汽車車身特種鋼材點焊工藝研究

吳青云，侯玲，王學敏

江淮汽車股份有限公司技術中心 安徽合肥 230022

1 序言

隨著能源危機和環境問題的日益加劇，節能和安全成為汽車制造業的主要發展方向。在降低油耗、減少排放的諸多措施中，車身輕量化減重效果最為明顯。車身重量減輕10%可節省燃油3%～7%。為了降低車身的重量，同時保證車身的安全、防腐等質量指標要求，近年來世界各大主機廠的汽車逐步增加了高強鋼、熱成形鋼和鍍鋅鋼等特種鋼材的應用比例。

我公司在特種鋼材應用上也大幅提升，新產品高強鋼應用比例達60%以上，鍍鋅板的應用比例達30%以上。高強鋼、熱成形鋼和鍍鋅鋼等特種鋼材在車身上的大量應用給焊接技術帶來新的挑戰。傳統的工頻焊接設備難以保證焊接質量，以往的焊接工藝也無法滿足新產品調試的需求。本文基于特種鋼材焊接困難的現象，分析其焊接困難的原因，并探討其焊接方法，為后續項目汽車車身特種鋼材焊接提供參考。

2 汽車車身特種鋼材

2.1 高強鋼

在汽車車身用鋼領域，強度是產品最重要的性能指標。一般將抗拉強度≥270MPa級別的鋼稱為高強鋼，抗拉強度≥700MPa級別的鋼稱為超高強鋼。

高強鋼分為傳統高強鋼和先進高強鋼。傳統高強鋼以鐵素體為主要微觀組織，通過析出和固溶等強化手段，強度一般在600MPa以下。在傳統高強鋼基礎上，引入馬氏體、貝氏體等高強相結構，借助這些高強相的強化作用，在不對成分體系作顯著改變的前提下，大幅度提高材料的性能。這類以相變強化為主要強化機制的高強鋼被稱為先進高強鋼（AHSS），強度級別可覆蓋450～1700MPa，包括雙相鋼（DP鋼）、相變誘發塑性鋼（TRIP鋼）和馬氏體鋼（M鋼或Mart鋼）等[1]。

DP鋼主要組織為鐵素體+少量馬氏體，具有高強度、高韌性以及較高的強屈比，主要應用于汽車的保險杠、車門、車輪以及車體的縱橫梁等各種安全零件中。TRIP鋼顯微組織為多相組織，主要由鐵素體、貝氏體、殘留奧氏體和少量馬氏體組成，具有高強度、高延伸及高碰撞吸收性能，常用于汽車的保險杠、汽車底盤等防撞部位。馬氏體鋼顯微組織幾乎全部為板條馬氏體組織，具有較高的抗拉強度（可達1600MPa），通常用于成形要求不高的車門防撞杠等零件。先進高強鋼顯微組織如圖1所示。

圖1 先進高強鋼顯微組織

2.2 熱成形鋼

熱成形鋼技術是指鋼材經過950℃的高溫加熱后一次成形，又迅速冷卻，從而全面提升了鋼材強度，屈服強度達1000MPa以上，即每平方厘米能承受10t以上的壓力。由于熱成形鋼的特殊性質，并且是加熱后成形，因此可以在一道工序完成普通冷沖壓成形需多道工序才能完成的復雜形狀。具有很好的材料成形準確性，可消除材料回彈的影響，實現復雜的形狀。因其超高的強度與極高的機械安全性，熱成形鋼板主要應用于前后保險杠骨架以及A柱、B柱、前圍等重點部位，在發生碰撞時，尤其在正面和側面碰撞時可有效減少駕駛艙變形，保護駕乘人員的安全。

2.3 鍍鋅鋼

鍍鋅鋼是在鋼板表面鍍一層薄而致密的鋅金屬層，防止鋼板表面受到腐蝕，以達到延長鋼板使用壽命的目的。按照鍍鋅板生產工藝及深加工方法的不同，鍍鋅板主要分為熱鍍鋅板和電鍍鋅板。目前汽車常用的為熱鍍鋅板，根據鍍層方式不同又可分為純鋅鍍層（GI）和鋅鐵合金鍍層（GA）兩種。因其優良的成形及防腐性能，所以鍍鋅鋼板主要應用于側圍外面、翼子板、門外部等外覆蓋件，提高車身的防腐蝕性能。

3 汽車車身特種鋼材焊接工藝研究

3.1 電阻焊及其焊接質量影響因素

（1）電阻焊 電阻焊又稱接觸焊，屬壓力焊范疇，是以電阻熱為能源的一類焊接方法。電阻焊是使工件處在一定電極壓力作用下，利用電流通過工件時所產生的電阻熱將兩工件之間的接觸表面熔化，從而實現連接的焊接方法。電阻焊一般包括點焊、縫焊、凸焊和對焊等。

