牛月鵬，王世博

(1.河鋼集團(tuán)邯鋼公司 技術(shù)中心，河北 邯鄲 056015；2.珠海廣通汽車有限公司邯鄲分公司 工藝設(shè)備部，河北 邯鄲 056300)

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，汽車輕量化及汽車車身防腐已經(jīng)成為人們?nèi)找骊P(guān)注的問(wèn)題[1-3]。在保證汽車的強(qiáng)度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動(dòng)力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%；汽車整備質(zhì)量每減少100公斤，百公里油耗可降低0.3～0.6升。當(dāng)前，由于環(huán)保和節(jié)能的需要，汽車的輕量化已經(jīng)成為世界汽車發(fā)展的潮流。同時(shí)汽車車身腐蝕也是人們非常關(guān)注的話題，車身腐蝕可以分為外觀腐蝕、結(jié)構(gòu)腐蝕和穿孔腐蝕。其中，結(jié)構(gòu)腐蝕通常為車身結(jié)構(gòu)件發(fā)生腐蝕，直接影響汽車安全性和使用壽命。因此隨著汽車輕量化的發(fā)展及防腐性能的要求，高強(qiáng)度鍍鋅板在國(guó)內(nèi)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，尤其是雙相鋼鍍鋅板，它具有獨(dú)特的雙相組織，各項(xiàng)性能比較優(yōu)越，多用于汽車結(jié)構(gòu)件。但該級(jí)別鋼材強(qiáng)度高且有鍍鋅層附著，使其焊接工藝制定較為困難[4-6]。對(duì)此進(jìn)行深一步的研究和工藝探索。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為邯寶生產(chǎn)的HC420/780DPD+Z鍍鋅板材，厚度選取1.4 mm。

2 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)選用伏能士DeltaSpot逆變電阻焊機(jī)作為試驗(yàn)設(shè)備，該類點(diǎn)焊機(jī)具有熱輸入集中、穩(wěn)定、焊接電流小、焊接時(shí)間短、焊接效率高、質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，目前已逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的工頻式點(diǎn)焊機(jī)，成為國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)整車及零部件配套企業(yè)廣泛使用的焊接設(shè)備。其各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足本試驗(yàn)需求。采用φ8電極頭作為焊接工裝，試驗(yàn)中始終保持通水冷卻。

3 試驗(yàn)內(nèi)容及要求

點(diǎn)焊參數(shù)窗口試驗(yàn)：參照SMTC 5 111 003-2014標(biāo)準(zhǔn)，基于HC420/780DPD+Z鍍鋅板材厚度(1.4 mm)，采用如表1所示模式，其中電極壓力3.6 kN，在以上測(cè)試時(shí)間點(diǎn)條件下，進(jìn)行不同焊接電流的點(diǎn)焊試驗(yàn)，得到最佳的工藝參數(shù)窗口。

表1 焊接試驗(yàn)參數(shù)表

4 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

(1)點(diǎn)焊參數(shù)窗口試驗(yàn)

焊前采用印記法，確保電極頭對(duì)中良好，如圖1所示。

圖1 電極頭印記

(2)工藝參數(shù)摸索。在表1規(guī)定焊接工藝參數(shù)條件下，獲取焊點(diǎn)直徑隨焊接電流的變化規(guī)律(設(shè)定步長(zhǎng)值為0.1 kA)。若在某電流值條件下，連續(xù)3件試樣焊點(diǎn)直徑均滿足≥4.73 mm，即初步認(rèn)定此電流為對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)條件下的可焊電流區(qū)間左邊界點(diǎn)。確定左邊界點(diǎn)后，繼續(xù)增大焊接電流(步長(zhǎng)值：0.2 kA)，在首次發(fā)生飛濺后，以0.1 kA步長(zhǎng)降低電流，若某電流下連續(xù)3件試樣無(wú)飛濺，則認(rèn)定此電流即為可焊電流區(qū)間右邊界點(diǎn)，結(jié)合焊點(diǎn)鑿離后測(cè)定的焊點(diǎn)尺寸及拉伸試驗(yàn)結(jié)果對(duì)左邊界工藝點(diǎn)進(jìn)行修正，獲得焊接窗口如表2、圖2所示。

