表面處理對(duì)熱鍍鋅鋼板電阻點(diǎn)焊工藝和性能的影響

汪小培，張永強(qiáng)，趙曉非，王　威，楊建煒，章　軍

（首鋼技術(shù)研究院，北京100043）

表面處理對(duì)熱鍍鋅鋼板電阻點(diǎn)焊工藝和性能的影響

汪小培，張永強(qiáng)，趙曉非，王威，楊建煒，章軍

（首鋼技術(shù)研究院，北京100043）

通過電阻點(diǎn)焊試驗(yàn)，以及成分、組織和性能分析，研究表面處理對(duì)鋼板焊接工藝和性能的影響。結(jié)果表明，鋼板經(jīng)表面處理之后，由于表面狀態(tài)和鋼板整體電阻的改變，焊接電流窗口發(fā)生了變化，但仍處在主機(jī)廠的標(biāo)準(zhǔn)要求范圍之內(nèi)；焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度略微減小，顯微硬度差別不大；表面預(yù)處理前后，鋼板表面對(duì)電極帽中Cu元素的粘連沒有明顯的變化，對(duì)電極帽使用壽命的影響不明顯。

表面處理；點(diǎn)焊；焊接工藝；熱鍍鋅鋼板

0　前言

表面處理是金屬材料防腐蝕的重要手段，也是鋼鐵產(chǎn)品生產(chǎn)過程中一道重要工序。磷化是鋼鐵材料表面處理的方法之一，是金屬通過與稀磷酸或酸性磷酸鹽溶液反應(yīng)而在其表面形成磷酸鹽保護(hù)膜的過程。磷化膜不僅能給基體金屬提供防腐蝕保護(hù)，而且具有良好的吸附性能，是作為涂料底層的常用材料。磷化膜被廣泛應(yīng)用于汽車、輪船、機(jī)械制造、航空航天和家用電器等領(lǐng)域[1-2]。

熱鍍鋅后的鋼材由于鋅的覆蓋作用，增強(qiáng)了耐蝕的能力，從而大大延長了使用壽命，起到了節(jié)約材料和資源的作用。鍍完鋅之后的鋼板在后續(xù)處理中會(huì)有一個(gè)磷化工藝，鋼板的鋅層上會(huì)附著一層磷化膜。張永強(qiáng)、賈松青等[3-4]研究了鋅重以及鋅層厚度對(duì)熱鍍鋅板電阻點(diǎn)焊工藝的影響，分析鋅層對(duì)點(diǎn)焊工藝的影響規(guī)律。目前，關(guān)于磷化處理對(duì)電阻點(diǎn)焊工藝影響規(guī)律的研究較少。本研究通過模擬磷化過程對(duì)鋼板進(jìn)行表面處理，研究熱鍍鋅鋼板在表面處理前后點(diǎn)焊焊接工藝的變化以及焊點(diǎn)性能的變化等。

1　實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為熱鍍鋅DX53D+Z鋼板，鋼板厚度0.8 mm。其主要化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1、表2，鋼板基體的顯微組織如圖1所示。

表1　鋼板的化學(xué)成分％

表2　鋼板的力學(xué)性能

圖1　鋼板基體的顯微組織

1.2試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備是OBARA DB-220型固定式逆變點(diǎn)焊機(jī)，標(biāo)稱功率為220 kVA，電極頭直徑是6 mm。點(diǎn)焊接頭試樣焊接成形后，取點(diǎn)焊接頭焊點(diǎn)的最大橫截面制備標(biāo)準(zhǔn)金相試樣，試樣腐蝕液為4％硝酸酒精溶液，使用型號(hào)為Leica DMI5000M的金相顯微鏡和Hitachi S-3400NⅡ型的掃描電子顯微鏡觀察微觀組織形貌，使用型號(hào)為Leica HXHXD-1000TM的顯微硬度測(cè)試儀測(cè)量顯微硬度，并用剪切拉伸設(shè)備Zwick-Z100的測(cè)試抗剪性能。

