吳青云,侯玲,王學(xué)敏
江淮汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心 安徽合肥 230022
隨著能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題的日益加劇,節(jié)能和安全成為汽車(chē)制造業(yè)的主要發(fā)展方向。在降低油耗、減少排放的諸多措施中,車(chē)身輕量化減重效果最為明顯。車(chē)身重量減輕10%可節(jié)省燃油3%~7%。為了降低車(chē)身的重量,同時(shí)保證車(chē)身的安全、防腐等質(zhì)量指標(biāo)要求,近年來(lái)世界各大主機(jī)廠的汽車(chē)逐步增加了高強(qiáng)鋼、熱成形鋼和鍍鋅鋼等特種鋼材的應(yīng)用比例。
我公司在特種鋼材應(yīng)用上也大幅提升,新產(chǎn)品高強(qiáng)鋼應(yīng)用比例達(dá)60%以上,鍍鋅板的應(yīng)用比例達(dá)30%以上。高強(qiáng)鋼、熱成形鋼和鍍鋅鋼等特種鋼材在車(chē)身上的大量應(yīng)用給焊接技術(shù)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的工頻焊接設(shè)備難以保證焊接質(zhì)量,以往的焊接工藝也無(wú)法滿足新產(chǎn)品調(diào)試的需求。本文基于特種鋼材焊接困難的現(xiàn)象,分析其焊接困難的原因,并探討其焊接方法,為后續(xù)項(xiàng)目汽車(chē)車(chē)身特種鋼材焊接提供參考。
在汽車(chē)車(chē)身用鋼領(lǐng)域,強(qiáng)度是產(chǎn)品最重要的性能指標(biāo)。一般將抗拉強(qiáng)度≥270MPa級(jí)別的鋼稱為高強(qiáng)鋼,抗拉強(qiáng)度≥700MPa級(jí)別的鋼稱為超高強(qiáng)鋼。
高強(qiáng)鋼分為傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼和先進(jìn)高強(qiáng)鋼。傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼以鐵素體為主要微觀組織,通過(guò)析出和固溶等強(qiáng)化手段,強(qiáng)度一般在600MPa以下。在傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼基礎(chǔ)上,引入馬氏體、貝氏體等高強(qiáng)相結(jié)構(gòu),借助這些高強(qiáng)相的強(qiáng)化作用,在不對(duì)成分體系作顯著改變的前提下,大幅度提高材料的性能。這類(lèi)以相變強(qiáng)化為主要強(qiáng)化機(jī)制的高強(qiáng)鋼被稱為先進(jìn)高強(qiáng)鋼(AHSS),強(qiáng)度級(jí)別可覆蓋450~1700MPa,包括雙相鋼(DP鋼)、相變誘發(fā)塑性鋼(TRIP鋼)和馬氏體鋼(M鋼或Mart鋼)等[1]。
DP鋼主要組織為鐵素體+少量馬氏體,具有高強(qiáng)度、高韌性以及較高的強(qiáng)屈比,主要應(yīng)用于汽車(chē)的保險(xiǎn)杠、車(chē)門(mén)、車(chē)輪以及車(chē)體的縱橫梁等各種安全零件中。TRIP鋼顯微組織為多相組織,主要由鐵素體、貝氏體、殘留奧氏體和少量馬氏體組成,具有高強(qiáng)度、高延伸及高碰撞吸收性能,常用于汽車(chē)的保險(xiǎn)杠、汽車(chē)底盤(pán)等防撞部位。馬氏體鋼顯微組織幾乎全部為板條馬氏體組織,具有較高的抗拉強(qiáng)度(可達(dá)1600MPa),通常用于成形要求不高的車(chē)門(mén)防撞杠等零件。先進(jìn)高強(qiáng)鋼顯微組織如圖1所示。