表2 焊接試驗(yàn)工藝參數(shù)參數(shù)表

圖2 HC420/780DPD+Z工藝參數(shù)窗口

(3)力學(xué)性能測(cè)試。針對(duì)A-F各點(diǎn)，進(jìn)行拉剪及十字拉伸試驗(yàn)。拉剪試驗(yàn)采用3個(gè)平行樣，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。十字拉伸試驗(yàn)采用3個(gè)垂直樣，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。拉剪試驗(yàn)及十字拉伸試驗(yàn)的數(shù)據(jù)對(duì)比如圖3所示。

圖3 拉剪、十字拉伸試驗(yàn)最大拉力柱狀圖

表3 拉剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄 單位：kN

表4 十字拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄 單位：kN

工藝參數(shù)的A～F六個(gè)特征點(diǎn)的拉剪試驗(yàn)結(jié)果顯示，左邊界平均拉伸力為15.11 kN，右邊界平均拉伸力為18.54 kN。經(jīng)過(guò)十字拉伸測(cè)試后，十字拉伸值均小于拉剪力的數(shù)值。

(4)鑿裂試驗(yàn)，對(duì) HC420/780DPD+Z鍍鋅板材在最低電流條件下焊點(diǎn)的結(jié)合情況作進(jìn)一步驗(yàn)證。方法為在 120 ms 時(shí)間點(diǎn)、3.6 kN 電極力、左邊界電流值條件下(即工藝點(diǎn)B)在試樣上焊三個(gè)點(diǎn)，共計(jì) 15 個(gè)焊點(diǎn)。對(duì)每個(gè)焊點(diǎn)進(jìn)行鑿裂，直至焊點(diǎn)根部，若鑿裂過(guò)程中焊點(diǎn)本身沒(méi)有發(fā)生任何脫落、開(kāi)裂等不良現(xiàn)象，則視為合格。齒鑿試驗(yàn)結(jié)果如表5、圖4所示。

圖4 齒鑿后試樣外觀

表5 HC420/780DPD+Z鍍鋅板材鑿裂試驗(yàn)結(jié)果

鑿裂至焊點(diǎn)根部部位前，僅母材發(fā)生變形，焊點(diǎn)未出現(xiàn)撕裂、脫落、開(kāi)裂等不良現(xiàn)象。

(5)焊點(diǎn)顯微組織觀測(cè)。板材在左右邊界電流值條件下得到的點(diǎn)焊試樣其熔核內(nèi)部無(wú)裂紋、縮孔等缺陷出現(xiàn)。通過(guò)觀察可以看到，A-C點(diǎn)均形成了有效熔核。作為左邊界熱輸入量低，從圖中可以看出，熔核部分的高度變化不大，壓痕減薄率較小，熔核寬度較窄，在焊點(diǎn)熔核尺寸上的變化較小。相比較左邊界三點(diǎn)，D-F右邊界的特征點(diǎn)熔核部分的尺寸明顯變大，熔核形成充分。此時(shí)熔核形狀細(xì)長(zhǎng)，兩板之間結(jié)合比較緊密。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。焊接壓痕深度及熔核直徑測(cè)試結(jié)果如表6所示，可以看出壓痕減薄率均不到3%(原始厚度按上下端2.80 mm計(jì))，且焊點(diǎn)周邊上下表面等部位也均未出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。

(a)A焊點(diǎn)橫斷面

(b)B焊點(diǎn)橫斷面

(c)C焊點(diǎn)橫斷面

(d)D焊點(diǎn)橫斷面

(e)E焊點(diǎn)橫斷面

(f)F焊點(diǎn)橫斷面圖5 板材可焊電流區(qū)間邊界點(diǎn)焊點(diǎn)金相組織

表6 板材電流左右邊界點(diǎn)熔核直徑焊點(diǎn)壓痕厚度測(cè)試結(jié)果

(6)熔核金相觀測(cè)。對(duì)各工藝點(diǎn)對(duì)應(yīng)焊點(diǎn)點(diǎn)熔核區(qū)域和熱影響區(qū)進(jìn)行金相觀察，如圖6所示，分析其組織形態(tài)。經(jīng)金相觀察，6個(gè)工藝點(diǎn)熔核位置均為馬氏體組織，且具有方向性，沿著散熱最快的方向即溫度梯度最高的方向，垂直于熔合線呈現(xiàn)出柱狀晶分布特征。熱影響區(qū)晶粒較為細(xì)化。近母材區(qū)位置晶粒細(xì)小，鐵素體組織也逐漸增加，母材與熱影響區(qū)交界有兩相區(qū)特征。