2　試驗(yàn)方法

采用40 mm×150 mm標(biāo)準(zhǔn)試樣片進(jìn)行點(diǎn)焊試驗(yàn)。試驗(yàn)樣片分為兩組，一組為熱鍍鋅板，另一組在熱鍍鋅板表面涂上一層磷化液進(jìn)行表面處理，使之形成磷化膜。焊后通過剝離試驗(yàn)將焊點(diǎn)撕裂。試驗(yàn)中最小焊接電流是指最小焊核直徑所對(duì)應(yīng)的電流，最大焊接電流是指產(chǎn)生飛濺時(shí)所對(duì)應(yīng)的電流，通過計(jì)算可知最小焊接直徑為3.58 mm，點(diǎn)焊試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果如表3所示。

表3　焊接窗口試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果

3　分析與討論

3.1焊接電流窗口

鍍鋅鋼板和經(jīng)過表面處理的鍍鋅板截面組織形貌的電鏡分析如圖2、圖3所示，鍍鋅板在截面上有明顯的兩層——表面的鋅層和基體，而經(jīng)表面處理的板材除了鋅層和基體外，還有表面的一層磷化層，磷化層的成分為磷酸鹽及鎂的氧化物等。

圖2　試樣板1號(hào)（未做表面處理）的截面組織形貌分析

1號(hào)板和2號(hào)板的焊接電流窗口對(duì)比情況如圖4所示。未做表面處理時(shí)，鋼板的最小焊接電流8.5 kA，最大焊接電流11.0 kA，電流窗口2.5 kA；磷化后，鋼板的最小焊接電流9.0 kA，最大焊接電流11.1 kA，電流窗口2.1 kA。表面處理之后，焊接電流下限增加，焊接電流上限變化不大，焊接電流窗口減小。究其原因：（1）經(jīng)表面處理后，鋼板的表面狀態(tài)發(fā)生變化；（2）鋼板經(jīng)表面處理后，鋼板整體電阻發(fā)生了變化，在基體電阻和鋅層電阻的基礎(chǔ)上增加了磷化涂層的電阻，使得鋼板在焊接過程中熱量的總量和分布發(fā)生了變化，從而使焊接電流窗口發(fā)生了變化。

圖3　試樣板2號(hào)（經(jīng)過表面處理）的截面組織形貌分析

圖4　表面處理前后鋼板的焊接電流窗口對(duì)比

3.2力學(xué)性能和焊縫組織

對(duì)1號(hào)樣（未做處理）和2號(hào)樣（表面處理）進(jìn)行點(diǎn)焊試驗(yàn)，此時(shí)焊接電流為10.8kA，之后進(jìn)行剪切拉伸試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，1號(hào)樣的最大力略大于2號(hào)樣。1號(hào)樣進(jìn)行的兩次試驗(yàn)中，最大力分別為4 936 N和4 967 N，2號(hào)樣做的兩次試驗(yàn)中最大力分別為4312N和4056N。

圖5　焊接電流為10.8 kA時(shí)點(diǎn)焊試樣的剪切拉伸曲線

在電流10.8kA下，經(jīng)表面處理后的鋼板和未做處理的鋼板焊縫區(qū)的金相組織如圖6所示，兩者組織都為粒狀貝氏體+鐵素體，從形貌上看，表面處理前后，兩者焊縫區(qū)的組織形貌沒有太大的差別。

圖6　焊縫組織對(duì)比

由于表面處理后存在磷化涂層，使得焊接過程中產(chǎn)生的總熱量和分布發(fā)生了變化，從而導(dǎo)致焊核的結(jié)合強(qiáng)度不同。因此，1號(hào)樣和2號(hào)樣在抗剪試驗(yàn)中的最大力存在差異。對(duì)兩種試樣進(jìn)行了焊點(diǎn)硬度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。經(jīng)表面處理后的鋼板和未做處理的鋼板母材的維氏硬度都在80～100 HV內(nèi)，焊縫處的維氏硬度都在170～205 HV波動(dòng)，兩種試樣的硬度并沒有太大的差別。