圖1 先進(jìn)高強(qiáng)鋼顯微組織
熱成形鋼技術(shù)是指鋼材經(jīng)過(guò)950℃的高溫加熱后一次成形,又迅速冷卻,從而全面提升了鋼材強(qiáng)度,屈服強(qiáng)度達(dá)1000MPa以上,即每平方厘米能承受10t以上的壓力。由于熱成形鋼的特殊性質(zhì),并且是加熱后成形,因此可以在一道工序完成普通冷沖壓成形需多道工序才能完成的復(fù)雜形狀。具有很好的材料成形準(zhǔn)確性,可消除材料回彈的影響,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的形狀。因其超高的強(qiáng)度與極高的機(jī)械安全性,熱成形鋼板主要應(yīng)用于前后保險(xiǎn)杠骨架以及A柱、B柱、前圍等重點(diǎn)部位,在發(fā)生碰撞時(shí),尤其在正面和側(cè)面碰撞時(shí)可有效減少駕駛艙變形,保護(hù)駕乘人員的安全。
鍍鋅鋼是在鋼板表面鍍一層薄而致密的鋅金屬層,防止鋼板表面受到腐蝕,以達(dá)到延長(zhǎng)鋼板使用壽命的目的。按照鍍鋅板生產(chǎn)工藝及深加工方法的不同,鍍鋅板主要分為熱鍍鋅板和電鍍鋅板。目前汽車(chē)常用的為熱鍍鋅板,根據(jù)鍍層方式不同又可分為純鋅鍍層(GI)和鋅鐵合金鍍層(GA)兩種。因其優(yōu)良的成形及防腐性能,所以鍍鋅鋼板主要應(yīng)用于側(cè)圍外面、翼子板、門(mén)外部等外覆蓋件,提高車(chē)身的防腐蝕性能。
(1)電阻焊 電阻焊又稱接觸焊,屬壓力焊范疇,是以電阻熱為能源的一類(lèi)焊接方法。電阻焊是使工件處在一定電極壓力作用下,利用電流通過(guò)工件時(shí)所產(chǎn)生的電阻熱將兩工件之間的接觸表面熔化,從而實(shí)現(xiàn)連接的焊接方法。電阻焊一般包括點(diǎn)焊、縫焊、凸焊和對(duì)焊等。
電阻焊焊接過(guò)程中電流產(chǎn)生熱量可用下式來(lái)計(jì)算,即
式中Q——電極間產(chǎn)生的熱量(J);
I——焊接電流(A);
R——電阻(Ω);
t——焊接時(shí)間(s)。
焊接質(zhì)量可通過(guò)控制參數(shù)I、R、t來(lái)實(shí)現(xiàn),其中I、t可通過(guò)焊接控制器來(lái)設(shè)置;R主要由板件本身的材料特性及加壓力決定,可表示為R=R1(材料本身電阻)+R2(工件接觸電阻),材料確定后,R1保持不變,R2隨接觸壓力變化關(guān)系可表示為
式中KC——與接觸材料、表面情況、接觸方式有關(guān)的系數(shù),通常由試驗(yàn)得出;
F——接觸壓力(N);
m——與接觸形式有關(guān)的系數(shù),對(duì)點(diǎn)、線、面接觸分別取0.5、0.7、1。
由此可得出實(shí)際工件電阻焊焊接過(guò)程中產(chǎn)生的熱量計(jì)算式為
(2)點(diǎn)焊質(zhì)量影響因素 影響點(diǎn)焊焊接質(zhì)量的因素主要分為材料因素、設(shè)備因素、電極因素。
