工藝參數(shù)對鍍鋁鋅鋼板點(diǎn)焊接頭質(zhì)量與組織的研究

王若愚

(四川機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 攀枝花 617000)

工藝參數(shù)對鍍鋁鋅鋼板點(diǎn)焊接頭質(zhì)量與組織的研究

王若愚

(四川機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 攀枝花 617000)

通過鍍鋁鋅鋼板點(diǎn)焊實(shí)驗(yàn)，對十二組不同工藝參數(shù)下獲得的點(diǎn)焊接頭進(jìn)行抗剪力實(shí)驗(yàn)和金相分析，研究表明：當(dāng)采用較小的焊接電流和較短的焊接時(shí)間，接頭熔合不良；焊接電流太大，焊接過程中飛濺很大，焊點(diǎn)表面壓痕深度超標(biāo)，同時(shí)形成方向性很強(qiáng)的粗大柱狀晶；適當(dāng)增加電極壓力，可使柱狀晶發(fā)生傾斜，方向性減弱。研究確定了0.8 mm厚鍍鋁鋅鋼板較佳的工藝參數(shù)為I＝8.5～9.0 kA，T＝14 cyc，F(xiàn)W＝2 400 N，用這組工藝參數(shù)焊接，點(diǎn)焊接頭抗剪力、熔核直徑均超過了《點(diǎn)焊焊接區(qū)的檢驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的A級(jí)要求，熔透率、焊點(diǎn)表面壓痕深度均能滿足質(zhì)量要求。

鍍鋁鋅鋼板；點(diǎn)焊；宏觀金相；顯微組織

0 前言

鍍鋁鋅鋼板是一種新型鍍層鋼板，它的抗腐蝕性和抗熱氧化性與鍍鋅鋼板相比有更大的優(yōu)勢[1]，在汽車和家電等行業(yè)有著廣闊的應(yīng)用前景[2]，因此研究鍍鋁鋅鋼板點(diǎn)焊十分必要。

1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料板厚0.8mm，鍍鋁鋅層厚度20μ m，母材組織為鐵素體+少量珠光體。鍍鋁鋅板母材組織及鍍層如圖1所示，化學(xué)成分見表1[3]。

圖1 鍍鋁鋅板母材組織及鍍層

表1 0.8mm鍍鋁鋅鋼板母材的化學(xué)成分 ／%

對點(diǎn)焊接頭進(jìn)行抗拉剪實(shí)驗(yàn)，試件的幾何尺寸和加載方式參照國家標(biāo)準(zhǔn)中的車身裝焊工藝標(biāo)準(zhǔn)試樣要求確定[4]，試樣尺寸100 mm×30 mm。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

采用DZ-63單相整流式直流點(diǎn)焊機(jī)，并用MM—315型焊接電流監(jiān)測儀監(jiān)測點(diǎn)焊過程中的焊接電流、焊接時(shí)間等，用INSTRON 5569實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行接頭抗剪實(shí)驗(yàn)，用MEF3大型臥式顯微鏡和Axiovert200MAT顯微鏡進(jìn)行焊點(diǎn)金相組織觀察。

2 點(diǎn)焊實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)

點(diǎn)焊主要工藝參數(shù)有焊接電流、電極壓力和焊接時(shí)間，按表2所示工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[3]。實(shí)驗(yàn)中測試了12組工藝參數(shù)，12組試件預(yù)壓時(shí)間30 cyc，維持時(shí)間16 cyc，休止時(shí)間30 cyc。每組工藝參數(shù)焊接四個(gè)試件，三個(gè)試件用于拉剪實(shí)驗(yàn)，一個(gè)用于金相檢驗(yàn)。所有試件規(guī)格尺寸100 mm×30 mm×0.8 mm。拉剪試件長度方向搭接焊，搭接長度30 mm。

表2 實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)

2.2 實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果

抗剪力測試在INSTRON 5569實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)時(shí)加載速度要慢，對于點(diǎn)焊接頭，一般將實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的最大載荷作為接頭的抗剪力[4]。通過12組不同的實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)，每組工藝參數(shù)焊接三個(gè)試件，測量每組工藝參數(shù)抗剪力，計(jì)算出每組參數(shù)抗剪力的平均值。

