08AI與65Mn的點焊及其接頭組織性能分析

汪帥兵，張勇，馬鐵軍，謝紅霞

(西北工業大學陜西省摩擦焊重點實驗室，陜西西安710072)

08AI與65Mn的點焊及其接頭組織性能分析

汪帥兵，張勇，馬鐵軍，謝紅霞

(西北工業大學陜西省摩擦焊重點實驗室，陜西西安710072)

在厚1.2 mm的08Al與厚1.0 mm的65Mn異種材料的點焊過程中，為了減少可淬硬鋼65Mn在焊接過程中所形成的缺陷以及獲得優質的異種材料的點焊接頭，對雙脈沖點焊工藝進行了試驗研究。詳細分析了熔核的微觀組織，測定了熔核直徑和硬度分布，并對接頭進行了剪切及拉伸試驗。實驗結果表明，當采用焊接壓力3 800 N，一次脈沖電流7.7 kA，通電時間0.24 s；二次脈沖電流4.6 kA，通電時間0.7 s的點焊工藝時，可使點焊熔核得到充分回火，熔核中心未出現二次淬硬組織。其硬度值約HV400。點焊接頭的抗拉伸載荷1 380 N，抗剪載荷3 580 N，塑性比38.5%，綜合機械性能符合使用要求。

08Al；65Mn；電阻點焊；組織；性能

0 前言

在某型號載重汽車零件的制造過程中，需要采用電阻點焊工藝實現08Al和65Mn異種材料的連接。08Al和65Mn兩種材料在化學成分和機械性能上差異較大。08Al屬低碳鋼，點焊焊接性好，無需采用復雜工藝措施；65Mn屬淬硬鋼，焊接性差，接頭極易產生縮松、縮孔、脆性組織和裂紋等缺陷，使點焊接頭力學性能變壞[1]。08Al和65Mn兩種不同材料點焊時，由于電流場及其變化所形成的磁場和渦流，產生了電磁附加力，從而造成對液態金屬較強的攪拌作用[2]。其熔核應是兩種鋼的混合成分，且在常規的單脈沖點焊熱循環條件下，熔核及熱影響區會出現淬硬的馬氏體組織。此種組織的接頭如果不采用相應的熱處理工藝，其綜合機械性能將很差。

為了得到08Al和65Mn異質種材料點焊的合格接頭，在此對采用雙脈沖電阻點焊工藝進行了試驗研究，即利用一次脈沖電流加熱得到滿足要求的熔核尺寸，再利用第二次脈沖電流對接頭進行電極間回火熱處理。隨后對接頭進行撕破檢驗和力學性能試驗，并詳細分析了組織。

1 試驗材料和工藝規范

1.1 試驗材料

厚1mm的65Mn與厚1.2mm的08Al母材成分如表1所示，金相組織如圖1所示。08Al母材為鐵素體＋極少量的珠光體組織(見圖1a)；65Mn母材為均勻的鐵素體＋球狀珠光體組織(見圖1b)。

表1 材料的化學成分[3]%Tab.1Component of the experimental materials[3]

圖1 母材金相組織(200×)Fig.1 Microstructure of the materials

1.2 點焊工藝規范

用DN－200－4點焊機，采用恒百分數控制，雙脈沖電流點焊工藝進行試驗。上下電極均用鉻鋯銅合金制作，端面直徑φ 6 mm。焊接循環過程示意如圖2所示。通過對熔核的目視檢驗和撕破檢驗來確定一次脈沖的規范參數；二次脈沖規范參數的選擇，應使熔核邊緣的淬硬組織得到充分回火。因為熔核邊緣是對熔核性能影響最大的部位，也是最易破裂的部位，一般來說，在點焊不均勻加熱的熱循環條件下，當二次脈沖使熔核邊緣的淬硬組織得到回火時，熔核中心將出現二次淬硬組織。但是，這種二次淬硬組織對熔核性能影響較小[2，4]。

