵素體一側(cè)，兩種組織分界線較為明顯，熱影響區(qū)寬度較窄，這是因?yàn)辄c(diǎn)焊過(guò)程中加熱集中且電極帽通過(guò)冷卻水循環(huán)冷卻，有效減小了焊接接頭熱影響區(qū)的大小。圖5a為焊點(diǎn)接頭處照片，焊核沿著下層板與熱成型板搭接面成樹(shù)枝狀生長(zhǎng)成針狀馬氏體組織。這是因?yàn)楹缚p區(qū)最高溫度Tm大于奧氏體化溫度，焊接過(guò)程中發(fā)生相變時(shí)由于高溫停留時(shí)間很短，只有部分鐵素體發(fā)生相變，因此鐵素體數(shù)量減少，馬氏體數(shù)量增多，且晶粒排列雜亂；而越靠近焊核，最高溫度越高，相變轉(zhuǎn)化越充分，鐵素體殘留越少，馬氏體晶粒越來(lái)越粗大，到焊核區(qū)便成為規(guī)則的板條馬氏體。尤其是到焊核中心區(qū)域時(shí)，高溫停留時(shí)間tm較長(zhǎng)，冷卻相對(duì)較慢，從奧氏體晶界的側(cè)面以板條狀向晶內(nèi)生長(zhǎng)成鎬牙狀的板條鐵素體，見(jiàn)圖5b、圖5c。

圖5 焊點(diǎn)橫截面金相照片

圖6 顯微硬度

從點(diǎn)焊接頭橫截面沿焊核中心線縱向的硬度分布（見(jiàn)圖6）可以看出，焊點(diǎn)接頭區(qū)橫截面最高顯微硬度為350HV，硬度最高點(diǎn)在焊核中心兩側(cè)區(qū)域，焊核區(qū)的硬度明顯高于焊核交界區(qū)，而熱成型板母材硬度最高，鍍鋅板母材顯微硬度最低。焊核區(qū)越靠近焊核中心，硬度越低，顯微硬度在300～350HV呈上下波動(dòng)狀。這是因?yàn)橄鄬?duì)于鍍鋅板，點(diǎn)焊接頭得到硬化，但相對(duì)于熱成型板，由于熱成型板本身組織為細(xì)小均勻的馬氏體組織，硬度、強(qiáng)度均很高，焊接過(guò)程經(jīng)過(guò)再次加熱冷卻后，點(diǎn)焊接頭馬氏體組織變得粗大且軟化。此外整個(gè)焊核區(qū)的組織硬度差別不大，但中心區(qū)焊核硬度略低于兩側(cè)，主要原因是焊核中心區(qū)熱量集中，冷卻速度慢，晶粒軟化程度大于焊核邊緣。

2.3 多脈沖焊接實(shí)際使用結(jié)果

車身骨架焊接由于大部分都是三層板點(diǎn)焊連接，且包含熱成型板材，采用一次焊接時(shí)需要大電流短時(shí)間硬規(guī)范來(lái)完成才能保證薄板一側(cè)焊核直徑符合要求。但通過(guò)長(zhǎng)期金相和鑿測(cè)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)這類點(diǎn)焊風(fēng)險(xiǎn)較高，薄板一側(cè)熔核過(guò)小或沒(méi)有熔合，且過(guò)大電流導(dǎo)致門框飛濺嚴(yán)重，既影響后道工藝和美觀，給整車強(qiáng)度帶來(lái)隱患，也增加了工廠監(jiān)控和返修成本。因此選取總拼A柱區(qū)域三層板焊點(diǎn)作為實(shí)際多脈沖生產(chǎn)試驗(yàn)點(diǎn)，以現(xiàn)場(chǎng)跟蹤飛濺效果，UIR監(jiān)控的飛濺率以及金相結(jié)構(gòu)作為依據(jù)判斷該工藝是否起到優(yōu)化作用。優(yōu)化前僅采用一次焊接脈沖，焊點(diǎn)表面飛濺嚴(yán)重，照片如圖7所示，需要人工100%打磨毛刺返工。優(yōu)化后采用三次脈沖參數(shù)，焊點(diǎn)表面平整無(wú)飛濺毛刺，照片如圖8所示。

圖7 采用一次焊接脈沖9.5 kA/300 ms照片

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)跟蹤統(tǒng)計(jì)，點(diǎn)焊毛刺消除，點(diǎn)焊飛濺率（見(jiàn)下文的焊縫冷卻曲線）由之前的30%降至10%，極大減輕了生產(chǎn)線員工的勞動(dòng)負(fù)荷，同時(shí)提升了生產(chǎn)線節(jié)拍。

2.4 UIR曲線分析

圖8 采用6 kA/50 ms預(yù)熱，8.5 kA/450 ms三次脈沖照片

Bos6000本身的UIR曲線具有監(jiān)控焊接過(guò)程中電阻隨時(shí)間變化的功能，同時(shí)該UIR曲線能夠根據(jù)電阻值的陡降判斷焊接過(guò)程是否產(chǎn)生飛濺。本次實(shí)驗(yàn)對(duì)單脈沖、雙脈沖、三次脈沖等模式下的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行曲線對(duì)比分析，采用三次脈沖焊接時(shí)的參數(shù)設(shè)置界面如圖9所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著脈沖數(shù)的增加，整個(gè)焊接過(guò)程電阻值逐漸減少，焊接曲線更加平滑。當(dāng)僅有一次脈沖時(shí)，在約120 ms出產(chǎn)生飛濺；當(dāng)有兩次脈沖時(shí)，約在200 ms產(chǎn)生飛濺但此時(shí)電阻陡降值較小，產(chǎn)生的飛濺??；當(dāng)采用三次脈沖時(shí)則沒(méi)有飛濺產(chǎn)生，如圖10所示。這是因?yàn)槎啻蚊}沖之間存在冷卻階段（冷卻時(shí)間10ms），在冷卻階段無(wú)電流作用而焊接壓力保持不變，塑性環(huán)持續(xù)增大而焊核保持不變，從而有效避免了因焊核持續(xù)增大超過(guò)塑性環(huán)帶來(lái)的焊接飛濺。由一次脈沖變?yōu)槎啻蚊}沖正是降低了焊核持續(xù)受熱增大的速度從而降低飛濺。

圖9 采用三次焊接脈沖的參數(shù)設(shè)置界面

3 結(jié)論

（1）采用多脈沖點(diǎn)焊工藝可以獲得無(wú)焊核偏移、焊點(diǎn)成形良好的點(diǎn)焊接頭，且能夠適用于實(shí)際車身制造工藝。

圖10 Bos6000電阻隨時(shí)間變化曲線

（2）包含熱成型板的三層板點(diǎn)焊焊核硬度高于鍍鋅板而低于熱成型板，焊核區(qū)晶粒組織為粗大馬氏體組織。

（3）通過(guò)UIR曲線發(fā)現(xiàn)，多脈沖點(diǎn)焊工藝能夠獲得穩(wěn)定的焊接過(guò)程，降低甚至消除多層板點(diǎn)焊飛濺。

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