觀察斷裂后的接頭發(fā)現(xiàn)，試件1、4、7在焊點(diǎn)處斷裂，即焊點(diǎn)被撕開，其中試件1、7根本沒有熔合，從表3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，抗剪力較小，其平均值分別為4.370 kN和4.238 kN；其余試件初始裂紋發(fā)生在靠近加載端一側(cè)的焊點(diǎn)邊緣處，起裂后基體鋼板逐漸被撕裂，而焊點(diǎn)不會(huì)被撕開。從表3抗剪力平均值可知，相應(yīng)的抗剪力平均值均在5.0 kN以上。

表3 抗剪力平均值、熔核直徑、表面壓痕深度及熔透率

金相分析采用電火花線切割試樣，切割試樣時(shí)應(yīng)考慮磨制后的試樣盡量位于焊點(diǎn)中心。磨制后對試樣進(jìn)行拋光，然后采用硝酸酒精+4%苦味酸顯示。通過點(diǎn)焊接頭宏觀金相照片可直觀看出焊點(diǎn)熔合情況、熔核直徑、壓痕深度。同時(shí)能準(zhǔn)確測量熔核直徑、表面壓痕深度等，還可了解焊點(diǎn)微觀特征，了解鍍層及點(diǎn)焊主要工藝參數(shù)對焊點(diǎn)熔核結(jié)晶形態(tài)的影響。試樣熔核直徑、熔核高度、表面壓痕深度用Axiovert200MAT顯微鏡測量。

3 接頭宏觀金相分析

12組點(diǎn)焊工藝參數(shù)焊后接頭宏觀金相照片如圖2所示。

從12組工藝參數(shù)點(diǎn)焊接頭宏觀照片可以看出：

(1)1#、4#、7#、8#四個(gè)工件熔核直徑偏小，其中1#、4#、7#三個(gè)工件的焊接電流均為7.0 kA，從宏觀看7.0kA焊接電流偏小。8#工件焊接電流為8.5kA，焊接時(shí)間8 cyc，從宏觀上看，不能保證0.8 mm的鍍鋁鋅板點(diǎn)焊質(zhì)量。

(2)其余八個(gè)工件的熔合情況都不錯(cuò)，但3#，5#、9#工件表面壓痕深度偏大，焊后變形較大。3#、9#工件焊接電流為10 kA，焊接過程中飛濺較大，所以10kA的電流點(diǎn)焊0.8 mm厚的鍍鋁鋅板偏大。5#焊接電流為8.5 kA，焊接時(shí)間為20 cyc，因焊接時(shí)間太長，工件表面壓痕深度偏大，焊后變形較大。

(3)12個(gè)工件中，綜合質(zhì)量較好的是11#和12#。焊接電流分別為8.5 kA和9.0 kA，焊接時(shí)間14 cyc，電極壓力2 400 N。焊接電流8.5 kA和9.0 kA時(shí)，接頭抗剪力平均值分別為5.572 K和5.838 kN，大大超過JIS Z 3140-1978《點(diǎn)焊焊接區(qū)的檢驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的0.8 mm厚鋼板點(diǎn)焊接頭A級(jí)抗剪力平均值3.53 kN要求；熔核直徑分別為4.55 mm和5.85mm，大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.8mm厚鋼板點(diǎn)焊接頭A級(jí)熔核直徑平均值4.5 mm要求；熔透率分別為77.2%和79.9%，滿足點(diǎn)焊熔透率20%～80%的要求，表面壓痕深度分別為50 μ m和60 μ m，滿足點(diǎn)焊重要結(jié)構(gòu)壓痕深度小于板厚10%的要求。

