螺母凸焊焊點斷口形貌分析

易明輝，余 進，羅 滏，余群鋒，劉 超，嚴 愷

（1.南京威邇德汽車零部件有限公司，江蘇南京211100；2.南京理工大學材料科學與工程學院，江蘇南京210094）

螺母凸焊焊點斷口形貌分析

易明輝1，余 進2，羅 滏2，余群鋒1，劉 超2，嚴 愷2

（1.南京威邇德汽車零部件有限公司，江蘇南京211100；2.南京理工大學材料科學與工程學院，江蘇南京210094）

分析常規(guī)螺母材料10B21與H260PD+Z鍍鋅鋼板凸焊焊點的斷裂方式。對工件進行破壞性試驗，通過SEM觀察焊點的斷口形貌，結合焊點內部金相組織，發(fā)現(xiàn)螺母凸焊焊點的斷裂方式分為兩種：當斷裂發(fā)生在熔合區(qū)時，斷裂為脆性斷裂；當斷裂發(fā)生在板材的熱影響區(qū)時，為韌性斷裂和脆性斷裂的混合斷裂方式。結合理論分析和實際生產發(fā)現(xiàn)，當斷裂發(fā)生在板材的熱影響區(qū)時，斷口具有一定的韌性，這樣的斷裂方式對螺母凸焊更為安全。

螺母；凸焊焊點；SEM；斷口形貌

0 前言

螺母凸焊一般采用扭力值檢測其強度。實際焊接過程會出現(xiàn)扭力滿足螺母焊接的標準，但仍然出現(xiàn)螺母脫落的現(xiàn)象[1-3]。為此，某汽車零部件生產商提出螺母凸焊不僅要滿足扭力的要求，還需要滿足破壞試驗，即螺母凸點需要拉破板材，以此來保證螺母不會脫落。本研究針對厚大螺母與鍍鋅鋼板的凸焊結果，研究螺母在拉破板材情況下的斷裂方式。

1 材料和設備

（1）試驗材料。螺母材料為10B21，板材為鍍鋅鋼板H260PD+Z，材料成分見表1和表2，螺母與板材零件形狀如圖1所示，螺母為帶法蘭的M10圓螺母，三個凸點均勻分布在法蘭下表面，凸點總長度占圓周的1/2，板材厚度2.5 mm。

表1 10B21的化學成分Table 1 Chemical constituent of 10B21%

（2）焊接設備：小原DB-220固定式逆變點焊機。

表2 H260PD+Z的化學成分Table 2 Chemical constituent of H260PD+Z %

圖1 螺母形狀與螺母凸點分布Fig.1 Shape of nut and the distribution of protruding points

2 試驗結果分析

在生產車間現(xiàn)場，對工件進行破壞試驗時會出現(xiàn)兩種情況，如圖2所示。1#是焊點撕裂板材從熔合區(qū)斷裂，2#是焊點拉破板材從板材的熱影響區(qū)斷裂。

圖2 典型的兩種斷裂方式Fig.2 Two typical frature modes

2.1 焊點內部金相組織

螺母凸焊焊點內部各區(qū)域金相組織如圖3所示。圖3a為板材熱影響區(qū)組織，板材熱影響區(qū)受熱后晶粒長大，形成塊狀的鐵素體，在晶界上有少量珠光體，與焊前相比，晶粒明顯長大，沒有新相產生。圖3b為熔合線附近的組織，熔合線兩側組織差異明顯，熔合線下方為板材熱影響區(qū)，熔合線上方為焊核，熔合線附近的熔核晶粒成條狀分布，并且與熔合線垂直，具有一定的方向性。圖3c為熔核內部的金相組織，可以看出，螺母凸焊熔核內部晶粒沒有像點焊一樣具有很強的方向性，內部的晶粒成條狀、塊狀分布，這是因為螺母較厚，凸焊時螺母側的溫度高于板材側，散熱較慢，使得鍛壓冷卻階段電極的冷卻作用不能使熔核內部金屬較快地凝固結晶。圖3d為螺母熱影響區(qū)的金相組織，該區(qū)域為針狀和條狀組織，晶粒較粗大，硬度達到500 HV，說明熱影響區(qū)內很可能產生了少量馬氏體，這是因為螺母受到電極壓力的作用，螺母法蘭在高溫下受壓產生了較大的應變，應變誘導了奧氏體向馬氏體轉變[4-6]，也有可能在螺母熱影響區(qū)內形成了下貝氏體組織，為針狀的α-Fe和Fe3C的復相組織。

2.2 焊點斷口形貌分析

斷裂發(fā)生在熔合區(qū)的斷口形貌如圖4所示。圖4a為螺母從熔合區(qū)斷裂的零件外觀，三個凸點撕裂板材，其中A位置為凸點的根部，斷裂發(fā)生在螺母側；B位置為斷口的表面，斷裂發(fā)生在板材的熔合區(qū)。圖4b為圖4a中圓圈內的斷口400倍狀態(tài)下的形貌，圖4b中的A、B對應圖4a中的A、B。圖4c為圖4b中A區(qū)域的局部放大的斷口形貌，圖4c中能夠清晰的看到晶粒輪廓，并且平整光滑，此區(qū)域的斷裂方式為沿晶斷裂，該區(qū)域的晶粒結合強度不高，主要原因是該區(qū)域屬于螺母側的焊核部分，晶粒粗大，在整個斷口中所占比例較小，很少發(fā)生。圖4d為圖4b中的B區(qū)域，該區(qū)域面積較大，在熔合區(qū)斷裂時，多數(shù)為該種情況，從圖4d的斷口形貌可以看出，斷口上有典型的解理臺階，該種斷裂方式為解理斷裂，發(fā)生這種斷裂方式的原因是該區(qū)域的晶粒較大和受到正應力的作用。由此說明，當斷裂發(fā)生在熔合區(qū)時，凸點處螺母側撕裂，斷裂類型為脆性斷裂，是沿晶斷裂和解理斷裂的混合斷裂方式；當在只存在板側撕裂時，斷裂類型為解理斷裂。

