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[焊接(连接)] 低合金汽车用钢薄钢板电阻点焊工艺研究

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发表于 2020-5-26 09:46:02 | 显示全部楼层 |阅读模式

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低合金汽车用钢薄钢板电阻点焊工艺研究

沈波,程哲闻,程猛

(上汽通用汽车有限公司整车制造工程,上海 200000)

【中国汽车材料网】摘 要:车身钢板轻量化已成为车身设计的趋势,文章对于薄板软钢电阻点焊工艺组织演变进行研究。通过设定不同电流作为热输入,分析焊后焊核区组织演变。试验结果表明,在电流增加过程中,接触面两侧形成热影响区,进而热影响区范围扩大,接触面逐渐融化,形成焊核;0.5mm薄板组合电阻点焊工艺窗口较小,8.0KA电流预热无法融化接触面,9.0KA电流开始形成焊核,9.8KA焊接区域完全形成焊核。
关键词:轻量化;薄板;电阻点焊


前言
随着汽车工业的不断发展及日趋严格的节能环保要求,轻量化已成为当今车身发展的一个重要趋势。一方面,各公司使用高比强度的新材料如先进高强钢、铝合金、碳钎维等代替传统材料以降低整车重量[1][2],另一方面,通过在传统车身用钢的基础上优化设计,将钢板厚度减薄以达到减重的目的。由于成本所限,目前采用全铝或碳钎维作为车身材料的车型还仅限于高端车型和概念车,而先进高强钢焊后组织硬脆[3][4],常用与车身防碰撞的加强件[5],故对于普通量产车型外观区域多采用降低车身传统钢板厚度来实现整车减重。
但厚度变化将引起钢板焊接性改变。车身多采用电阻点焊工艺来连接零件,对于车身中应用最广泛的0.7~1.2mm低合金钢板,厚度适中,在8.0KA-9.5KA范围内焊接过程飞溅少,且可得到良好的焊核质量,焊接参数窗口较大[6][7][8]。然而薄板散热迅速,热量难以积累[9],需要采用硬规范参数以获得足够的的焊核尺寸,而过分集中的加热将导致飞溅的产生,恶化焊接工况。基于薄板电阻点焊的上述矛盾,本文通过对比不同热输入条件下金相组织,研究薄板组合在不同焊接工艺下的组织演变,获得薄板点焊的焊接工艺窗口。


1 试验材料及方法
1.1 试验材料
试验材料选用汽车用软钢,尺寸0.5mm厚X150mm长X 50mm宽,其化学成分见表1。
表1 试验板材化学元素含量


由化学成分可知,该材料为低合金钢板。图1为母材金相组织,母材为均匀的细晶铁素体组织。

图1 母材组织图



1.2 试验方法
试验采用不同焊接热输入,得到不同热输入条件下的电阻点焊接头,采用中频直流焊接控制柜,选用直径16mm电极帽,修磨端面直径6mm,两板搭接点焊,如图2所示。电极冷却水流量6-8L/min。
由于焊接压力和时间对焊核形成影响较小,为控制变量,固定焊接压力和焊接时间,设定不同的焊接电流,以研究电流增加过程焊接区域组织演变过程,试验参数见表2。截取焊后试片焊点横截面,制样抛光,分析点焊接头截面组织。

图2 电极及电阻点焊工艺示意图


表2 试验参数




1.3 试验结果
焊接焊后试片如图3所示。

图3 各组参数下焊点外观


随着电流的增加,焊点直径逐渐增大,压痕逐渐明显。当电流为7.0KA时,在此参数下表面镀层尚未破坏,故焊点表面泛白,保持母材颜色,仅在电极的压力下板材留下压痕,经测量压痕直径约为3.5mm;当电流增加到8.0KA后,在这种热量下表面镀层已经有一定程度的挥发,并参与焊接过程,故焊点颜色加深,表面焊点区域与母材已能区分,焊点明显增大,直径增加,约为4.5mm;进一步增加电流,当电流增加到9.0KA时,镀锌层已完全破坏,且铜电极在高温下黏着在焊点表面,焊点表面颜色加深且略微泛黄。由于热输入增加,焊接区域熔化,在相同的压力下焊点压痕增加。继续增加电流,当电流达到9.8KA,铜电极与母材在压力和电流的热作用下充分反应,焊点呈深黄色,同时在此热输入下焊点周围形成突起的塑形环,焊点压痕更加明显,同时在该工艺下焊接,有少许焊接飞溅开始产生。
对上述焊点切片制样,观察组织,如图4:

A 7.0KA 焊点截面金相


B 8.0KA 焊点截面金相


C 9.0KA 焊点截面金相


D 9.8KA焊点截面金相

图4 各组参数下焊点金相组织

当焊接电流为7.0KA时,电极压合区域组织与母材完全相同,没有焊核组织特征与焊接热影响区;当电流增加到8.0KA时,电极压合区(焊接区域)组织发生变化,在两板接触界面两侧发生再结晶,形成与母材明显不同的枝晶组织,但两层板之间仍有明显界面。在板材的外表面,即电极与板材接触的表面,材料组织并无明显变化。当电流进一步增加,到9.0KA时,热影响区进一步扩大,同时可以看到两板之间焊接区域已开始融合,但仍有部分未熔合部分。电流继续增加,当电流达到9.8KA时,焊接区组织已经完全转变为垂直于界面的枝晶,热影响区已扩展到板材外侧,两板接触面已完全融合,形成焊核。在焊核边缘观察到微裂纹产生,同时焊接过程伴随飞溅。


2 讨论分析
从焊缝金相图对比可以看出焊核在电流逐渐增加过程中的生长规律。
当焊接电流为7.0KA时,电极压合区域组织与母材完全相同,没有焊核组织特征,说明在该工艺下焊接热量不足以使母材发生相变,以致焊接区没有发生组织变化;当电流增加到8.0KA时,焊接区组织发生变化,在两板接触界面两侧发生再结晶,形成与母材明显不同的枝晶组织,但两层板之间仍有明显界面。值得注意的是,在板材的外表面,即电极与板材接触的表面,材料组织并无明显变化。说明在点焊过程中,板材接触面接触电阻大于电极与板材的接触电阻,故电阻热主要产生于板材接触面间,同时电极与板材接触面受电极冷却作用影响明显,造成板材间受热而板材与电极间散热。故靠外侧的母材组织无变化。两板之间受热后,母材的等轴晶沿温度梯度转变为垂直于接触面的枝晶。虽然板材受热发生了组织变化,但上下两板存在明显的分界线,说明板材并未熔化,组织变化区全部为热影响区。这是由于薄板受电极冷却作用明显,该电流参数下热输入不足以使板材熔化。
当电流进一步增加,到9.0KA时,热影响区进一步扩大,同时可以看到两板之间焊接区域已开始融合,说明在9.0KA的热输入条件下,板材间的产热已能抵消电极冷却散热,余热能够向板材外侧扩散,使热影响区范围扩大,但该热量不足以使焊接区域全部融化,形成焊核。电流继续增加,当电流达到9.8KA时,焊接区组织已经完全转变为垂直于界面的枝晶,热影响区已扩展到板材外侧,两板接触面已完全融合,形成焊核。在9.8KA的热输入条件下,焊接区板材经历剧烈的固-液变化,在焊核边缘观察到微裂纹产生。同时焊接过程伴随飞溅,说明该参数下,板间产热大于电极散热,余热能够完全融化板间金属,形成熔池,通电结束后熔池凝固,形成焊核。熔池凝固过程体积收缩,在焊接区域产生拉应力,故微裂纹易在焊核外侧萌生。


3 结论
本文通过不同电阻点焊工艺下对0.5mm薄板组织变化的研究,得到如下结论:
(1)对于电阻点焊工艺,在电流增加过程中,首先在接触面两侧形成热影响区,继续增加电流,接触面逐渐融化,形成焊核。
(2)对于0.5mm薄板组合,从板材接触面到外侧距离短,温度梯度大,散热快,电流小于8.0KA无法积累热量,形成焊核。相对于中厚板,需更大的热输入保证热量积累。
(3)0.5mm薄板组合电阻点焊工艺窗口较小,9.0KA电流下开始形成焊核,9.8KA焊接区域完全形成焊核,但产生飞溅及微裂纹等缺陷。

参考文献
[1] 马鸣图,易红亮,路洪洲等.论汽车轻量化[J].中国工程科学,2009, 11(9):20-27.
[2] 李光瀛,马鸣图.我国汽车板生产现状及展望[J].轧钢,2014,31(4): 22-32.
[3] 单庆成.汽车车身用热成形钢电阻点焊工艺应用现状[J].电焊机, 2018,48(08):88-91.
[4] 伊日贵,汪小培,张永强,等.PH1500 热成形钢电阻点焊焊接性能研究[J].电焊机,2017,47(04):75-79.
[5] 易红亮,董杰吉.热成型钢及热成型技术[J].山东冶金,2009,31(5): 17-19.
[6] 李雷,李仕生,吴小俊.焊接电流对镀锌钢与高强钢的电阻点焊接头形貌和力学性能的影响[J].热加工工艺,2017.7,46(13):225-229.
[7] 基于中频焊机对普通钢板焊接参数的研究与工程应用
[8] 唐科,梁翠,黄微晏,等.汽车用钢板电阻点焊工艺参数优化选择[J].电焊机,2017,47(11):111- 116.
[9] 孙海涛,王爵丰,马强.热成形钢板和微合金钢板的电阻点焊质量对比分析[J].热加工工艺,2017.03,46(5):239-247.


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