圖2 12組參數(shù)點(diǎn)焊接頭宏觀照片

4 焊點(diǎn)顯微金相組織與分析

4.1 焊點(diǎn)顯微金相組織

用研究級(jí)倒置顯微鏡對焊點(diǎn)進(jìn)行金相分析，12組工藝參數(shù)焊點(diǎn)金相組織如圖3所示。

4.2 焊點(diǎn)結(jié)晶形態(tài)分析

12組實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)不同，焊點(diǎn)熔核結(jié)晶形態(tài)也各有差異。有的熔核由方向性很強(qiáng)的粗大柱狀晶組成，有的柱狀晶方向不明顯，有的熔核中心還有少量等軸晶。但熔核在結(jié)合面上都有不同程度的分界線。結(jié)晶形態(tài)產(chǎn)生的原因及特點(diǎn)分析如下。

(1)柱狀晶的形成。

由于鍍鋁鋅鋼板表面鋁鋅層較軟且熔點(diǎn)低[5]，點(diǎn)焊時(shí)鋼板表面與電極貼合良好，且產(chǎn)生部分粘連，因此向電極方向的散熱很好，冷卻結(jié)晶時(shí)，晶體沿散熱相反的方向擇優(yōu)長大形成柱狀晶，其中垂直于電極表面方向長大速度最快，迅速優(yōu)先長入液體中。這些優(yōu)先長大的晶粒并排向液體中生長，側(cè)面受到彼此限制不能側(cè)向生長，只能沿散熱反方向生長，結(jié)果便形成柱狀晶。圖3中1#、2#、3#、6#工件都是明顯的柱狀晶。

(2)等軸晶形成過程。

隨著柱狀晶的發(fā)展，經(jīng)過散熱后熔核中心部分液態(tài)金屬溫度全部降至熔點(diǎn)以下，在液體金屬中雜質(zhì)等因素的作用下，滿足形核對過冷度的要求時(shí)，剩余液體同時(shí)形核。此時(shí)散熱已失去方向性，晶核可以在液體中自由生長，在各個(gè)方向上的長大速度差不多，因而形成了等軸晶。由于點(diǎn)焊工藝參數(shù)不同，焊后冷卻速度不同，所以形成等軸晶多少不同。9#、11#、12#等工件熔核中有少量等軸晶。

圖3 12組實(shí)驗(yàn)參數(shù)焊點(diǎn)金相組織

與柱狀晶相比，等軸晶各晶粒在長大時(shí)彼此交叉，枝杈間搭接牢固，裂紋不易擴(kuò)展，不存在明顯的脆性界面，各晶粒的取向不相同，其性能也沒有方向性，所以等軸晶性能優(yōu)于柱狀晶。通過選擇合適的工藝參數(shù)，可得到部分等軸晶，以改善點(diǎn)焊性能。

4.3 主要工藝參數(shù)對鍍層殘留情況的影響

(1)電極壓力的影響。

圖3共12組金相組織照片中1#、2#、3#工件，由于電極壓力較小，焊接過程中結(jié)合面上的鍍層不能被完全擠出，殘留較多，在結(jié)合面上有較明顯的分界線。其余9個(gè)工件電極壓力增大，熔核在較高的壓力作用下，鍍層幾乎被擠出，結(jié)合面鍍層殘留較少，分界線已不明顯。

(2)焊接電流的影響。

通過觀察圖3可以發(fā)現(xiàn)，焊接電流較小時(shí)，結(jié)合面鍍層殘留較多，隨焊接電流增大，結(jié)合面鍍層殘留逐漸減少。

(3)焊接時(shí)間的影響。

為分析焊接時(shí)間對鍍層殘留情況的影響，選取焊接電流和電極壓力相同(I＝8.5 kA、FW＝2 400 N)，焊接時(shí)間8 cyc、14 cyc、20 cyc的10#、11#和5#分析。通過觀察發(fā)現(xiàn)，10#結(jié)合面上鍍層殘留最多，有明顯的分界線，其余兩個(gè)工件鍍層殘留很少。其原因是焊接時(shí)間增加，使熔核在斷電前能充分?jǐn)嚢瑁谀虝r(shí)能將鍍層充分?jǐn)D出。