電阻焊焊接過程中電流產生熱量可用下式來計算，即

式中Q——電極間產生的熱量（J）；

I——焊接電流（A）；

R——電阻（Ω）；

t——焊接時間（s）。

焊接質量可通過控制參數I、R、t來實現，其中I、t可通過焊接控制器來設置；R主要由板件本身的材料特性及加壓力決定，可表示為R＝R1(材料本身電阻)+R2（工件接觸電阻），材料確定后，R1保持不變，R2隨接觸壓力變化關系可表示為

式中KC——與接觸材料、表面情況、接觸方式有關的系數，通常由試驗得出；

F——接觸壓力（N）；

m——與接觸形式有關的系數，對點、線、面接觸分別取0.5、0.7、1。

由此可得出實際工件電阻焊焊接過程中產生的熱量計算式為

（2）點焊質量影響因素 影響點焊焊接質量的因素主要分為材料因素、設備因素、電極因素。

1）材料因素。影響點焊質量的材料因素包括母材成分、鍍層種類、鍍層厚度、鋼板厚度等，一般衡量母材成分變化可將鋼鐵中各種合金元素折換成C當量，C當量越高，焊接越困難，C當量值可簡單換算為Ceq＝wC+wSi/30+wMn/20+2wP+4wS。當C當量較小時，不需要預熱（板厚太大時則需要預熱）。當C當量較大時，冷裂紋的敏感性將增大，焊接時一般需要預熱。不同鋼材C當量值分布及斷裂形式如圖2所示。由圖2可看出，總體上高強鋼C當量較大，隨著板材強度增加，C當量增大。圖2中C當量值分布位于紅線范圍內的材料，焊接質量相對較好實現，撕裂試驗時能夠形成紐扣斷裂，反之超出范圍的材料則焊接困難，一般呈界面斷裂，難以形成紐扣。

圖2 不同鋼材C當量值分布及斷裂形式

鍍層種類和厚度對點焊質量產生影響，鋼板增加鍍層會導致焊接困難，焊接窗口變窄，所需電流更大。其中純鋅鍍層（GI）與鋅鐵合金鍍層（GA）相比，前者需要更高的焊接電流，但焊接窗口相比稍寬。在其他因素不變的情況下，鍍層越厚，焊接窗口越窄。鍍層變化對其焊接性能影響如圖3所示。

圖3 鍍層變化對焊接性能影響

2）設備因素。影響點焊質量的設備因素主要指焊機、焊鉗。焊機一般有中頻直流及工頻交流，前者為三相均衡輸入，直流輸出，參數穩定，頻率高達1000Hz，響應速度1ms，次級電流輸出能力強，波形平直，熔核尺寸穩定的范圍擴大，幾乎不飛濺，且焊接初級階段電流呈自然遞增，焊點表面質量好。焊鉗一般有氣動焊鉗及伺服焊鉗。氣動焊鉗的電極壓力由氣缸驅動，無法得到精確控制和保證；伺服焊鉗使用伺服電動機驅動電極，從而能夠精確地控制電極壓力，實現軟接觸，消除沖擊變形，提高焊接質量[2]。中頻直流、工頻交流、氣動、伺服焊接技術對比如圖4所示。研究表明，中頻焊機+伺服焊鉗，可以有效解決高強鋼的焊接問題，提高焊接質量，擴展焊接性范圍，減少電極頭磨損。隨著輕質高強鋼在車身上的應用越來越廣泛，伺服焊槍和中頻直流焊機必將取代傳統的氣動焊槍和工頻交流焊機，成為車身生產線上主要的焊接設備[2]。

圖4 技術對比

3）電極因素。影響點焊質量的電極因素主要包括電極材料、電極端面形狀，實際焊接過程還與電極表面潔凈度及對中度有關。常用點焊電極材料分為三類，I類為高電阻率、中等硬度的銅及銅合金，如純銅、鋯鈮銅，適用于制作鋁及鋁合金的電極，也可用于鍍層鋼板的點焊，但性能不如II類。II類具有較高的電導率，硬度高于I類，如鉻銅、鉻鋯銅，是最通用的電極材料，廣泛地用于點焊低碳鋼、低合金鋼、不銹鋼及鍍層鋼等；III類為電阻率低于I類和II類、硬度高于II類的銅合金，如鈹鈷銅，適用于點焊不銹鋼和高溫合金等電阻率和高溫強度高的材料。另外，氧化鋁彌散強化銅電極（Cu-Al2O3）是一種新型的電極材料，強度較高，可以大大減輕電極的蘑菇狀變形，用于點焊鍍鋅鋼和普通碳素鋼，電極壽命可達II類電極的4～10倍，但成本較高。