(b)焊點(diǎn)熱影響區(qū)金相圖6 焊點(diǎn)熔核及熱影響區(qū)金相照片

(7)硬度檢測(cè)。按照母材(I)→熱影響區(qū)(Ⅱ)→熔核(Ⅲ)→熱影響區(qū)→母材順序進(jìn)行顯微硬度試驗(yàn)，熱影響區(qū)打點(diǎn)間隔0.2 mm，熔核位置打點(diǎn)間隔0.5 mm，如圖7所示。

(a)焊點(diǎn)熔核金相

圖7 顯微硬度測(cè)試過(guò)程示意圖

如圖8所示，HC420/780DPD+Z焊點(diǎn)部位顯微硬度的變化規(guī)律一致，均為先逐漸增大，而后趨于穩(wěn)定，再逐漸降低。焊區(qū)內(nèi)未出現(xiàn)嚴(yán)重脆化點(diǎn)。母材區(qū)硬度值約為250 HV，熔核區(qū)顯微硬度值為400 HV。熱影響區(qū)的顯微硬度值從靠近母材區(qū)到熔核區(qū)依次逐漸增加；在電阻點(diǎn)焊過(guò)程中，靠近焊核區(qū)的峰值溫度較高，在點(diǎn)焊完成后，這部分區(qū)域形成馬氏體，因此具有較大硬度值。

(a)A點(diǎn) (b)B點(diǎn) (c)C點(diǎn)

(d)D點(diǎn) (e)E點(diǎn) (f)F點(diǎn)圖8 顯微硬度變化情況

(8)焊點(diǎn)一致性試驗(yàn)。取試樣規(guī)格為400 mm×125 mm，選用最佳焊接工藝參數(shù)進(jìn)行焊接，為確定經(jīng)50次焊接后，焊接頭性能是否滿足要求，采取測(cè)試焊點(diǎn)尺寸的方法，評(píng)價(jià)連續(xù)焊接條件下焊點(diǎn)質(zhì)量的一致性。

每10個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)為1組，計(jì)算平均值及上下誤差，結(jié)果如圖9所示。由圖9可見(jiàn)，隨著點(diǎn)焊的進(jìn)行，所對(duì)應(yīng)的焊點(diǎn)直徑在小范圍波動(dòng)，無(wú)明顯焊點(diǎn)減小趨勢(shì)，且均大于該厚度對(duì)應(yīng)的4.73 mm下限值。50點(diǎn)焊接后，電極打點(diǎn)直徑略有增大，但仍能保持電極形狀。

圖9 板材焊接過(guò)程中焊點(diǎn)直徑的變化規(guī)律

5 結(jié)論

(1)厚度為1.4 mm的HC420/780DPD+Z板材的點(diǎn)焊性能良好。當(dāng)電極壓力取3.6 kN定值時(shí)，焊接時(shí)間取110 ms，焊接電流可取8.3-9.3 kA；焊接時(shí)間取120 ms，焊接電流可取8.2-9.1 kA；焊接時(shí)間取130 ms，焊接電流可取8.0-8.9 kA。在此工藝范圍內(nèi)，焊接熔核飽滿，無(wú)縮孔、虛焊和焊接飛濺等缺陷，焊接質(zhì)量較好。

(2)試驗(yàn)條件下最優(yōu)工藝參數(shù)為焊接電流9.1 kA，焊接時(shí)間120 ms，電極壓力3.6 kN，此時(shí)點(diǎn)焊接頭抗剪力為18.49 kN。通過(guò)采用最佳焊接工藝參數(shù)進(jìn)行焊點(diǎn)一致性測(cè)試，焊接50個(gè)焊點(diǎn)后，焊點(diǎn)直徑依然滿足要求。

(3)熔核區(qū)顯微組織為粗大馬氏體組織，熱影響區(qū)組織為細(xì)小馬氏體。

(4)受馬氏體形態(tài)及其含量影響，母材硬度為250 HV，熔核區(qū)硬度為400 HV。