4.4 點(diǎn)焊主要工藝參數(shù)對焊點(diǎn)結(jié)晶形態(tài)的影響

(1)電極壓力對結(jié)晶形態(tài)的影響。

圖3中1#、2#、3#工件，由于電極壓力較小，熔核柱狀晶幾乎垂直于工件表面(3#工件最明顯)。其余9個(gè)工件由于電極壓力增大，熔核柱狀晶在較高的壓力作用下，發(fā)生部分傾斜(如12#工件)，這說明增加電極壓力對改善鍍鋁鋅鋼板熔核結(jié)晶形態(tài)有一定作用。

(2)焊接電流對結(jié)晶形態(tài)的影響。

分析焊接電流對鍍鋁鋅鋼板焊點(diǎn)結(jié)晶形態(tài)的影響，選取焊接時(shí)間和焊接壓力完全相同(T＝14 cyc，F(xiàn)W＝2 400 N)，焊接電流分別為7.0 kA、8.5 kA、9.0 kA的三個(gè)工件(對應(yīng)工件號(hào)分別為4#、11#、12#)進(jìn)行分析，觀察熔核微觀形態(tài)。可發(fā)現(xiàn)焊接電流越大，柱狀晶越粗大，方向性越強(qiáng)，焊接電流越小，柱狀晶越小，方向性越弱。

(3)焊接時(shí)間對結(jié)晶形態(tài)的影響。

對焊接電流和電極壓力相同，焊接時(shí)間8 cyc、14 cyc、20 cyc的10#、11#和5#試件進(jìn)行分析，觀察熔核的結(jié)晶形態(tài)，10#熔核幾乎全是柱狀晶，5#、11#在熔核中心有少量等軸晶。其原因是焊接時(shí)間越長，冷卻時(shí)接頭和熔核的上下與中間的溫度梯度較小，容易形成等軸晶，有利于改善接頭質(zhì)量。

4.5 焊點(diǎn)顯微組織分析

通過對點(diǎn)焊接頭顯微組織分析，鍍鋁鋅板焊點(diǎn)組織為馬氏體+貝氏體+少量鐵素體+少量珠光體。盡管鍍鋁鋅板含碳量很低，但由于焊點(diǎn)在壓力作用下結(jié)晶，電極內(nèi)有冷卻水，焊點(diǎn)冷卻速度極快，結(jié)果焊點(diǎn)和熱影響區(qū)形成了馬氏體+貝氏體組織，由于馬氏體和貝氏體的存在，焊點(diǎn)的強(qiáng)度大大提高。點(diǎn)焊中形成的是低碳板條狀馬氏體，這種馬氏體有較高的強(qiáng)度，同時(shí)又有良好的塑性和韌性。

5 電極使用壽命

5.1 鍍層對電極的污染

鍍鋁鋅鋼板點(diǎn)焊過程中，由于鍍層的熔點(diǎn)較低，與銅有較強(qiáng)的親和力，焊接過程中電極／工件界面處溫度較高，在電極壓力作用下，會(huì)發(fā)生鋅對銅合金電極端部的粘附，并且發(fā)生合金化作用，形成導(dǎo)電、導(dǎo)熱能力差、硬度低的Cu-Zn合金[6]。特別是焊接電流超過9.5kA時(shí)，鍍層對電極的污染嚴(yán)重。鍍層污染電極后，焊接過程中電極／工件界面的溫度更高，電極端部很快就變成蘑菇狀而變粗，降低了焊接電流密度，使焊點(diǎn)強(qiáng)度降低，甚至電極由于坑蝕作用而失效，大大降低電極的使用壽命。因此，電極被污染后要及時(shí)修整電極，否則就不能保證焊點(diǎn)質(zhì)量。

5.2 影響電極使用壽命的因數(shù)