1)材料因素。影響點(diǎn)焊質(zhì)量的材料因素包括母材成分、鍍層種類(lèi)、鍍層厚度、鋼板厚度等,一般衡量母材成分變化可將鋼鐵中各種合金元素折換成C當(dāng)量,C當(dāng)量越高,焊接越困難,C當(dāng)量值可簡(jiǎn)單換算為Ceq=wC+wSi/30+wMn/20+2wP+4wS。當(dāng)C當(dāng)量較小時(shí),不需要預(yù)熱(板厚太大時(shí)則需要預(yù)熱)。當(dāng)C當(dāng)量較大時(shí),冷裂紋的敏感性將增大,焊接時(shí)一般需要預(yù)熱。不同鋼材C當(dāng)量值分布及斷裂形式如圖2所示。由圖2可看出,總體上高強(qiáng)鋼C當(dāng)量較大,隨著板材強(qiáng)度增加,C當(dāng)量增大。圖2中C當(dāng)量值分布位于紅線范圍內(nèi)的材料,焊接質(zhì)量相對(duì)較好實(shí)現(xiàn),撕裂試驗(yàn)時(shí)能夠形成紐扣斷裂,反之超出范圍的材料則焊接困難,一般呈界面斷裂,難以形成紐扣。
圖2 不同鋼材C當(dāng)量值分布及斷裂形式
鍍層種類(lèi)和厚度對(duì)點(diǎn)焊質(zhì)量產(chǎn)生影響,鋼板增加鍍層會(huì)導(dǎo)致焊接困難,焊接窗口變窄,所需電流更大。其中純鋅鍍層(GI)與鋅鐵合金鍍層(GA)相比,前者需要更高的焊接電流,但焊接窗口相比稍寬。在其他因素不變的情況下,鍍層越厚,焊接窗口越窄。鍍層變化對(duì)其焊接性能影響如圖3所示。
圖3 鍍層變化對(duì)焊接性能影響
2)設(shè)備因素。影響點(diǎn)焊質(zhì)量的設(shè)備因素主要指焊機(jī)、焊鉗。焊機(jī)一般有中頻直流及工頻交流,前者為三相均衡輸入,直流輸出,參數(shù)穩(wěn)定,頻率高達(dá)1000Hz,響應(yīng)速度1ms,次級(jí)電流輸出能力強(qiáng),波形平直,熔核尺寸穩(wěn)定的范圍擴(kuò)大,幾乎不飛濺,且焊接初級(jí)階段電流呈自然遞增,焊點(diǎn)表面質(zhì)量好。焊鉗一般有氣動(dòng)焊鉗及伺服焊鉗。氣動(dòng)焊鉗的電極壓力由氣缸驅(qū)動(dòng),無(wú)法得到精確控制和保證;伺服焊鉗使用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電極,從而能夠精確地控制電極壓力,實(shí)現(xiàn)軟接觸,消除沖擊變形,提高焊接質(zhì)量[2]。中頻直流、工頻交流、氣動(dòng)、伺服焊接技術(shù)對(duì)比如圖4所示。研究表明,中頻焊機(jī)+伺服焊鉗,可以有效解決高強(qiáng)鋼的焊接問(wèn)題,提高焊接質(zhì)量,擴(kuò)展焊接性范圍,減少電極頭磨損。隨著輕質(zhì)高強(qiáng)鋼在車(chē)身上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,伺服焊槍和中頻直流焊機(jī)必將取代傳統(tǒng)的氣動(dòng)焊槍和工頻交流焊機(jī),成為車(chē)身生產(chǎn)線上主要的焊接設(shè)備[2]。
圖4 技術(shù)對(duì)比
3)電極因素。影響點(diǎn)焊質(zhì)量的電極因素主要包括電極材料、電極端面形狀,實(shí)際焊接過(guò)程還與電極表面潔凈度及對(duì)中度有關(guān)。常用點(diǎn)焊電極材料分為三類(lèi),I類(lèi)為高電阻率、中等硬度的銅及銅合金,如純銅、鋯鈮銅,適用于制作鋁及鋁合金的電極,也可用于鍍層鋼板的點(diǎn)焊,但性能不如II類(lèi)。II類(lèi)具有較高的電導(dǎo)率,硬度高于I類(lèi),如鉻銅、鉻鋯銅,是最通用的電極材料,廣泛地用于點(diǎn)焊低碳鋼、低合金鋼、不銹鋼及鍍層鋼等;III類(lèi)為電阻率低于I類(lèi)和II類(lèi)、硬度高于II類(lèi)的銅合金,如鈹鈷銅,適用于點(diǎn)焊不銹鋼和高溫合金等電阻率和高溫強(qiáng)度高的材料。另外,氧化鋁彌散強(qiáng)化銅電極(Cu-Al2O3)是一種新型的電極材料,強(qiáng)度較高,可以大大減輕電極的蘑菇狀變形,用于點(diǎn)焊鍍鋅鋼和普通碳素鋼,電極壽命可達(dá)II類(lèi)電極的4~10倍,但成本較高。