3.2 高強鋼焊接工藝研究

（1）高強鋼焊接難點 高強鋼的顯著特點是強度高、C當量大，其焊接相對普通鋼主要存在以下難點。

1）高強鋼焊接窗口比軟鋼窄，圖5所示為同板厚普通鋼與高強鋼的焊接窗口對比。

圖5 普通鋼與高強鋼焊接窗口

2）高強鋼強度高需要更大的電極壓力，焊鉗選型時應確保其最大輸出壓力。

3）高強鋼成形后回彈大，回彈引起的裝配間隙會給點焊帶來巨大的負面影響，調試過程需重點關注板件搭接。

4）隨著母材強度升高，焊點強度增加，界面斷裂傾向也隨之增加，焊點難以形成紐扣，但即使界面斷裂仍具有良好的承載能力。

5）高強鋼焊接區硬度高，但1000MPa以上可能出現熱影響區軟化現象。

對于高強鋼焊接而言，隨著鋼材強度的提高，母材、熱影響區、熔核硬度與強度均總體呈現升高趨勢，當強度超過一定值時，熱影響區硬度呈現低于母材硬度的趨勢，熱影響區發生軟化現象，如圖6所示。

圖6 高強鋼熱影響區軟化情況

（2）高強鋼焊接性能分析 試驗過程以DP1180 高強鋼為例，分析其焊接性能，依據DP1180成分以及前文所述公式計算，其Ceq相對較高，位于圖2窗口的界面斷裂區域，難以形成紐扣。圖7所示為采用單脈沖焊接工藝形成的顯微組織結構，焊接電流4.8kA，焊接時間360ms，電極壓力為4kN，電極為球形電極。可以看出板材表面壓痕較深，熔核位置鋼板間隙較大，焊接過程存在明顯裂紋，且裂紋貫穿塑性環進入熔核內部，容易發生界面斷裂。

圖7 單脈沖焊接工藝下的顯微組織結構

采用多脈沖的焊接工藝，并研究不同回火電流、回火時間、電極形式下焊接質量及焊接窗口，得到的顯微組織結構如圖8所示。從圖8可看出，采用多脈沖焊接工藝，焊接裂紋相比單脈沖顯著改善，但未消除，且隨著回火電流增大，回火時間增長，焊接裂紋有改善，但效果不明顯。采用平面電極形式替代球型電極，能夠顯著提高焊接質量，焊接裂紋消失，無焊接壓痕。球形電極及平面電極的焊接窗口如圖9所示。由圖9可看出，采用平面電極或球形帶端面電極焊接，焊接窗口由1.0kA提高到2.8kA。

圖8 多脈沖焊接工藝下不同回火電流、回火時間、電極形式的顯微組織結構

圖9 球形電極及平面電極的焊接窗口

（3）高強鋼焊接措施 依據高強鋼特性、焊接難點及相關分析，高強鋼相對于軟鋼點焊工藝制定原則如下：高強鋼適合小參數焊接；增加焊接時間，采用多脈沖，并根據材料的屈服強度不同提高電極壓力20%以上；增加電極工作面直徑，改變電極種類，采用球形帶端面電極或平面電極焊接。考慮高強鋼實際焊接特點，尤其是Ceq高到一定情況下容易出現界面端面，難以形成紐扣，但此種情況下仍然具有良好的焊接強度，可考慮調整點焊質量標準，可接受熔核直徑減小，不以紐扣作為評價標準。

3.3 熱成形鋼焊接工藝研究

熱成形鋼屬于高強鋼的一種，強度相對更高，一般強度＞1000MPa。熱成形鋼具有以下特點。

1）熱成形鋼點焊熱影響區存在明顯的軟化，在進行熱成形鋼焊接時要預留足夠的搭接量，且焊核到零件邊部要保持足夠距離，否則零件受外力時易從熱影響區開裂；在保證接頭強度的情況下盡可能采用小的熱輸入，減少熱影響區寬度。

2）熱成形鋼點焊前，必須去除熱沖壓過程中形成的氧化皮，否則會嚴重影響焊接質量。

3）熱成形鋼強度非常高，需要更大的焊接壓力。

3.4 鍍鋅鋼焊接工藝研究

（1）鍍鋅鋼焊接難點 鍍鋅鋼的顯著特點是鋼板表面增加一層鋅鍍層，其焊接相對普通鋼主要存在以下難點。

1）焊接電流需增加：點焊時鋅層優先熔合，接觸電阻降低；首先熔化的鍍層在電極壓力作用下被擠出焊接區，在熔核區外形成鋅環，增加焊接區接觸面積，使流經焊接區的電流密度降低。

