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        CP780鍍鋅復(fù)相鋼板電阻點(diǎn)焊焊接特性

        2021-06-08 05:58:14王鵬博張永強(qiáng)鞠建斌伊日貴
        機(jī)械工程材料 2021年5期
        關(guān)鍵詞:熔核核區(qū)點(diǎn)焊

        王鵬博,張永強(qiáng),付 參,鞠建斌,伊日貴

        (首鋼集團(tuán)有限公司技術(shù)研究院,北京 100043)

        0 引 言

        汽車輕量化對節(jié)能減排具有重要意義,是現(xiàn)代汽車工業(yè)技術(shù)發(fā)展的方向。高強(qiáng)度鋼板能在保證汽車強(qiáng)度和安全性能的同時,降低燃油消耗和廢氣排放,是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的重要材料;但強(qiáng)度的提高會導(dǎo)致鋼板成形性能的降低。復(fù)相鋼是一種超高強(qiáng)度鋼,其顯微組織主要為鐵素體和貝氏體,同時包含少量的馬氏體、殘余奧氏體和珠光體;由于添加了少量的鈮、鈦、釩等元素,其晶粒細(xì)小,擁有更好的彎曲和拉伸翻邊、擴(kuò)孔性能,可用于制造具有復(fù)雜形狀的工件,如底盤懸掛件、B柱、保險杠、座椅滑軌等[1-3]。

        電阻點(diǎn)焊是汽車生產(chǎn)制造行業(yè)的重要連接工藝,通過將焊件裝配后壓緊在兩電極之間,利用電阻熱融化金屬形成焊點(diǎn)而實(shí)現(xiàn)連接,具有自動化程度高、生產(chǎn)效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì),每輛轎車車身的焊點(diǎn)數(shù)量在4 000~5 000點(diǎn),點(diǎn)焊接頭的質(zhì)量直接影響著整車的強(qiáng)度、安全和壽命,因此,點(diǎn)焊質(zhì)量要求很高[4-5]。作者對厚度為1.5 mm的CP780鍍鋅復(fù)相鋼板進(jìn)行電阻點(diǎn)焊試驗(yàn),研究了其焊接電流窗口以及接頭的顯微組織和力學(xué)性能,評估了點(diǎn)焊過程中電極的使用壽命,以為復(fù)相鋼板點(diǎn)焊質(zhì)量的提升提供參考。

        1 試樣制備與試驗(yàn)方法

        試驗(yàn)材料為CP780鍍鋅復(fù)相鋼板,鋼板厚度為1.5 mm,主要化學(xué)成分見表1;屈服強(qiáng)度不低于570 MPa,抗拉強(qiáng)度在780~920 MPa,斷后伸長率不低于10%。

        表1 CP780復(fù)相鋼的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

        采用線切割法在點(diǎn)焊接頭焊點(diǎn)最大橫截面處截取金相試樣,經(jīng)鑲嵌、研磨、拋光,用體積分?jǐn)?shù)4%的硝酸酒精溶液腐蝕后,采用Leica DMI5000M型光學(xué)顯微鏡觀察焊點(diǎn)宏觀形貌和顯微組織。使用HXD-1000TM型顯微硬度計(jì)測試維氏硬度,從一側(cè)母材經(jīng)過焊縫到另一側(cè)母材、每隔200 μm取點(diǎn)測試(如圖1所示),加載力為9.8 N,載荷保持時間10 s。

        圖1 顯微硬度測試位置示意

        參考文獻(xiàn)[7],采用Zwick-Z100型拉伸試驗(yàn)機(jī)測試焊點(diǎn)剪切性能和十字拉伸性能,拉伸速度為5 mm·min-1,剪切拉伸試樣和十字拉伸試樣尺寸如圖2所示,均分別在最小和最大焊接電流下點(diǎn)焊而成,各測5個平行試樣取平均值。

        圖2 剪切拉伸和十字拉伸試樣尺寸

        2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

        2.1 焊接電流窗口

        由圖3可知,在電極壓力4.5 kN、焊接時間380 ms、保持時間300 ms條件下,1.5 mm厚CP780復(fù)相鋼板點(diǎn)焊的最小焊接電流為6.0 kA,最大焊接電流為8.0 kA,焊接電流窗口為6.0~8.0 kA。

        圖3 CP780復(fù)相鋼板的焊接電流窗口

        2.2 顯微組織

        在焊接電流6.0~8.0 kA下,CP780復(fù)相鋼板點(diǎn)焊接頭熔核區(qū)呈橢圓形,環(huán)繞著熔核區(qū)的顏色較淺部分為熱影響區(qū),在熱影響區(qū)外側(cè)顏色較深部分為母材區(qū),如圖4所示。熔核區(qū)在電阻熱的作用下熔化,在冷卻過程中凝固結(jié)晶,組織由外向內(nèi)呈柱狀晶形式生長。

