脈沖回火焊接參數在熱成形鋼電阻焊工藝中的應用探討

面對更高的車輛安全及燃料經濟性指標，先進高強度鋼（AdvancedHighStrengthSteel，AHSS）越來越受到汽車制造廠商的青睞（見圖1）。其中熱成形鋼（Press-HardenedSteel，PHS）的高強度、高回收率及熱沖壓復雜成形能力特點，促使熱成形鋼在汽車制造領域的商業化（見圖2）。

圖2B柱加強板及B柱內板熱成形件

圖1汽車車身和車門部件材料選擇

工藝特點

熱成形鋼板主體為馬氏體，具有較高的屈服強度0 gt;1100MPa ），較高的抗拉強度（ gt;1500MPa ），較高的硬度（ gt;45HRC ），較小的延展率（ lt;10% ）。

熱沖壓成形工藝是一種集傳統熱端和冷沖壓成形為一體的全新熱處理工藝，高強度鋼在熱沖壓過程中的溫度和組織變化如圖3所示。常溫下，以鐵素體和珠光體混合物為微觀組織的硼合金鋼板（抗拉強度為400～600MPa ），經加熱爐加熱保溫后，實現充分奧氏體化，然后在具有冷卻水道系統的模具中沖壓成形并淬火，實現奧氏體向馬氏體轉變的過程（見圖4），最終得到強度高達 1500MPa 的馬氏體相鋼[1]。

圖3熱沖壓過程板料溫度歷史示意

圖4汽車常用鋼板性能分布

電阻焊技術

當前在制造領域，尤其是在汽車、航空航天、電子和家用電器等行業，電阻焊工藝均有大批量應用，本文著重探討熱成形鋼電阻點焊連接工藝的參數設定。

1.物理本質及特點

電阻焊的物理本質，是利用焊接區（兩電極間的金屬區域）的接觸電阻熱和金屬本身的電阻熱，以及大量的塑性變形能量，使兩個分離表面的金屬原子之間接近到晶格距離 （0.3～0.5nm） ），形成金屬鍵，在結合面上產生足夠量的共同晶粒而得到焊點、焊縫或對接接頭。

電阻焊的電阻熱是電流通過焊接區時，由接觸電阻和焊件內阻吸收的電能而轉換成的熱能。電阻焊過程的塑性變形能量，是電阻熱和通過電極對焊件施加壓力的共同作用獲得。

2.熱源

電阻焊的熱源是電阻熱。點焊焊接區示意和等效電路如圖5所示，當電流通過導體時，導體將析熱，其溫度會升高，這是因為導體電阻吸收的電能轉成熱能的緣故。同樣，電阻點焊時當焊接電流通過兩電極間的金屬區-焊接區-時，由于焊接區具有電阻，亦會析熱，并在焊件內部形成熱源-內部熱源。

圖5點焊焊接區示意圖和等效電路

R——焊接區總電阻； R_ew ———電極與工件間的接觸電阻；R_w ——焊件內部電阻； R ——焊件間的接觸電阻。根據焦耳定律，焊接區總的析熱量為

Q=I²Rt

式中 I ——焊接電流有效值；

R ——焊接區總電阻的平均值；

t 為通過焊接區電流的時間。

焊接區總電阻為

R=2R_cw+2R_w+R_c

式中 R_ew 一 電極與工件間的接觸電阻；

R_w 1 焊件內部電阻；

R_c ——焊件間的接觸電阻。

在焊接過程中，隨著加熱時間的變化，電極與工件、工件與工件間的接觸電阻發生變化。同時，溫度的提高是焊件的內部電阻也發生變化，并且電流也是時間的函數[2]。因此，有

式中i電流的瞬時值；r 焊接區總電阻的動態值， r=2r_cw+2r_w+r_c ：t^- 通電時間。

焊接電源作為焊接生產的能源供應裝置，其性能直接影響到焊接質量。電阻焊電源經歷了從單相到三相，從不整流到整流，從工頻到中、高頻的演變。逆變技術在焊接電源中的應用為焊接電源的發展帶來了革命性的變化，采用逆變技術的次級整流阻焊電源是目前發展的重要方向，目前應用較多的幾種電阻焊焊接電流波形如圖6所示。

