高強鋼管板單面電阻點焊工藝實驗研究*

楊洪剛

(上海電機學院汽車學院，上海 200245)

隨著汽車輕量化進程的日益推進，高強度鋼和管件液壓成形技術在汽車設計與制造中的比例不斷增大，被廣泛應用于汽車車身、底盤、懸架和轉向等零部件上［1］。采用高強鋼液壓成形管不僅可以有效降低汽車重量，還能顯著提高汽車零部件整合和安全性能。

由于缺少連接法蘭，制造過程中液壓成形管與其他零部件的連接只能采用單面焊接方法，目前較普遍的工藝是管板單面電阻點焊工藝［2－4］。然而，由于液壓成形管特殊的結構形式，焊接過程中往往產生焊接變形。當焊接變形較大時，焊接工件表面會出現微裂紋，影響焊接質量。而且，高強鋼材料焊接性能的特殊性和復雜性進一步降低了焊接質量的穩定性。因此針對高強鋼管板單面電阻點焊工藝，通過實驗研究，揭示了焊接工藝和結構參數對焊接變形與拉剪強度的影響規律，為焊接質量的監控方法研究提供參考。

1 實驗系統

1.1 實驗設備

實驗所用焊接設備為FANUC公司生產的AC型伺服焊槍，并將其集成在6自由度機器人上，以實現焊接位置的精確定位。焊接控制器為日本小原公司的T25型控制器，能夠實現焊接過程的自動控制。

為了分析焊接變形過程并提取變形量，采用OMLON非接觸式激光位移傳感器，實時采集焊接過程中的電極位移信號，經濾波整流后存儲于計算機。電極位移傳感器測量精度為0.25 μm，響應時間為0.3 ms。

拉剪強度是評價焊接質量的重要指標之一。實驗過程中，焊接試樣的拉剪強度由KDW－20型微機控制電子萬能試驗機進行測試。

1.2 實驗材料

實驗管材和板材均為熱鍍鋅雙向鋼DP600，板材厚度1.0 mm，管材厚度1.4 mm。為了簡化管材制備和夾具設計，管材采用半圓形結構形式，半徑分別為15 mm、25 mm和35 mm，試樣寬度均為38 mm。電極采用球面平頭銅電極，端面直徑5 mm。焊接實驗系統如圖1所示。

2 實驗結果與分析

2.1 熔核形態分析

在管板單面電阻點焊過程中，由于管的內部缺乏有效支撐，在電極壓力作用下，管板容易出現焊接變形，使得熔核形態不再是傳統的紐扣型。管板間初始接觸狀態為線接觸，隨著焊接變形的增大，接觸狀態逐漸演變成為環狀接觸，從而生成環狀熔核。而且，由于整體結構并非軸對稱，管板縱、橫截面上的焊接變形量不一致，導致生成的熔核還有一定橢圓度。在管板縱截面上熔核長度較長，而管板橫截面上熔核寬度較小。

2.2 焊接電流對焊接質量的影響分析

焊接電流是影響焊接熱量的主要因素，其大小對焊接質量起著決定性的作用。在管板單面點焊過程中，焊接電流與焊接變形和拉剪強度的關系如圖2所示。其中，電極壓力和焊接時間分別固定為2.4 kN和13周波。

隨著焊接電流的升高，焊接熱量逐漸增多，使得焊接變形量基本上呈線性增大。然而，拉剪強度并未隨焊接電流的遞增而線性增強。當焊接電流超過一定數值后，拉剪強度卻有所下降。其原因主要是由于輸入能量增多，熔核產生的熱膨脹力較大，容易發生飛濺，從而降低接頭的拉剪強度。而且隨著焊接熱量的增多，材料軟化程度迅速上升，焊接變形進一步加大，使得熔核形態發生變化，從而對焊點拉剪強度造成一定的影響。

2.3 電極壓力對焊接質量的影響分析

電極壓力影響點焊接觸電阻和焊件內部電阻，即影響熱源的強度與分布，同時影響電極散熱的效果和焊接區的塑性變形，因此電極壓力對焊接質量產生較大的影響［5］。在管板單面點焊過程中電極壓力與焊接變形和拉剪強度的關系如圖3所示，其中焊接電流和時間分別固定為12 kA和13周波。

由于管材是中空的，整體結構剛度較低，當輸入焊接能量相同時，電極壓力越大，則管材自身的彎曲和焊點壓痕均相應增大，因此變形量隨著電極壓力的增大而線性增大。

隨著電極壓力的增大，拉剪強度發生了明顯的變化。當電極壓力較小時，不能有效地抵抗液態熔核產生的熱膨脹力，容易發生飛濺，使得焊點的拉剪強度較低。當電極壓力較大時，大大降低了管板結合面間的接觸電阻，使得焊接能量減少。而且，管板產生較大的塑性變形，影響了熔核形態，導致拉剪強度迅速降低。

2.4 管材半徑對焊接質量的影響分析

在不同管材半徑下，管板單面點焊接頭拉剪強度的變化規律如圖4所示。在相同的焊接工藝參數下，由于管材半徑不同，導致管板間接觸電阻存在差異，使得管材半徑對拉剪強度的影響較大。而且，隨著管材半徑的減小，焊點表面更容易出現微裂紋。

2.5 電極錯位對焊接質量的影響分析

由于管材具有一定弧度，在與板材接觸初期，管板間為線接觸。當電極錯位，即電極的中心軸線與管板的接觸線不對中時，將對焊接質量產生影響。不同電極錯位距離下接頭拉剪強度的變化規律如圖5所示。

由圖可見，隨著電極錯位距離的增加，拉剪強度呈下降趨勢，而且當錯位距離超過3 mm時，拉剪強度迅速降低。電極錯位5 mm時的焊接接頭宏觀形貌如圖6所示。當電極錯位達到5 mm時，已無法形成合格熔核，而且由于焊接變形較大，焊點表面產生了微裂紋。

3 結語

(1)由于管板單面電阻點焊特殊的結構形式，焊接過程中往往產生焊接變形，使得管板間接觸狀態發生變化，最終生成環狀熔核。

(2)焊接電流和電極壓力均對焊接質量產生重要影響，焊接變形呈現線性增大的趨勢;而當焊接電流和電極壓力超過一定數值后，拉剪強度則有所下降。

(3)由于接觸電阻不同，管材半徑對焊接質量產生較大影響。當管材半徑減小時，塑性變形增大，使得接頭表面更容易出現焊接裂紋。

(4)為了保證焊接質量，電極軸線應與管板接觸線對中。當電極錯位超過3 mm時，接頭拉剪強度迅速降低。

［1］駱銳，王艷，吳沁.汽車輕量化前沿制造技術的研究進展［J］.制造技術與機床，2010(10):142－145.

［2］Poss MG，Lendway IV.Closed tubular automobile parts demand innovative welding methods［J］.Welding Journal，1997，76(10):55s－58s.

［3］Yang H G.，Hu S J，Zhang Y S，et al.Experimental study of single －sided sheet－ to － tube resistance spot welding［J］，Science and Technology of Welding＆ Joining，2007(12):530－535.

［4］楊洪剛，張延松，來新民，等.伺服焊槍在板管單面電阻點焊中的應用［J］.焊接學報，2007，28(9):71－74.

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