2）需要提高電極壓力：為了將熔化的鋅快速擠出焊接區，使基板和基板有效接觸，一般比冷板焊接時壓力提高20%～25%。

3）增加電極修磨頻次：鋅層易導致電極粘槍及合金化，導致接觸電阻大，電極發熱，保持電極端部形狀變差，因此需增加修磨頻次。

4）加強電極冷卻：粘鋅導致接觸電阻大，電極發熱，需降低電極溫度，減少電極變形。

5）焊接窗口變窄：形成熔核所需電流升高，較冷軋板更易發生飛濺，導致焊接窗口比冷軋板窄。鍍鋅鋼焊接電極頭表面粘鋅情況及鍍鋅板的焊接窗口如圖10所示。由圖10可知，鍍鋅鋼相比普通鋼的焊接窗口縮窄一半以上[3]。

圖10 鍍鋅鋼焊接電極頭表面粘鋅情況及鍍鋅板的焊接窗口

（2）鍍鋅鋼焊接性能分析

1）電極壓力對鍍鋅板焊接的影響。選擇DC56+ZF鍍鋅板，板厚0.7mm，弧面電極，研究其焊接窗口。試驗驗證后發現，隨著電極壓力的增大，可焊電流的范圍增大，同時由于電極壓力增大，使焊接區接觸面積增大，電流密度減小，所需最小焊接電流提高，如圖11所示。另外，電極壓力增大后，熔核直徑變大，可減少縮孔，但同時壓力增大會導致電極磨損加速，同時電極壓力增加也受到焊鉗、電極強度的限制，因此應合理選擇鍍鋅鋼焊接所需壓力，同時適當提高焊接電流。

圖11 電極壓力對鍍鋅鋼焊接趨勢

2）電極種類對鍍鋅鋼焊接的影響。針對電極對鍍鋅鋼焊接的影響，分別從電極頭端面形狀及材質兩個方面進行分析。

首先選擇DC53D+Z鍍鋅板，板厚0.8mm，分別采用球形電極和平面電極焊接（見表1）。由圖12可看出，球形電極焊接電流為8.4～11.1kA，平面電極焊接電流為12～12.9kA，球形電極具有更大的焊接窗口，同時可焊接的電流最小。

圖12 球形電極和平面電極鍍鋅鋼焊接窗口

表1 不同電極形狀焊接參數

其次選擇DP800鍍鋅鋼，板厚1.5mm，焊接壓力3.6kN，分別采用鉻鋯銅（CrZrCu）和氧化鋁彌散強化銅電極（Cu-Al2O3）焊接（見表2），研究其焊接窗口，如圖13所示。由圖13可看出，鉻鋯銅電極焊接窗口寬度1.3kA，氧化鋁彌散強化銅電極焊接窗口寬度2.9kA，由此得出采用氧化鋁彌散強化銅電極可顯著提高焊接范圍。同時氧化鋁彌散強化銅電極能夠顯著改善焊接過程中電極粘槍現象，提高電極使用壽命。

表2 鉻鋯銅和氧化鋁彌散強化銅電極焊接電流

圖13 鉻鋯銅和氧化鋁彌散強化銅電極焊接窗口

（3）鍍鋅鋼焊接措施 依據鍍鋅鋼特性、焊接難點及相關分析，鍍鋅鋼板相對于普通鋼板點焊工藝制定原則如下：點焊鍍鋅鋼時，應比不帶鍍層的鋼板提高電流20%～30%，同時提高電極壓力20%，增大預壓時間10%，選擇多脈沖焊接工藝、圓弧面電極，在不考慮成本的情況下可選用彌散強化，增加電極修磨頻率，增強電極冷卻能力。連續生產時可選用有焊接電流步增功能的焊接電源控制器。

4 結束語

本文圍繞高強鋼、熱成形鋼及鍍鋅鋼的材料特性、焊接難點，研究其焊接特性，并提出焊接工藝制定原則及措施，為后續項目中特種鋼材的應用作指導。

綜上所述，特種鋼材焊接質量保證從工藝上需要考慮以下幾方面。

1）工藝參數。優選多脈沖焊接工藝，選擇合適的工藝參數。高強鋼焊接適合小參數，適當加大焊接時間，尤其是強度超過800MPa的情況下；鍍鋅鋼焊接適合大參數，應比不帶鍍層的鋼板提高焊接電流20%～30%；高強鋼、鍍鋅鋼焊接均應根據材料強度及鍍層厚度提高電極壓力20%以上。

2）電極類別。高強鋼適合平面電極或球形帶端面電極，能夠保證板材貼合，改善焊接壓痕及熔核裂紋；鍍鋅鋼適合球形電極，能夠快速擠出板材表面鋅層，焊接窗口相比平面電極或球形帶端面電極更寬，同時應增大修磨頻次，保證電極表面質量，必要時可選擇氧化鋁彌散強化銅電極（Cu-Al2O3）焊接。

3）焊接設備。優選中頻焊機+伺服焊鉗，可以穩定輸出焊接電流及壓力，確保特種鋼材焊接質量。