圖6目前應用較多的電阻焊焊接電流波形

3.點焊接頭失效模式

焊點有以下三種失效模式：

1）界面失效，其裂紋通過熔核傳播。2）滑脫失效，指熔核與母材分離。3）部分界面失效，此時裂紋在熔核處萌生，然后偏離板厚度傳播，類似于滑脫失效?；撌У母叱休d能力和高能量吸收更易為大眾接受。

焊點的基本要求是最小承載能力大于或等于母材，承載能力由鋼板的厚度、熔核直徑及鋼材的抗拉強度共同決定。熔核直徑取決于焊接參數，在很大程度上決定了準靜態和動態加載條件下接頭的失效模式。

熱成形鋼點焊連接試驗測試

試樣抗拉強度為1653MPa的熱沖壓成形鋼，板厚是 1.2mm ，測試預熱電流、焊接電流、脈沖焊、回火電流對最大剪切力及對熔核直徑的影響。

1.試驗材料

試驗材料執行標準Q/SQRS1-125—2020，厚度為 1.2mm 的CR950/1300HS熱沖壓成形鋼，試樣尺寸30mm×150mm ，抗拉強度1653MPa，試驗材料力學性能見表1。

表1CR950/1300HS熱沖壓成形鋼沖壓前后力學性能

2.試驗方法

在焊裝車間對厚度為 1.2mm+1.2mm 熱成形鋼搭接電阻點焊實驗，每組參數十份板材，實驗設備為小原SIV21系列點焊機控制柜及中頻焊鉗，電極帽規格 ?16mm×23mm ，電極修磨端面 ?8mm ，焊接壓力3200N ，焊接后試板樣條如圖7所示，同時8組焊接參數見表2。

圖7搭接接頭示意

表2焊接參數設置

結果與分析

研究不同的焊接參數對熱成形鋼電阻點焊焊接質量的影響，以下通過拉伸力、熔核直徑尺寸、飛濺三個維度綜合評價焊接接頭質量。

焊接接頭拉伸剪切力測試。通過萬用實驗機對八組試樣進行焊接接頭拉伸剪切力拉伸測試（見圖8），測試結果統計見表3，游標卡尺測量焊核直徑尺寸，目視統計焊接飛濺。部分焊接接頭的拉伸曲線如圖9所示。

表3試樣拉伸測試

圖8拉伸剪切力拉伸測試

圖9焊接接頭拉伸曲線

8組試樣全部拉出焊核鈕扣，焊點失效模式為滑脫失效。結合表2和表3，得出如下結論：1）組2對比組1增加二次脈沖焊接，電流減小，熔核直徑尺寸增大，接頭拉伸剪切力減小。2）組3對比組2增加預熱電流，1次脈沖熔核直徑尺寸減小，接頭拉伸剪切力增大。3）組4對比組3增加回火電流熔核直徑尺寸增大，接頭拉伸剪切力增大。4）組5對比組4焊接電流減小增加焊接時間及二次脈沖焊接，熔核直徑尺寸減少，接頭拉伸剪切力減小。5）組6對比組4增加回火電流，熔核直徑尺寸增大，接頭拉伸剪切力增大。6）組7對比組4增加回火時間，熔核直徑尺寸增大，接頭拉伸剪切力增大。7）組8對比組4增加回火時間及電流，熔核直徑尺寸增大，接頭拉伸剪切力增大。

通過拉伸力、熔核直徑尺寸、焊接飛濺三個維度評價接頭質量可以得出如下結論：

1）脈沖焊可增加焊點直徑尺寸，但接頭拉伸剪切力未相應增加。

2）在相同的預熱及焊接電流下，增加回火電流及時間，可同步增加焊點直徑尺寸及接頭拉伸剪切力。

結語

電阻點焊技術是汽車裝配工廠中用于焊接零部件的一種主要連接方法，為了滿足全球不斷增長的改善燃油效率和乘員保護的需求，熱成形鋼應用比例大幅提升。結果表明，熱成形鋼電阻點焊增加焊后回火，能夠明顯提升焊點的抗剪性能；同時增加預熱和回火，能夠改善或消除焊縫區的軟化點。在汽車白車身電阻點焊的失效評價維度中，焊點拉伸試驗的斷裂形貌和尺寸不應該作為評估剪切拉伸試驗結果的唯一標準，失效載荷的試驗驗證和定期檢驗是應該重視的因素。