圖3 焊點金相組織圖Fig3 Metallographic organization graphs of welding joint

圖4 在熔合區(qū)斷裂的斷口形貌Fig.4 Fracture morphology in fusion zone

斷裂發(fā)生在板材熱影響區(qū)的斷口形貌如圖5所示，其中圖5a為拉破板材后螺母的情況，A為被拉破板材的上部，B靠近凸點根部。圖5b為200倍電鏡下拉破凸點的斷口形貌，其中A、B對應圖5a中的A和B，圖5c為A點1 000倍下的形貌，該區(qū)域具有剪切韌窩的特征，這是因為該區(qū)域為板材的熱影響區(qū)，雖然晶粒長大但基體組織并未改變，仍然為鐵素體和珠光體組織，具有一定的韌性，而且離焊核較遠，離焊核越遠，剪切韌窩越明顯，該區(qū)域為韌性斷裂和脆性斷裂的混合斷裂方式；圖5d為B點1 000倍下的形貌，該區(qū)域沒有韌窩的特征，斷口形貌成舌狀花樣，屬于解理斷裂，為脆性斷裂，這是因為該區(qū)域距離熔核較近，屬于焊核周圍的塑性環(huán)區(qū)域，經歷了較大的熱循環(huán)，內部組織發(fā)生了改變，晶粒粗大。并且在圖5d中，C位置處出現(xiàn)了裂紋，說明在破壞試驗時該區(qū)域有發(fā)生斷裂的傾向。

圖5 在板材熱影響區(qū)斷裂的斷口形貌Fig.5 Fracture morphology in sheet HAZ

綜上所述，焊點斷裂為兩種方式：在熔合區(qū)斷裂時，斷裂為脆性斷裂；當斷裂發(fā)生在板材熱影響區(qū)時，為韌性斷裂和脆性斷裂的混合斷裂方式。

從焊接質量上來講，焊接接頭不希望以脆性斷裂的方式失效，因此，不希望該螺母凸焊從熔合區(qū)斷裂，盡管焊接的螺母滿足扭力要求，但仍希望在發(fā)生斷裂時具有一定的韌性，讓斷裂發(fā)生在板材的熱影響區(qū)，這樣的斷裂方式更為安全。

3 結論

10B21螺母與鍍鋅鋼板進行螺母凸焊時，其焊點的斷裂方式主要有兩種：一是斷裂在焊點熔合區(qū)的脆性斷裂方式，二是斷裂在板材熱影響區(qū)的脆性斷裂和韌性斷裂的混合斷裂方式。從安全和焊接質量上考慮，凸焊螺母時應盡可能使螺母凸焊的焊點能拉破板材，使其斷裂時具有一定的韌性。

[1]張志惠.凸焊螺母的焊接工藝研究[J].燕山大學學報，2001，25（3）：245-247.

[2]李娜，衣海明.螺母凸焊工藝參數(shù)優(yōu)化[J].焊接學報，2001，45（11）：37-38.

[3]張永強，王威，賈松青，等.合金元素表面富集對高強鋼螺母凸焊性能的影響[J].電焊機，2014，44（9）：112-114.

[4]王建泳.奧氏體鋼應變誘發(fā)馬氏體的試驗研究[J].鍋爐技術，2013，44（3）：48-51.

[5]劉春成，姚可夫，高國峰，等.應力應變對馬氏體相變動力學及相變塑性影響的研究[J].金屬學報，1999，35（11）：1125-1127.

[6]盧志鵬，祝文軍.壓力作用下鐵bcc—hcp馬氏體相變的微觀機制[J].高能密度物理，2013（1）：7-10.

Analysis of fracture morphology of projection welding weld for nut

YI Minghui1，YU Jin2，LUO Fu2，YU Qunfeng1，LIU Chao2，YAN Kai2
（1.Nanjing Weld Automobile Parts Co.，Ltd，Nanjing 211100，China；2.School of Materials Science and Engineering，Nanjing University of Science&Technology，Nanjing 210094，China）

In this paper,the fracture modes of projection welding weld of both conventional nut 10B21 and galvanized steel sheets are analyzed.After destructive test，through observing the weld's fracture morphology by SEM and considering its internal microstructure，it is found that there are two kinds of weld fracture modes of projection welding weld for nut：Brittle fracture in fusion zone and mixed fracture of brittle fracture and ductile fracture in sheet HAZ.Theoretical analysis and practical experience reveals that fracture shows some toughness when fracture occurs in sheet HAZ，and this fracture mode is safer for nut projection welding.

nut；projection welding weld；SEM；fracture morphology

TG409

B

1001-2303（2017）04-00

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.04.

獻

郭吉昌，朱志明，閆國瑞，等.基于UG的弧焊機器人離線編程系統(tǒng)開發(fā)[J].電焊機，2017，47（01）：1-6.

2015-10-21；

：2017-04-05

易明輝（1965—），男，江蘇南京人，教授級高工，主要從事汽車整車及零部件設計開發(fā)、汽車制造工藝技術開發(fā)、工廠設計與規(guī)劃等研究工作。