        圖4 CP780復(fù)相鋼板點(diǎn)焊接頭截面低倍形貌

        由圖5可見,在最小(6.0 kA)和最大(8.0 kA)焊接電流下,點(diǎn)焊接頭焊縫區(qū)組織均主要為板條狀馬氏體,熱影響區(qū)組織則主要由馬氏體和部分鐵素體組成。

        圖5 不同焊接電流下CP780復(fù)相鋼板點(diǎn)焊接頭的顯微組織

        2.3 硬度分布

        由圖6可以看出:在焊接電流6.0,8.0 kA下,點(diǎn)焊接頭熔核區(qū)的硬度分別約為430,420 HV,熱影響區(qū)均存在軟化點(diǎn);6.0 kA下熱影響區(qū)軟化點(diǎn)硬度在210~220 HV,8.0 kA下硬度約為200 HV。由于焊接電流較小時的熱輸入較小,焊點(diǎn)體積小、冷卻速率快,因此焊縫區(qū)和熱影響區(qū)硬度略大于焊接電流較大時的。

        圖6 不同焊接電流下CP780復(fù)相鋼板點(diǎn)焊接頭截面硬度分布

        2.4 力學(xué)性能

        由表2可以看出:8.0 kA焊接電流下焊點(diǎn)的最大剪切力和最大正拉力均高于6.0 kA焊接電流下的,分別提高了51.8%和38.0%;最大剪切力和最大正拉力測試值的標(biāo)準(zhǔn)偏差均較小,說明焊接工藝穩(wěn)定。

        表2 不同焊接電流點(diǎn)焊接頭的最大剪切力和最大正拉力

        焊接時間和焊接電流是影響電阻點(diǎn)焊熱輸入的重要因素。在焊接時間一定的條件下,焊接熱輸入隨焊接電流的增加而增大。熱輸入越大,熔核尺寸越大,焊點(diǎn)的承載面積越大,界面結(jié)合力越強(qiáng)。因此,焊接電流越大,焊點(diǎn)的最大剪切力和正拉力越大。最小焊接電流和最大焊接電流下十字點(diǎn)焊接頭的失效模式均為紐扣斷裂。十字拉伸試驗(yàn)后,接頭熔核部位一側(cè)拔出一個孔洞,另一側(cè)保留著完整的熔核,斷裂發(fā)生在熱影響區(qū)靠近母材的過渡區(qū)域,這說明接頭力學(xué)性能良好,熱影響區(qū)靠近母材的過渡區(qū)域是薄弱區(qū)域。

        2.5 電極壽命

        由圖7可以看出,在采用同一電極連續(xù)點(diǎn)焊過程中,熔核直徑呈現(xiàn)減小的變化趨勢。研究[8-9]表明,在高溫、高壓狀態(tài)下,電極端面會與鋼板表面的鋅層發(fā)生反應(yīng),形成Cu5Zn8合金層,引起電極端面材料剝落,降低電阻點(diǎn)焊時的電流密度和熱輸入。因此,熔核直徑隨著焊點(diǎn)數(shù)量的增加而降低。當(dāng)焊接2 000點(diǎn)時,電極端面的磨損非常嚴(yán)重,但熔核直徑為5.3 mm,仍大于臨界熔核直徑(4.9 mm),這說明電極的使用壽命超過2 000點(diǎn)。

        圖7 在焊接電流8.0 kA下采用同一電極連續(xù)點(diǎn)焊時熔核直徑和焊點(diǎn)數(shù)量的關(guān)系

        3 結(jié) 論

        (1)在電極壓力4.5 kN、焊接時間380 ms、保持時間300 ms條件下,1.5 mm厚CP780鍍鋅復(fù)相鋼板電阻點(diǎn)焊的焊接電流窗口為6.0~8.0 kA,最大和最小焊接電流下接頭焊縫組織均主要為板條狀馬氏體,熱影響區(qū)組織則主要由馬氏體和部分鐵素體組成。

        (2)最大和最小焊接電流下點(diǎn)焊接頭熔核區(qū)硬度高于熱影響區(qū)的,且熱影響區(qū)均存在軟化點(diǎn);最大焊接電流點(diǎn)焊接頭的最大剪切力和最大正拉力分別為21.80,10.56 kN,比最小焊接電流下分別提高了51.8%和38.0%。

        (3)在最大焊接電流下采用同一電極連續(xù)焊接2 000點(diǎn)后,熔核直徑依舊大于臨界熔核直徑,說明電極的使用壽命超過2 000點(diǎn)。

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