王鵬博，張永強(qiáng)，蔡 寧，余 洋，陳煒煊，李學(xué)濤

首鋼集團(tuán)有限公司技術(shù)研究院，北京 100043

0 前言

電阻點焊是目前汽車制造中主要連接方式之一，轎車車身結(jié)構(gòu)中薄板及中厚板片體零件的焊接通常由電阻點焊完成，約占車身總裝配90%的工作量，因此電阻點焊接頭性能的強(qiáng)度和工藝的穩(wěn)定性對整車綜合性能和安全穩(wěn)定性至關(guān)重要[1-3]。隨著汽車車身輕量化發(fā)展的需求，高強(qiáng)鋼提供了更高的極限強(qiáng)度和良好的延展性，越來越多地應(yīng)用于車身及結(jié)構(gòu)件制造，點焊接頭質(zhì)量已成為制約先進(jìn)高強(qiáng)鋼大規(guī)模應(yīng)用于汽車工業(yè)的技術(shù)難點[4]。

工頻焊機(jī)和中頻焊機(jī)是汽車主機(jī)廠目前使用較多的電阻點焊設(shè)備，工頻焊機(jī)具有成本低、可清理表面氧化物的優(yōu)點，但變壓器尺寸大；而中頻焊機(jī)具有響應(yīng)速度快、參數(shù)穩(wěn)定的優(yōu)點，但成本較高，主機(jī)廠面臨著兩種電流波形點焊設(shè)備選擇的問題。王鵬博等[5]人采用固定式中頻逆變電阻點焊機(jī)對2.2 mm板厚HR800CP復(fù)相高強(qiáng)鋼進(jìn)行焊接，研究該鋼種的可焊電流范圍、金相組織、焊點的力學(xué)性能和電極使用壽命評估。劉芯娟[6]比較了中頻逆變直流點焊系統(tǒng)與工頻交流電阻點焊系統(tǒng)，指出中頻點焊電源具有更好的焊接表現(xiàn)、焊接合格率、更輕巧的質(zhì)量和體積，是電阻焊的發(fā)展趨勢。朱振柏[7]針對中頻電阻點焊控制器日益復(fù)雜的功能需求，采用步增焊接電流和電極電壓的方法補(bǔ)償焊接過程中的電極磨損，以獲得良好、穩(wěn)定的焊接質(zhì)量。

隨著高強(qiáng)鋼在汽車上的應(yīng)用比例越來越高，提升高強(qiáng)鋼電阻點焊的性能是主機(jī)廠關(guān)心的問題，目前對比不同電流波形點焊設(shè)備焊接高強(qiáng)鋼的研究較少[8-12]。本文以CP780高強(qiáng)鍍鋅板為研究對象，使用工頻和中頻兩種不同電流波形焊機(jī)進(jìn)行點焊，研究焊接電流、通電時間和電極壓力對點焊接頭剪切力的影響，對比兩種電流波形焊機(jī)對點焊接頭性能的影響，為高強(qiáng)鋼電阻點焊的焊接設(shè)備和工藝選擇提供參考。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗材料為1.5 mm厚的CP780高強(qiáng)鋼鍍鋅板，尺寸為50 mm×150 mm鋼板的主要化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見表1、表2。母材金相組織如圖1所示，為鐵素體、馬氏體和貝氏體的混合組織。

表1 鋼板主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Main chemical composition of steel plate（wt.%）

表2 鋼板力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of steel plate

圖1 母材金相組織Fig.1 Metallographic structure of base metal

試驗設(shè)備采用OBARA DN-200型固定式工頻逆變點焊機(jī)和OBARA DB-220型固定式中頻逆變點焊機(jī)，如圖2所示，額定功率均為220 kVA，額定電壓均為380 V，冷卻水流量為20 L/min。所用電極材料端面為鉻鋯銅，端面直徑8 mm。

圖2 電阻點焊焊接設(shè)備Fig.2 Resistance spot welding equipment

1.2 試驗方法

接頭形式如圖3所示，搭接量為50 mm。焊接前使用丙酮溶液清理焊接區(qū)域表面，采用單因素法研究兩種焊機(jī)不同工藝參數(shù)對接頭性能的影響。根據(jù)前期試驗結(jié)果，在不發(fā)生飛濺且破壞模式均為拔核失效的前提下，工藝參數(shù)選取范圍為：焊接電流5 ～10 kA，焊接時間200 ～600 ms，電極壓力3 ～8 kN，在所選參數(shù)范圍內(nèi)使用兩種電流波形焊機(jī)所獲得接頭拉剪試驗力的數(shù)值最大的工藝參數(shù)即為最優(yōu)焊接工藝參數(shù)。