圖7　焊縫硬度分布

3.3表面處理對(duì)銅電極帽的影響

圖8和圖9是在10.8 kA電流下進(jìn)行點(diǎn)焊試驗(yàn)、經(jīng)表面處理后的鋼板和未做處理的鋼板焊點(diǎn)表面的宏觀形貌和微觀組織。通過能譜分析可知，經(jīng)表面處理后，焊點(diǎn)表面Cu元素的含量為12％～15％，而未做處理的鋼板焊點(diǎn)表面Cu元素的含量為10％～ 13％。鋼板表面處理前后，表面對(duì)電極帽中Cu元素的粘性并沒有明顯的變化，因此，鋼板進(jìn)行點(diǎn)焊的過程中不會(huì)加速電極帽的損耗，對(duì)電極帽使用壽命的影響不大。

圖8　鋼板（經(jīng)表面處理）焊點(diǎn)表面成分分布

4　結(jié)論

（1）表面處理后，鋼板的焊接電流下限增大，上限電流變化不大，焊接窗口減小，但仍處于主機(jī)廠的標(biāo)準(zhǔn)要求范圍之內(nèi)，具備推廣使用條件。

（2）鋼板未做表面處理時(shí)焊點(diǎn)的抗剪性能要優(yōu)于表面處理后的抗剪性能，而在兩種條件下，母材和焊縫處的微觀組織和顯微硬度差別不大。

（3）進(jìn)行表面處理前后，鋼板表面對(duì)電極帽中Cu元素的粘連并沒有明顯的變化，不會(huì)加速電極帽的損耗，對(duì)電極帽使用壽命的影響不大。

[1]韓恩山，王煥志，張新光，等.常溫鋼鐵磷化處理的研究[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2006，18（5）：341-344.

[2]張圣麟，陳華輝，李紅玲，等.常溫磷化處理技術(shù)的研究現(xiàn)狀及展望[J].材料保護(hù)，2006，39（7）：42-47.

[3]張永強(qiáng)，王威，賈松青，等.鋅重對(duì)高強(qiáng)GI板點(diǎn)焊工藝窗口的影響[J].電焊機(jī)，2015，45（1）：67-69.

[4]賈松青，張永強(qiáng)，劉興全，等.高強(qiáng)熱鍍鋅鋼板鋅層厚度對(duì)電阻點(diǎn)焊工藝的影響[J].電焊機(jī)，2014，44（5）：74-78.

Effect of surface treatment on the resistance spot welding procedures and properties of hot-dip galvanized steel

WANG Xiaopei，ZHANG Yongqiang，ZHAO Xiaofei，WANG Wei，YANG Jianwei，ZHANG Jun
（Shougang Research Institute of Technology，Beijing 100043，China）

The effect of surface treatment on the resistance spot welding procedures and properties of hot-dip galvanized steel were investigated by spot welding tests，and the analysis of the composition，microstructure and performance.The results show that the weld lobe is different，as the surface condition and the total resistance of the steel plate change after the surface treatment，but it still meets the standard of the manufactory.The shear strengthen decreases slightly，but there is no change in micro-hardness.After the surface treatment，the adsorption capacity of the steel plate to the Cu element in the electrode cap doesn't change significantly，and it has no influence on the service life of the electrode cap.

surface treatment；spot welding；welding procedure；hot-dip galvanized steel

圖9　鋼板（未做表面處理）焊點(diǎn)表面成分分布

TG453+.9

A

1001－2303（2016）03－0132-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.03.28

2015－10－26；

2015－11－23

汪小培（1987—），男，湖北人，碩士，主要從事材料焊接性和焊接工藝的研究工作。