靜音鋼板的焊接性能研究

金泉軍

(奇瑞汽車股份有限公司 汽車工程研究院，安徽 蕪湖 241009)

焊接材料

靜音鋼板的焊接性能研究

金泉軍

(奇瑞汽車股份有限公司 汽車工程研究院，安徽 蕪湖 241009)

研究MSC公司研發的厚0.84 mm、1.14 mm的靜音鋼板與1.0 mm厚度的DC06的點焊工藝，對焊接接頭的組織與力學性能進行分析。試驗結果表明，點焊后的焊核組織為貝氏體，熱影響區為鐵素體與少量的貝氏體組織，熔合區結合良好，由于熔核結合面上存在著鋅或鋅鐵合金，在靜音鋼板一側焊后熔核中心存在明顯的分界線；在焊接后接頭的顯微硬度分布中，靜音鋼板的硬度最低，焊核區硬度最高。同時對焊點進行拉伸剪切實驗，焊核處的強度明顯高于母材及熱影響區的強度。因此靜音鋼板的焊接接頭具有良好的強韌性。同時采用不同的焊接工藝參數，對焊接強度也有一定的影響。

點焊；靜音鋼板；DC06；貝氏體；組織；硬度；參數

0 前言

汽車振動和噪聲特性是影響汽車行駛舒適性的主要因素。隨著人們對汽車舒適性的要求不斷提高，對汽車減振降噪的研究越來越受到重視。根據汽車噪音對環境的影響[1-2]，可分為車外噪聲和車內噪聲。車外噪聲是指汽車各部分噪聲輻射到車外空間的那部分噪聲，主要包括發動機噪聲、排氣噪聲、輪胎噪聲、制動噪聲和傳動系噪聲等。車內噪聲的成因比較復雜，主要來源于兩個途徑：一類是固體聲傳播形成的，即車身壁板振動向車內輻射出的噪聲在車內經反射、疊加形成車內聲場；另一類是空氣聲傳播形成的，即車外噪聲由車身的縫隙漏聲或壁板透聲傳播至車內，再經反射、疊加形成車內噪聲。噪聲控制方法[3-5]分為機械原理噪音控制和聲學原理噪聲控制兩種類型。機械原理噪聲控制措施有：改進機械設備結構、應用新材料來降噪；聲學原理噪聲控制措施有：包括吸音、隔音、減震、密封等。隔音的實質是盡量衰減從聲源輻射出的聲音，常用措施有隔音材料和隔音結構。靜音鋼板就是根據以上要求針對不同零件隔音要求來設計開發的。靜音鋼板是采用高強度的粘彈性阻尼材料將傳統的鋼板粘結成類似“三明治”形式的復合鋼板(見圖1)，以達到吸音降噪的效果。并廣泛運用于汽車行業(見圖2)。焊接是汽車行業中一項重要的工藝方法，新材料在應用過程中，焊接性能的好壞直接影響整車性能。因此了解和掌握該鋼種在焊接工藝中的組織和性能的變化規律，尤其是掌握該材料對焊接熱作用的適應能力，具有重大的工程意義。在此研究該新型材料的點焊的力學性能和組織特征，為新材料的應用提供合理的焊接工藝參數。

圖1 靜音鋼板的結構

圖2 靜音鋼板在汽車行業的運用

1 實驗材料

試驗材料采用MSC公司的0.84 mm、1.14 mm鋅層單面厚度為60 g／m2靜音鋼板以及寶鋼生產的1.0 mm／DC06冷軋鋼板材料。其中1.14 mm靜音鋼板材料的力學性能：R0.2≥150 MPa，Rm≥290 MPa，Elong≥42%，n≥0.26；0.84 mm靜音鋼板材料的力學性能：R0.2≥145 MPa，Rm≥277 MPa，Elong≥40%，n≥0.23；1.0 mm的寶鋼DC06冷軋鋼板材料的力學性能：R0.2≥170 MPa，Rm≥250 MPa，Elong≥40%，n≥0.18。其實驗板DC06材料的化學成分范圍為：w(C)＝0.002%，w(Si)＝0.008%，w(Mn)＝0.15%，w(P)≤0.020%，w(S)≤0.020%，w(Alt)≥0.015%，w(Ti)≤0.02%。靜音鋼板材料的成分范圍：w(C)＝0.001%，w(Si)＝0.006%，w(P)≤0.010%，w(S)≤0.010%，w(Alt)≥0.03%，w(Ti)≥0.02%，w(Ni)≥0.01%。