(1)高強(qiáng)鋼焊接難點(diǎn) 高強(qiáng)鋼的顯著特點(diǎn)是強(qiáng)度高、C當(dāng)量大,其焊接相對(duì)普通鋼主要存在以下難點(diǎn)。
1)高強(qiáng)鋼焊接窗口比軟鋼窄,圖5所示為同板厚普通鋼與高強(qiáng)鋼的焊接窗口對(duì)比。
圖5 普通鋼與高強(qiáng)鋼焊接窗口
2)高強(qiáng)鋼強(qiáng)度高需要更大的電極壓力,焊鉗選型時(shí)應(yīng)確保其最大輸出壓力。
3)高強(qiáng)鋼成形后回彈大,回彈引起的裝配間隙會(huì)給點(diǎn)焊帶來(lái)巨大的負(fù)面影響,調(diào)試過(guò)程需重點(diǎn)關(guān)注板件搭接。
4)隨著母材強(qiáng)度升高,焊點(diǎn)強(qiáng)度增加,界面斷裂傾向也隨之增加,焊點(diǎn)難以形成紐扣,但即使界面斷裂仍具有良好的承載能力。
5)高強(qiáng)鋼焊接區(qū)硬度高,但1000MPa以上可能出現(xiàn)熱影響區(qū)軟化現(xiàn)象。
對(duì)于高強(qiáng)鋼焊接而言,隨著鋼材強(qiáng)度的提高,母材、熱影響區(qū)、熔核硬度與強(qiáng)度均總體呈現(xiàn)升高趨勢(shì),當(dāng)強(qiáng)度超過(guò)一定值時(shí),熱影響區(qū)硬度呈現(xiàn)低于母材硬度的趨勢(shì),熱影響區(qū)發(fā)生軟化現(xiàn)象,如圖6所示。
圖6 高強(qiáng)鋼熱影響區(qū)軟化情況
(2)高強(qiáng)鋼焊接性能分析 試驗(yàn)過(guò)程以DP1180 高強(qiáng)鋼為例,分析其焊接性能,依據(jù)DP1180成分以及前文所述公式計(jì)算,其Ceq相對(duì)較高,位于圖2窗口的界面斷裂區(qū)域,難以形成紐扣。圖7所示為采用單脈沖焊接工藝形成的顯微組織結(jié)構(gòu),焊接電流4.8kA,焊接時(shí)間360ms,電極壓力為4kN,電極為球形電極??梢钥闯霭宀谋砻鎵汉圯^深,熔核位置鋼板間隙較大,焊接過(guò)程存在明顯裂紋,且裂紋貫穿塑性環(huán)進(jìn)入熔核內(nèi)部,容易發(fā)生界面斷裂。
圖7 單脈沖焊接工藝下的顯微組織結(jié)構(gòu)
采用多脈沖的焊接工藝,并研究不同回火電流、回火時(shí)間、電極形式下焊接質(zhì)量及焊接窗口,得到的顯微組織結(jié)構(gòu)如圖8所示。從圖8可看出,采用多脈沖焊接工藝,焊接裂紋相比單脈沖顯著改善,但未消除,且隨著回火電流增大,回火時(shí)間增長(zhǎng),焊接裂紋有改善,但效果不明顯。采用平面電極形式替代球型電極,能夠顯著提高焊接質(zhì)量,焊接裂紋消失,無(wú)焊接壓痕。球形電極及平面電極的焊接窗口如圖9所示。由圖9可看出,采用平面電極或球形帶端面電極焊接,焊接窗口由1.0kA提高到2.8kA。
圖8 多脈沖焊接工藝下不同回火電流、回火時(shí)間、電極形式的顯微組織結(jié)構(gòu)
圖9 球形電極及平面電極的焊接窗口