圖2 雙脈沖點焊循環過程示意Fig.2 Chematics of spot welding in two pulses of electricity

一次脈沖與二次脈沖之間間隔t4應足夠長，以保證熔核金屬冷卻到馬氏體轉變溫度以下。回火脈沖時間應足夠長，保證達到充分回火的目的[2]。選擇的點焊規范參數如表2所示。

表2 點焊規范參數Tab.2Parameters of spot welding

2 結果分析

2.1 熔核的宏觀形貌

將65Mn與08Al的點焊試樣進行撕破檢驗，65Mn試件被撕出一個孔洞，其面積約占整個熔核面積的90%，熔核留在08Al試件上，如圖3a所示。這表明熔核有足夠的結合強度且符合要求。將熔核沿其中心線切開制成金相試樣，用4%硝酸酒精溶液腐蝕，由于08Al和65Mn化學成分和物理性能存在差異，08Al類鋼在200℃和600℃的熱導率分別為54.85 W／(m·℃)和36.42 W／(m·℃)；65Mn類鋼在200℃和600℃的熱導率分別為29.308 W／(m·℃)和28.899W／(m·℃)[3]，故熔核偏向導熱性能較差的65Mn一側。在低倍顯微鏡下，觀察到熔核的形狀如圖3b所示，測得熔核直徑5.60mm。65Mn焊透率為44.1%，08Al焊透率為48.1%，熔核尺寸符合點焊要求[3]。

2.2 熔核的金相組織

點焊熔核邊緣的金相組織如圖4所示。從圖4a可以看出，熔核邊緣65Mn一側的組織為回火馬氏體＋鐵素體＋珠光體組織，其硬度值為HV500；緊鄰熔合線的熔核部位為回火馬氏體，硬度值接近HV700；從圖4b可以看出，熔核邊緣08Al一側的組織為鐵素體＋少量珠光體，但在緊鄰熔合線的部分可以清楚看到較為粗大的板條狀鐵素體組織，該組織具有典型的魏氏體組織形貌。表明在二次脈沖較長時間回火條件下，08Al近縫區具有明顯的過熱傾向，但過熱的范圍僅1～2個晶粒，其硬度值接近HV400；緊靠熔合線的熔核部位的組織亦為鐵素體＋少量珠光體，其硬度值為HV500。

圖3 熔核形貌Fig.3 Shape of spot-welded nugget

圖4 熔核邊緣金相組織(200×)Fig.4 Microstructure around nugget(200×)

單脈沖及雙脈沖點焊接頭中心的金相組織如圖5所示。從圖5a可以看出，單脈沖點焊的熔核中心為回火馬氏體＋鐵素體＋珠光體組織。從圖5b可以看出，雙脈沖點焊的熔核中心為珠光體＋鐵素體組織，其硬度值為HV400。

2.3 點焊接頭的硬度

65Mn的碳當量高(Ceq≈0.9)，具有很強的淬硬性，熔核兩側過熱區在電極的激冷下冷卻速度極快，且在電極壓力作用下金屬形變產生了較高的位錯密度等因素，明顯提高馬氏體的顯微硬度，可達HV＝800～900[5]。經回火后的接頭硬度分布如圖6所示。

圖5 熔核中心金相組織(500×)Fig.5 Microstructure of the center of nugget(500×)

圖6 顯微硬度分布(試驗加載載荷為300 g)Fig.6 Micro-hardness profile(test load is 300 g)

由圖6可知：(1)點焊熔核的中心由于兩種材料的成分混合，使熔核中心的淬硬傾向明顯下降，故在二次脈沖回火后，熔核中心未發生淬硬現象，顯微硬度值較低；(2)在熔核邊緣，尤其是65Mn一側，由于熔核近似65Mn成分，故有較大的淬硬傾向，硬度值較高；(3)熔核邊緣處存在較大應力和較高的位錯密度，使得熔核靠近08Al一側的硬度值高于熔核中心的硬度值。