2 實驗方法

將實驗鋼板按照DIN ISO 14273加工成0.84mm× 40 mm×100 mm、1.0 mm×40 mm×100 mm和1.14 mm× 40 mm×100 mm標準的剪切拉伸試樣。在100kVA中頻焊接變壓器配備伺服式焊槍的點焊機器人設備上(見圖3)進行焊接，焊接試樣如圖4所示。焊接工藝參數決定焊接過程中金屬加熱及塑性變形的參數。脈沖點焊設備的基本工藝參數有焊接電流、焊接時間、焊接壓力、維持時間、加壓時間及電極端面尺寸等參數。在眾多參數中焊接電流是影響焊接熱量輸入的主要因素，輸入熱量與電流的平方成正比。在其他參數一定時，焊接區的電流密度應有一個合理的上、下限。低于下限，能量過小不能形成焊核；高于上限，加熱速度過快會產生飛濺，降低焊點質量。焊接時間對熔合尺寸的影響與焊接電流的影響基本類似，只是增減速度有所區別。因此，根據靜音鋼板及DC06材料的物理性能、焊件厚度及焊接表面質量等要求選擇合理的工藝參數。在此主要通過調整焊接電流來觀察焊接性能的變化情況。工藝參數如表1所示。

用Neop hot23型光學顯微鏡觀察焊接接頭的金相組織，其DC06的腐蝕液體采用體積分數為3%的硝酸酒精溶液，腐蝕時間10～20s，而靜音鋼板的腐蝕液體采用8%硝酸酒精溶液，腐蝕時間100～200 s。拉伸試驗在WE230拉伸試驗機上進行。接頭的顯微硬度測試采用HX2000型顯微硬度計，載荷4.9 N。

通過分析焊點的微觀特征和力學性能來討論點焊參數對焊點熔核結晶形態的影響。

表1 靜音鋼板焊接工藝參數

圖3 伺服式焊槍的點焊機器人

圖4 焊接試樣示意

3 實驗結果及分析

3.1 焊接接頭組織

通過對點焊焊接接頭組織進行分析，來評價焊接熔合情況。了解焊接工藝參數變化對焊點熔核微觀形態的影響。對點焊試樣進行了金相試驗，其熔核的結晶形態如圖5～圖9所示(圖5、圖6為焊點區域的宏觀金相組織，圖7a為DC06母材的微觀金相組織，圖7b為靜音鋼板磨去表面鋅層的金相組織，圖8為左右兩端靠近兩電極的母材熱影響區，圖9為焊核組織)。通過對圖5、圖6宏觀金相分析可以看出，熔合區域結合良好，熔合處無任何缺陷，但在熔核中心以及結合面上有明顯分界線。其原因是，焊接鍍鋅靜音鋼板時，熔核攪拌不充分，熔核結合面上存在著鋅或鋅鐵合金，焊后冷卻時，從靠近電極的熔核邊緣開始結晶，并以枝晶形式沿著與散熱相反的方向向核心中部生長，但由于熔核中部的鋅或鋅鐵合金熔點較低，在較高的溫度下熔核中心不會結晶，從而使枝晶生長充分，一直延伸到上、下相碰為止，形成具有明顯方向性的柱狀結晶形態，在熔核凝固的最后階段才把鋅從熔核中擠出，在焊接熔核區域殘留，因此在結合面上出現明顯的分界線。同時還有微量鋅仍殘留在熔核中，以致在焊后熔核中心存在明顯的分界線。