影響電極使用壽命的因數(shù)有電極材料、電極形狀、電極冷卻情況、焊接工藝參數(shù)等。

(1)電極材料。

鍍層鋼板的點(diǎn)焊研究中，電極材料是一個(gè)關(guān)注的焦點(diǎn)。國外鍍鋅板點(diǎn)焊用電極材料主要有Cu-Cr (0.8%Cr)、Cu-Zr(0.15%Zr)、Cu-Cr-Zr，以及含Al3O2粒子的彌散強(qiáng)化銅[7]。鍍鋁鋅鋼板點(diǎn)焊中，分別使用了Cu-Cr、Cu-Zr、Cu-Cr-Zr三種材料的電極，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Cu-Cr-Zr電極使用壽命最長，正常使用能達(dá)到約500個(gè)焊點(diǎn)。

用電火花在Cu-Cr-Zr表面熔敷一層厚15～20 μ m的TiC，能使電極的使用壽命大大提高，采用合理的點(diǎn)焊工藝參數(shù)，能達(dá)到1 000個(gè)焊點(diǎn)以上。

(2)電極形狀。

常見的電極有截錐形、尖頭形和圓頂形。一般來講，圓頂形電極壽命最低，截錐形電極和尖頭形電極壽命相當(dāng)。Rivett[8]在研究相同的電極材料不同的電極結(jié)構(gòu)焊接1 mm厚的A1-Cu-Mg合金時(shí)發(fā)現(xiàn)，采用截錐形電極時(shí)電極的壽命(平均1 383焊點(diǎn))是圓頂形電極壽命(平均400焊點(diǎn))的3倍。本試驗(yàn)采用電極端面直徑為φ 6.0 mm的截錐形電極。

(3)電極冷卻情況。

鍍層鋼板點(diǎn)焊過程中，電極表面溫度比普通鋼板點(diǎn)焊時(shí)顯著提高[9]。因此，對電極的冷卻十分重要，冷卻水流必須充分，保證電極接近室溫，這樣才能將電極與鍍層的合金反應(yīng)減至最小，并防止因電極軟化而產(chǎn)生的凸起或電極脹大。鍍鋁鋅鋼板點(diǎn)焊中水流速度應(yīng)大于3.78L／min，進(jìn)水最高溫度不能超過30℃。

(4)工藝參數(shù)對電極壽命的影響。

點(diǎn)焊工藝參數(shù)對電極壽命的影響很大，正確選擇工藝參數(shù)是很重要的。焊接電流是點(diǎn)焊最重要的工藝參數(shù)，隨著焊接電流的增大，電極發(fā)熱大大增大，從而大大降低電極的壽命[10]。鍍鋁鋅鋼板點(diǎn)焊過程中，當(dāng)焊接電流超過9.5 kA時(shí)，電極易與焊件粘在一起，焊點(diǎn)表面出現(xiàn)明顯的銅色，這樣會(huì)大大降低電極的使用壽命。所以鍍鋁鋅鋼板點(diǎn)焊電流一般不能超過9.5 kA。焊接時(shí)間對電極壽命的影響與焊接電流對電極壽命的影響類似，當(dāng)其他焊接參數(shù)不變，增加焊接時(shí)間，電極的發(fā)熱量增加，從而降低電極的使用壽命。電極壓力主要影響焊接區(qū)電阻和電極的塑性變形量，電極壓力過小，焊接區(qū)電阻增大，其他焊接參數(shù)不變時(shí)，焊接區(qū)發(fā)熱量會(huì)增加，這必然會(huì)影響電極使用壽命；電極壓力過大，焊接中將增加焊件表面的壓痕和增大電極塑性變形的可能性。0.8 mm鍍鋁鋅鋼板焊接電流為8.5～9.0 kA，焊接時(shí)間14 cyc，電極壓力2 400 N時(shí)，電極的使用壽命可達(dá)1 000～1 200個(gè)焊點(diǎn)。

6 結(jié)論

(1)通過抗剪實(shí)驗(yàn)和金相分析可確定0.8 mm厚鍍鋁鋅鋼板較佳的工藝參數(shù)焊接電流8.5～9.0 kA，焊接時(shí)間14 cyc，電極壓力2 400 N。