圖3 接頭形式示意Fig.3 Diagram of welded joint form

點焊完成后采用線切割方式截取接頭的最大橫截面制備金相試樣，經(jīng)鑲嵌、研磨、拋光后，用濃度為4%的硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕，使用Leica DMI 5000M型金相顯微鏡觀察焊點宏觀形貌，使用激光共聚焦顯微鏡觀察微觀組織。采用Leica HXD-1000TM型顯微硬度測試儀測定點焊接頭母材、熱影響區(qū)及熔核區(qū)的硬度，加載載荷200g，加載時間10 s，測試點間距400 μm。拉剪試驗在Zwick-Z50型拉伸機(jī)上進(jìn)行，夾頭運動速率為5 mm/min，測定點焊接頭的最大剪切強(qiáng)度。拉伸時為防止剪切拉伸試樣受力不在一條直線上，分別在試樣兩端墊等厚的鋼片以保證受力均勻。

2 分析與討論

2.1 焊接電流對接頭剪切性能的影響

在焊接時間400 ms、電極壓力5 kN、保持時間100 ms的條件下，研究焊接電流變化對焊點剪切性能的影響規(guī)律，具體工藝參數(shù)如表3所示。中頻焊機(jī)和工頻焊機(jī)平均電流為7 kA的電流波形如圖4所示。可以看出，當(dāng)焊接平均電流相同時，中頻焊機(jī)焊接電流的峰值幾乎等于輸出的平均電流，而工頻焊機(jī)焊接電流的峰值是平均電流的2倍左右；同時可以看出，中頻焊機(jī)沒有工頻焊機(jī)在加熱過程中的斷電現(xiàn)象，可提供連續(xù)加熱過程，改善了電阻焊接的焊接品質(zhì)。

表3 焊接工藝參數(shù)Table 3 Welding parameters

圖4 焊機(jī)電流波形Fig.4 Diagram of welding machine current waveform

點焊接頭剪切力隨電流而變化的規(guī)律如圖5所示。由圖可知，兩種焊機(jī)焊點最大剪切力均隨著焊接電流的增加逐漸增加，在焊接電流為5 ～8 kA時增長較快，當(dāng)焊接電流超過8 kA時，焊點最大剪切力緩慢增長，焊接電流為10 kA時，中頻焊機(jī)所焊焊點最大剪切力為28 245 N，工頻焊機(jī)所焊焊點最大剪切力為26 747.4 N，且中頻焊機(jī)的最大剪切力和熔核直徑始終大于工頻焊機(jī)。分析認(rèn)為，焊接電流決定了使金屬熔化、產(chǎn)生焊點所需熱量，焊接電流較小時，形成的熔核直徑較小，因而焊點的承載面積變小，導(dǎo)致剪切力較??；隨著焊接電流的增大，焊接熱輸入增大，金屬充分熔合，形成的焊點直徑增大，所以焊點的最大剪切力變大。當(dāng)焊點直徑增大到一定值時，焊點長大受到限制，因此最大剪切力增長緩慢。

圖5 焊接電流對剪切性能和熔核直徑的影響Fig.5 Effect of welding current on shear properties and nugget diameter

2.2 焊接時間對接頭剪切性能的影響

在焊接電流為7 kA、電極壓力為5 kN、保持時間為100 ms的條件下，研究焊接時間變化對焊點剪切性能的影響規(guī)律，具體工藝參數(shù)如表4所示。

表4 焊接工藝參數(shù)Table 4 Welding parameters

點焊接頭剪切力、熔核直徑隨焊接時間而變化的規(guī)律如圖6所示。由圖可知，焊點最大剪切力、熔核直徑隨著焊接時間的增加逐漸增加，當(dāng)焊接時間為600 ms時，中頻焊機(jī)最大剪切力為22 669 N，工頻焊機(jī)最大剪切力為18 139.6 N。分析認(rèn)為，焊接時間也是通過影響焊接熱輸入來影響焊接質(zhì)量，焊接時間短，會導(dǎo)致熱量不足，形成的焊點直徑較小，接頭剪切力較低；隨著焊接時間的增加，焊點直徑增加，因此剪切力增加。

圖6 焊接時間對剪切性能和熔核直徑的影響Fig.6 Effect of welding time on shear properties and nug‐get diameter

2.3 電極壓力對接頭剪切性能的影響

在焊接電流7 kA、焊接時間400 ms、保持時間100 ms的條件下研究電極壓力變化對焊點剪切性能的影響規(guī)律，具體工藝參數(shù)如表5所示。

表5 焊接工藝參數(shù)Table 5 Welding parameters

點焊接頭剪切力、熔核直徑隨電極壓力變化而變化的規(guī)律如圖7所示。由圖可知，電極壓力對最大剪切力、熔核直徑的影響十分明顯，兩者均隨著電極壓力的增加而降低，當(dāng)電極壓力為3 000 N時，中頻焊機(jī)最大剪切力為22 647.3 N，工頻焊機(jī)最大剪切力為20 373.6 N。這是因為電極壓力增大，會導(dǎo)致接觸面積增大，降低焊接電流密度，從而降低焊接熱輸入；同時，也會使電極的冷卻作用增強(qiáng)，增加焊接熱量的損失。