(3)高強(qiáng)鋼焊接措施 依據(jù)高強(qiáng)鋼特性、焊接難點(diǎn)及相關(guān)分析,高強(qiáng)鋼相對(duì)于軟鋼點(diǎn)焊工藝制定原則如下:高強(qiáng)鋼適合小參數(shù)焊接;增加焊接時(shí)間,采用多脈沖,并根據(jù)材料的屈服強(qiáng)度不同提高電極壓力20%以上;增加電極工作面直徑,改變電極種類(lèi),采用球形帶端面電極或平面電極焊接??紤]高強(qiáng)鋼實(shí)際焊接特點(diǎn),尤其是Ceq高到一定情況下容易出現(xiàn)界面端面,難以形成紐扣,但此種情況下仍然具有良好的焊接強(qiáng)度,可考慮調(diào)整點(diǎn)焊質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),可接受熔核直徑減小,不以紐扣作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。
熱成形鋼屬于高強(qiáng)鋼的一種,強(qiáng)度相對(duì)更高,一般強(qiáng)度>1000MPa。熱成形鋼具有以下特點(diǎn)。
1)熱成形鋼點(diǎn)焊熱影響區(qū)存在明顯的軟化,在進(jìn)行熱成形鋼焊接時(shí)要預(yù)留足夠的搭接量,且焊核到零件邊部要保持足夠距離,否則零件受外力時(shí)易從熱影響區(qū)開(kāi)裂;在保證接頭強(qiáng)度的情況下盡可能采用小的熱輸入,減少熱影響區(qū)寬度。
2)熱成形鋼點(diǎn)焊前,必須去除熱沖壓過(guò)程中形成的氧化皮,否則會(huì)嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量。
3)熱成形鋼強(qiáng)度非常高,需要更大的焊接壓力。
(1)鍍鋅鋼焊接難點(diǎn) 鍍鋅鋼的顯著特點(diǎn)是鋼板表面增加一層鋅鍍層,其焊接相對(duì)普通鋼主要存在以下難點(diǎn)。
1)焊接電流需增加:點(diǎn)焊時(shí)鋅層優(yōu)先熔合,接觸電阻降低;首先熔化的鍍層在電極壓力作用下被擠出焊接區(qū),在熔核區(qū)外形成鋅環(huán),增加焊接區(qū)接觸面積,使流經(jīng)焊接區(qū)的電流密度降低。
2)需要提高電極壓力:為了將熔化的鋅快速擠出焊接區(qū),使基板和基板有效接觸,一般比冷板焊接時(shí)壓力提高20%~25%。
3)增加電極修磨頻次:鋅層易導(dǎo)致電極粘槍及合金化,導(dǎo)致接觸電阻大,電極發(fā)熱,保持電極端部形狀變差,因此需增加修磨頻次。
4)加強(qiáng)電極冷卻:粘鋅導(dǎo)致接觸電阻大,電極發(fā)熱,需降低電極溫度,減少電極變形。
5)焊接窗口變窄:形成熔核所需電流升高,較冷軋板更易發(fā)生飛濺,導(dǎo)致焊接窗口比冷軋板窄。鍍鋅鋼焊接電極頭表面粘鋅情況及鍍鋅板的焊接窗口如圖10所示。由圖10可知,鍍鋅鋼相比普通鋼的焊接窗口縮窄一半以上[3]。
圖10 鍍鋅鋼焊接電極頭表面粘鋅情況及鍍鋅板的焊接窗口
(2)鍍鋅鋼焊接性能分析
1)電極壓力對(duì)鍍鋅板焊接的影響。選擇DC56+ZF鍍鋅板,板厚0.7mm,弧面電極,研究其焊接窗口。試驗(yàn)驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn),隨著電極壓力的增大,可焊電流的范圍增大,同時(shí)由于電極壓力增大,使焊接區(qū)接觸面積增大,電流密度減小,所需最小焊接電流提高,如圖11所示。另外,電極壓力增大后,熔核直徑變大,可減少縮孔,但同時(shí)壓力增大會(huì)導(dǎo)致電極磨損加速,同時(shí)電極壓力增加也受到焊鉗、電極強(qiáng)度的限制,因此應(yīng)合理選擇鍍鋅鋼焊接所需壓力,同時(shí)適當(dāng)提高焊接電流。