為了研究焊接電流對鍍鋅鋼板點焊熔核結晶形態的影響，按照上述典型焊接規范，在保持焊接時間和焊接壓力等參數不變的情況下，改變焊接電流進行焊接，并觀察其熔核的微觀形態。圖5、圖6為靜音鋼板增加焊接電流后的點焊熔核結晶形態。由圖5c、圖5f、圖6c、圖6f可見，其柱狀晶比大電流時明顯減少，且方向性也減弱，但同時由于焊接電流較小，結合面上的鍍鋅層不能被完全擠出，所以在結合面上仍有較明顯的分界線。由于靜音鋼板中間夾有一層粘彈性阻尼材料，熔點較低，與母材的熔點相差較大，因此在焊點凝固過程中，容易在此形成較為明顯的分界線。同時發現熔合直徑隨著焊接電流的增加有明顯的增大趨勢，其最小焊核直徑與最大直徑變化量約為20%。由于DC06母材為鐵素體組織+少量珠光體(見圖7a)，靜音鋼板母材為鐵素體組織(見圖7b)，靜音鋼板焊點的一側區域熱影響區形成的組織(見圖8a)為鐵素體+少量的粒狀貝氏體，DC06一側區域形成的組織為鐵素體+粒狀貝氏體(見圖8b)；焊核區域形成(見圖9)為貝氏體組織。通過對組織及金相分析可以很明顯的發現，靜音鋼板與DC06焊接后，其熱影響區及焊核處產生了分布比較均勻、晶粒細小的粒狀貝氏體組織。由于貝氏體組織具有高強度、高韌性的組織，提高了強韌性。因此，熱影響區及焊核處的強韌性明顯高于基材。

圖5 1.0 mm／DC06+0.84 mm／QS焊接低倍金相檢測(11×)

圖6 1.0 mm／DC06+1.14 mm／QS焊接低倍金相檢測(11×)

3.2 焊接接頭力學性能

焊接接頭質量的好壞最終反映在接頭強度上。而接頭強度主要取決于焊接尺寸、表面質量及內部質量。點焊接頭強度一般用剪切力或正拉伸來評定。當接頭上的內部或外部缺陷均在規定標準允許的范圍內時，則接頭強度主要取決于焊點的幾何尺寸，即焊點的熔核直徑。而焊核尺寸差異性主要受焊接工藝參數的影響。評價不同點焊工藝參數對MSC與冷軋鋼板焊接力學性能的敏感性，也是此次研究的目的。

圖7 DCO6及靜音鋼板母材金相組織

圖8 DC06及靜音鋼板HAZ的金相組織

由圖10～圖13可以看出，點焊的焊接方法在此焊接工藝參數范圍內具有良好的焊接力學性能，焊點熔核處的焊接強度明顯高于母材強度；同時在其他工藝條件不變的情況下，僅僅改變焊接電流，隨著焊接電流的增加，熔核直徑增加，拉剪載荷也增加，為上升曲線，其變化值均達到30%。但是隨著焊接電流增加，焊點強度及熔合直徑并非線性增加，因為當電流增加到一定值之后，表現為拉剪載荷趨于平穩，此時再增加電流則熔核直徑和拉剪力都不會有大的變化，并有所下降。這是因為當電流過大時，熔核金屬過熱，易產生飛濺，使得熔核直徑下降，影響了焊接接頭的質量。

圖9 DC06及靜音鋼板焊核金相組織

圖10 1.0 mm+0.84 mm的三組工藝參數剪切強度

圖11 1.0 mm+1.14 mm的三組工藝參數剪切強度

圖12 1.0 mm+0.84 mm的三組工藝參數熔核直徑

圖13 1.0 mm+1.14 mm的三組工藝參數熔核直徑

通過分析對比焊接電流參數下的焊接強度發現，靜音鋼板的焊接電流選擇范圍較大，有利于實際生產中焊接過程的控制及焊接工藝的調整。從圖10～圖13可以看出，在相同情況下，要獲得相同的熔核直徑和拉剪載荷，較薄的靜音鋼板所需的電流最小，隨著靜音鋼板厚度的增加，所需電流越來越大。