圖7 焊接壓力對剪切性能和熔核直徑的影響Fig.7 Effect of welding pressure on shear properties and nugget diameter

比較焊點最大剪切力數(shù)值可知，中頻焊機(jī)和工頻焊機(jī)的最優(yōu)焊接工藝參數(shù)均為：焊接電流10 kA，焊接時間400 ms，電極壓力5 kN，中頻焊機(jī)焊點最大剪切力為28 245 N；工頻焊機(jī)焊點最大剪切力為26 747.4 N。

2.4 接頭金相組織

在最佳焊接工藝參數(shù)下獲得的點焊接頭宏觀組織照片如圖8所示，通電后，電極與板材界面上的溫度增加，在電極壓力的作用下板材產(chǎn)生塑性變形，產(chǎn)生壓痕。使用工頻焊機(jī)和中頻焊機(jī)焊接的點焊接頭均未出現(xiàn)縮孔、裂紋等缺陷，熔核區(qū)呈“橢圓”形，在相同焊接條件下，中頻焊機(jī)會形成更大的焊點，提供更大的承載面積。熔核區(qū)外側(cè)環(huán)繞其周圍顏色較淺部分為熱影響區(qū)，熱影響區(qū)外側(cè)相鄰顏色較深部分為母材區(qū)。

圖8 接頭宏觀組織照片F(xiàn)ig.8 Macrostructure of joint

中頻焊機(jī)焊點微觀組織照片如圖9所示。由于點焊冷卻速度遠(yuǎn)大于馬氏體轉(zhuǎn)變的臨界速度，因此熔核區(qū)會形成粗大的板條狀馬氏體[6]，呈柱狀晶形態(tài)?？拷酆说拇志^(qū)，受熱循環(huán)影響較大，高溫停留時間較長，奧氏體組織長大時間較長，形成的馬氏體組織粗大。遠(yuǎn)離熔核的細(xì)晶區(qū)形成的馬氏體組織較為細(xì)小，還有少部分鐵素體組織；不完全正火區(qū)組織為馬氏體和鐵素體，但是鐵素體含量較細(xì)晶區(qū)增多。

2.5 接頭顯微硬度

在最優(yōu)焊接工藝參數(shù)下，工頻焊機(jī)和中頻焊機(jī)所獲點焊接頭的顯微硬度分布如圖10所示。可以看出，顯微硬度分布規(guī)律基本一致，熔核區(qū)的顯微硬度在360 ～400 HV之間波動，中頻焊機(jī)焊點熔核區(qū)范圍略寬于工頻焊機(jī)，中頻焊機(jī)焊點熔核區(qū)硬度略低于工頻焊機(jī)，這是因為中頻焊機(jī)提供的熱輸入更高，降低了冷卻速度。由于在熔核區(qū)和熱影響區(qū)的馬氏體含量明顯提高，焊點熔核區(qū)和熱影響區(qū)的組織顯微硬度高于母材區(qū)。

圖10 焊點顯微硬度Fig.10 Microhardness of solder joint

3 結(jié)論

（1）在本試驗選擇的工藝參數(shù)范圍內(nèi)，中頻焊機(jī)最佳點焊工藝參數(shù)為：焊接電流10 kA，焊接時間400 ms，電極壓力5 kN。在最佳工藝條件下，最大剪切力可達(dá)28 245 N，優(yōu)于工頻焊機(jī)所得接頭。

（2）點焊接頭最大剪切力隨著焊接電流和焊接時間的增加而增加，隨著焊接壓力的增加而降低，在相同工藝參數(shù)下，中頻焊機(jī)焊點剪切力高于工頻焊機(jī)。

（3）焊點由熔核區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)組成，熔核區(qū)為粗大的板條狀馬氏體，呈柱狀晶形態(tài)。粗晶區(qū)馬氏體組織粗大，細(xì)晶區(qū)馬氏體組織較為細(xì)小，還有少部分鐵素體組織；不完全正火區(qū)組織為馬氏體、鐵素體，但是鐵素體含量較細(xì)晶區(qū)增多。

（4）工頻焊機(jī)和中頻焊機(jī)焊點顯微硬度分布規(guī)律基本一致，中頻焊機(jī)焊點熔核區(qū)范圍略寬于工頻焊機(jī)，中頻焊機(jī)焊點熔核區(qū)硬度略低于工頻焊機(jī)。