(2)通過點(diǎn)焊接頭宏觀金相照片可以直觀看出焊點(diǎn)熔合情況(熔核大小、焊點(diǎn)熔透情況、表面壓痕深度等)，當(dāng)焊接電流偏小時(shí)易形成熔核直徑偏小或未熔合；焊接電流過大時(shí)，會(huì)造成熔透率太大，表面壓痕深度大，焊件變形大。

(3)鍍鋁鋅鋼板點(diǎn)焊時(shí)，焊接時(shí)間若較短，則熔核攪拌不充分，熔核結(jié)合面上存在著鋁鋅或鋁鋅鐵合金，焊后冷卻時(shí)，從靠近電極的熔核邊緣開始結(jié)晶，并以枝晶形式沿著與散熱相反的方向向核心中部生長，但由于熔核中部的鋁鋅或鋁鋅鐵合金熔點(diǎn)較低，在較高的溫度下熔核中心不會(huì)結(jié)晶，從而使枝晶生長充分，一直可延伸到上、下相碰為止，形成具有明顯方向性的柱狀晶形態(tài)，在熔核凝固的最后階段才將鋁鋅合金從熔核中擠出，并且還有微量鋁鋅殘留在熔核中，以至焊后熔核中心存在分界線。

(4)增加或減小焊接電流對改善鍍鋁鋅鋼板熔核結(jié)晶形態(tài)無明顯作用，增加焊接電流反而會(huì)使柱狀晶更粗大，方向性更強(qiáng)；增加焊接時(shí)間對改善鍍鋅鋼板點(diǎn)焊熔核結(jié)晶形態(tài)有一定的作用，能減弱結(jié)合面分界線，形成少量等軸晶；提高電極壓力對改善鍍鋅鋼板點(diǎn)焊熔核結(jié)晶形態(tài)有一定的作用，可使柱狀晶發(fā)生傾斜，方向性減弱。

(5)鍍鋁鋅鋼板點(diǎn)焊時(shí)熔核結(jié)晶以柱狀晶為主，無論采用怎樣的工藝參數(shù)匹配，在焊件結(jié)合面上都有不同程度的分界線。從改善鍍鋁鋅鋼板熔核微觀形態(tài)考慮，鍍鋁鋅鋼板點(diǎn)焊時(shí)應(yīng)采用較長的焊接時(shí)間和較大的電極壓力并匹配合適的焊接電流。

(6)用電火花在電極端面直徑為φ 6.0 mm的截錐形電極Cu-Cr-Zr表面熔敷一層厚15～20 μ m的TiC，點(diǎn)焊工藝參數(shù)較佳時(shí)，電極壽命能達(dá)到1 000～1 200個(gè)焊點(diǎn)。

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Study on processing parameters'influence to the quality and microstructure of spot-welded joint for the Al-Zn alloy coated steel

WANG Ruo-yu
(Sichuan Electromechanical Institute of Vocation and Technology，Panzhihua 617000，China)

By the spot welding experiments of Al-Zn alloy coated steel，the metallographic analysis and the shear experiment have been carried out to the spot welding joints achieved by twelve group processing parameters.The result indicates that the joint is lack of fusion in lower welding current or shorter welding time；and too higher current can cause more splashing in welding，the overproof depth of indentation on spot weld，and the stronger directional rough columnar crystals；and enhancing welding force properly can make the columnar crystals leaning or directional weakly.It is defined that the more appropriate processing parameters for 0.8 mm Al-Zn alloy coated steel spot welding is I＝8.5～9.0 kA，T＝14 cyc，F(xiàn)W＝2 400 N，by the group processing parameter in welding，both the spot-welded joint's resisting shear and the nugget size are above A-level requirement in the standard of″Method of Inspection for Spot Weld″，and the penetration rate and the depth of indentation on spot weld meet the quality requirements.

Al-Zn alloy coated steel；spot welding；metallograph；microscopic structure

TG457.19

A

1001-2303(2011)05-0066-06

2011-02-22

王若愚(1970—)，男，四川資中人，講師，碩士，主要從事焊接理論及實(shí)踐教學(xué)方面的工作。