3.3 焊接接頭的顯微硬度分析

通過測量焊點顯微硬度，可以很直觀地發現母材、熱影響區及焊核之間的性能關系。靜音鋼板點焊接頭的顯微硬度分布如圖14、圖15所示。比較母材、熱影響區、焊縫金屬可以看出，焊核硬度最高，HAZ比母材的硬度高。從組織上看，焊接過程中，在熱影響區上產生了少量貝氏體組織，從而提高了強韌性，因此HAZ的硬度明顯高于基材。但是在靜音鋼板一側的焊點HAZ的硬度卻低于DC06一側的焊點HAZ的硬度，如圖16所示。一方面，靜音鋼板表面有一層鍍鋅層，而鋅較軟，在凝固過程中分布在焊核金屬內，從而減小了HAZ及基體的硬度；另一方面，靜音鋼板中有一層粘彈性阻尼非金屬材料，在結晶后易于聚集在熔核結合面上，因此減小焊核的硬度。從靜音鋼板的厚度變化對硬度的影響分析可以直觀的看出，其厚度提高時，HAZ及焊核處的硬度有明顯提高。主要原因是，靜音鋼板厚度提高時，要達到良好的焊接接頭必須增加焊接電流，而電流過大會使鋅層更易蒸發，或成熔融狀態，在電極壓力的作用下，擠出熔核范圍，這使鋅層對焊接接頭質量的影響相對減小，因此提高了HAZ及焊核硬度。

圖14 1.0 mm+0.84 mm的焊接硬度分布

圖15 1.0 mm+1.14 mm的焊接硬度分布

圖16 靜音鋼板硬度分布示意圖

同時熱影響區的硬度與基體組織相比顯微硬度明顯提高，說明靜音鋼板在焊接后熱影響區空冷后形成裂紋傾向較小，焊核及HAZ硬度明顯高于基材。

4 結論

(1)靜音鋼板與普通冷軋鋼板的點焊熔核結晶形態以方向性很強的柱狀晶為主，且結合面處有明顯的分界線，導致兩者點焊熔核結晶形態有明顯的分界線，主要原因是靜音鋼板點焊時攪拌不充分，鋅在凝固結晶最后階段才被全部或部分擠出。(2)增加焊接電流對改善靜音鋼板點焊熔核結晶形態無明顯作用，反而會使柱狀晶更粗大、方向性更強。(3)在靜音鋼板焊接過程中，在焊接電流6～9 kA范圍內，焊接時間為15cyc，焊接壓力230daN的工藝參數下，通過增加焊接電流，提高焊核直徑，從而改善焊接強度。(4)采用靜音鋼板的焊接接頭具有良好的強韌性。焊接后接頭的顯微硬度分布中，靜音鋼板的硬度最低，焊核的硬度最高，靜音鋼板一側的焊接熱影響區硬度明顯低于DC06一側焊接熱影響區的硬度。

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[3] Anderton D.Basic Origins of Automotive Engine Noise[J].engine noise＆vibration control，University of Southampton，1995.

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[5]李舜酩，儀垂杰，趙玉成，等.車輛內腔噪聲分析及控制研究的發展[J].農業機械學報，1998，29(2)：165-170.

Research of weld ability of resistance spot welding on quite steel

JIN Quan-jun
(Automobile Engineering Research Institute，Chery Automobile CO.，LTD，Wuhu 241009，China)

Resistance spot welding of quiet steel plate with 0.84 mm and 1.14 mm and mild steel with 1.0 mm made by MSC has been investigated，the joint microstructure and mechanical properties of quiet steel plate and mild steel are studied.The results show that the microstructure of spot welded metal is bainite，microstructure in the heat-affected-zone is ferrite and a litter bainite，grains is good joining in bond area.Due to existence of Zn or Zn-Fe alloy on combining surface of the nugget，there is a remarkable boundary lying in the center of welding nugget that is on the side of quiet steel.Hardness in the quiet steel is the least in the hardness profile of the welded joint，while hardness of spot welded metal is the most.Shear tensile strength in the spot welded metal is better than strength of HAZ and base metal.So the welding joint of quite steel plate has good strength and toughness after spot welding.Welding strength is obviously affected by disparate welding technological parameters applied at the same time.

resistance spot welding；quiet steel；mild steel；bainite；microstructure；hardness；parameters

TG406

A

1001-2303(2011)09-0092-07

2010-06-24；

2011-03-20

金泉軍(1977—)，男，江西鷹潭人，碩士，工程師，主要從事汽車結構鋼焊接模擬分析及新材料的焊接研究工作。