2.4 點焊接頭的拉伸剪切試驗

根據GB2651－89《焊接接頭拉伸試驗法》制作剪切拉伸試樣如圖7所示。采用WE－30型萬能材料試驗機對10個點焊接頭試樣在室溫下進行剪切拉伸試驗，實驗結果如表3所示，現拉伸載荷的平均值已達1 380 N；剪切載荷的平均值可達3 580 N。

圖7 剪切及拉伸試樣Fig.7 Samples for shearing and stretching

對于有淬火傾向的結構鋼點焊接頭往往用正拉伸載荷(Fn)與抗剪載荷(Fs)的百分比作為塑性的指標，一般要求塑性比Fn／Fs＞25%[4]。本試驗Fn／Fs= 38.5%，可滿足使用要求。

表3 力學試驗結果Tab.3Results of mechanical test

3 結論

(1)采用雙脈沖電流進行08Al與65Mn板件點焊時，點焊熔核會有一定程度的偏移，但偏移量不大。

(2)熔核未回火前其中心組織為回火馬氏體+鐵素體+珠光體組織；經二次脈沖回火的熔核中心組織為珠光體+鐵素體組織。

(3)剪切和拉伸實驗結果表明：當采用一次脈沖電流7.7 kA，通電時間0.24 s；二次脈沖電流4.6 kA，通電時間0.7 s；焊接壓力3 800 N的點焊工藝時，可使熔核得到充分回火，其正拉伸載荷Fn=1 380 N，抗剪載荷Fs=3 580 N，塑性比Fn／Fs=38.5%，綜合機械性能良好。

(4)熔核中心為兩種材料的混合成分，硬度值較低；熔核邊緣處為高應力、高位錯密度區，硬度較高。

[1]趙熹華，馮驥才.壓焊方法及設備[M].北京：機械工業出版社，2005.

[2]畢惠琴.焊接方法及設備(第二分冊)[M].北京：機械工業出版社，1981.

[3]中國航空材料編輯委員會.中國航空材料手冊(結構鋼不銹鋼)[M].北京：中國標準出版社出版，1988.

[4]中國機械工程學會焊接學會電阻焊(Ⅲ)專業委員會.電阻焊理論與實踐[M].北京：機械工業出版社，1994.

[5]趙熹華，徐國成.彈簧鋼電阻點焊[J].焊接學報，1996，17(2)：128－132.

Resistance spot welding of 08Al and 65Mn with analysis of its microstructure and properties

WANG Shuai-bing，ZHANG Yong，MA Tie-jun，XIE Hong-xia
(Shanxi Key Laboratory of Friction Welding Technologies，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China)

During the dissimilar materials spot welding of 08Al with thickness of 1.2 mm and 65Mn with thickness of 1.0 mm，in order to reduce the welding defects of 65Mn and obtain the high quality nugget,in this article，the process of two-pulse current spot welding is studied.The microstructure of the spot welded joint is analyzed in detail，and the diameter and microhardness of the nugget are measured，then the tensile shear experiment is carried out.The results show that in the conditions of the welding pressure with 3 800 N，the first current with 7.7 kA and lasting 0.24 s，the second current with 4.6 kA and lasting 0.7 s，the joint is tempered adequately and there is no second quench hardening microstructure in the centre of nugget，the microhardness of which is about 400 HV.The resisting tensile load of spot welded joint is 1 380 N，the resisting shearing load of which is 3 580 N and the plasticity ratio of which is 38.5%，and the mechanical properties meet the application requirements

08Al；65Mn；resistance spot welding；microstructure；properties

book=37,ebook=367

TG406

A

1001－2303(2010)10－0037－04

2009－09－29

汪帥兵(1984—)，男，河南洛陽人，在讀碩士，主要從事電焊點焊工藝及點焊自動控制方面的研究。