圖11 電極壓力對(duì)鍍鋅鋼焊接趨勢(shì)
2)電極種類(lèi)對(duì)鍍鋅鋼焊接的影響。針對(duì)電極對(duì)鍍鋅鋼焊接的影響,分別從電極頭端面形狀及材質(zhì)兩個(gè)方面進(jìn)行分析。
首先選擇DC53D+Z鍍鋅板,板厚0.8mm,分別采用球形電極和平面電極焊接(見(jiàn)表1)。由圖12可看出,球形電極焊接電流為8.4~11.1kA,平面電極焊接電流為12~12.9kA,球形電極具有更大的焊接窗口,同時(shí)可焊接的電流最小。
圖12 球形電極和平面電極鍍鋅鋼焊接窗口
表1 不同電極形狀焊接參數(shù)
其次選擇DP800鍍鋅鋼,板厚1.5mm,焊接壓力3.6kN,分別采用鉻鋯銅(CrZrCu)和氧化鋁彌散強(qiáng)化銅電極(Cu-Al2O3)焊接(見(jiàn)表2),研究其焊接窗口,如圖13所示。由圖13可看出,鉻鋯銅電極焊接窗口寬度1.3kA,氧化鋁彌散強(qiáng)化銅電極焊接窗口寬度2.9kA,由此得出采用氧化鋁彌散強(qiáng)化銅電極可顯著提高焊接范圍。同時(shí)氧化鋁彌散強(qiáng)化銅電極能夠顯著改善焊接過(guò)程中電極粘槍現(xiàn)象,提高電極使用壽命。
表2 鉻鋯銅和氧化鋁彌散強(qiáng)化銅電極焊接電流
圖13 鉻鋯銅和氧化鋁彌散強(qiáng)化銅電極焊接窗口
(3)鍍鋅鋼焊接措施 依據(jù)鍍鋅鋼特性、焊接難點(diǎn)及相關(guān)分析,鍍鋅鋼板相對(duì)于普通鋼板點(diǎn)焊工藝制定原則如下:點(diǎn)焊鍍鋅鋼時(shí),應(yīng)比不帶鍍層的鋼板提高電流20%~30%,同時(shí)提高電極壓力20%,增大預(yù)壓時(shí)間10%,選擇多脈沖焊接工藝、圓弧面電極,在不考慮成本的情況下可選用彌散強(qiáng)化,增加電極修磨頻率,增強(qiáng)電極冷卻能力。連續(xù)生產(chǎn)時(shí)可選用有焊接電流步增功能的焊接電源控制器。
本文圍繞高強(qiáng)鋼、熱成形鋼及鍍鋅鋼的材料特性、焊接難點(diǎn),研究其焊接特性,并提出焊接工藝制定原則及措施,為后續(xù)項(xiàng)目中特種鋼材的應(yīng)用作指導(dǎo)。
綜上所述,特種鋼材焊接質(zhì)量保證從工藝上需要考慮以下幾方面。
1)工藝參數(shù)。優(yōu)選多脈沖焊接工藝,選擇合適的工藝參數(shù)。高強(qiáng)鋼焊接適合小參數(shù),適當(dāng)加大焊接時(shí)間,尤其是強(qiáng)度超過(guò)800MPa的情況下;鍍鋅鋼焊接適合大參數(shù),應(yīng)比不帶鍍層的鋼板提高焊接電流20%~30%;高強(qiáng)鋼、鍍鋅鋼焊接均應(yīng)根據(jù)材料強(qiáng)度及鍍層厚度提高電極壓力20%以上。
2)電極類(lèi)別。高強(qiáng)鋼適合平面電極或球形帶端面電極,能夠保證板材貼合,改善焊接壓痕及熔核裂紋;鍍鋅鋼適合球形電極,能夠快速擠出板材表面鋅層,焊接窗口相比平面電極或球形帶端面電極更寬,同時(shí)應(yīng)增大修磨頻次,保證電極表面質(zhì)量,必要時(shí)可選擇氧化鋁彌散強(qiáng)化銅電極(Cu-Al2O3)焊接。
3)焊接設(shè)備。優(yōu)選中頻焊機(jī)+伺服焊鉗,可以穩(wěn)定輸出焊接電流及壓力,確保特種鋼材焊接質(zhì)量。