脈沖回火焊接參數(shù)在熱成形鋼電阻焊工藝中的應(yīng)用探討

面對(duì)更高的車輛安全及燃料經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，先進(jìn)高強(qiáng)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(qiáng)度、高回收率及熱沖壓復(fù)雜成形能力特點(diǎn)，促使熱成形鋼在汽車制造領(lǐng)域的商業(yè)化（見圖2）。

圖2B柱加強(qiáng)板及B柱內(nèi)板熱成形件

圖1汽車車身和車門部件材料選擇

工藝特點(diǎn)

熱成形鋼板主體為馬氏體，具有較高的屈服強(qiáng)度0 gt;1100MPa ），較高的抗拉強(qiáng)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(tǒng)熱端和冷沖壓成形為一體的全新熱處理工藝，高強(qiáng)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(qiáng)度為400～600MPa ），經(jīng)加熱爐加熱保溫后，實(shí)現(xiàn)充分奧氏體化，然后在具有冷卻水道系統(tǒng)的模具中沖壓成形并淬火，實(shí)現(xiàn)奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的過程（見圖4），最終得到強(qiáng)度高達(dá) 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(shù)

當(dāng)前在制造領(lǐng)域，尤其是在汽車、航空航天、電子和家用電器等行業(yè)，電阻焊工藝均有大批量應(yīng)用，本文著重探討熱成形鋼電阻點(diǎn)焊連接工藝的參數(shù)設(shè)定。

1.物理本質(zhì)及特點(diǎn)

電阻焊的物理本質(zhì)，是利用焊接區(qū)（兩電極間的金屬區(qū)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(gè)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(jié)合面上產(chǎn)生足夠量的共同晶粒而得到焊點(diǎn)、焊縫或?qū)咏宇^。

電阻焊的電阻熱是電流通過焊接區(qū)時(shí)，由接觸電阻和焊件內(nèi)阻吸收的電能而轉(zhuǎn)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(duì)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(diǎn)焊焊接區(qū)示意和等效電路如圖5所示，當(dāng)電流通過導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體將析熱，其溫度會(huì)升高，這是因?yàn)閷?dǎo)體電阻吸收的電能轉(zhuǎn)成熱能的緣故。同樣，電阻點(diǎn)焊時(shí)當(dāng)焊接電流通過兩電極間的金屬區(qū)-焊接區(qū)-時(shí)，由于焊接區(qū)具有電阻，亦會(huì)析熱，并在焊件內(nèi)部形成熱源-內(nèi)部熱源。

圖5點(diǎn)焊焊接區(qū)示意圖和等效電路

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

Q=I²Rt

式中 I ——焊接電流有效值；

R ——焊接區(qū)總電阻的平均值；

t 為通過焊接區(qū)電流的時(shí)間。

焊接區(qū)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(nèi)部電阻；

R_c ——焊件間的接觸電阻。

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

式中i電流的瞬時(shí)值；r 焊接區(qū)總電阻的動(dòng)態(tài)值， r=2r_cw+2r_w+r_c ：t^- 通電時(shí)間。

焊接電源作為焊接生產(chǎn)的能源供應(yīng)裝置，其性能直接影響到焊接質(zhì)量。電阻焊電源經(jīng)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(shù)在焊接電源中的應(yīng)用為焊接電源的發(fā)展帶來了革命性的變化，采用逆變技術(shù)的次級(jí)整流阻焊電源是目前發(fā)展的重要方向，目前應(yīng)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(yīng)用較多的電阻焊焊接電流波形

3.點(diǎn)焊接頭失效模式

焊點(diǎn)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(shí)裂紋在熔核處萌生，然后偏離板厚度傳播，類似于滑脫失效。滑脫失效的高承載能力和高能量吸收更易為大眾接受。

焊點(diǎn)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(qiáng)度共同決定。熔核直徑取決于焊接參數(shù)，在很大程度上決定了準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)加載條件下接頭的失效模式。

熱成形鋼點(diǎn)焊連接試驗(yàn)測試

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

1.試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)度1653MPa，試驗(yàn)材料力學(xué)性能見表1。

表1CR950/1300HS熱沖壓成形鋼沖壓前后力學(xué)性能

2.試驗(yàn)方法

在焊裝車間對(duì)厚度為 1.2mm+1.2mm 熱成形鋼搭接電阻點(diǎn)焊實(shí)驗(yàn)，每組參數(shù)十份板材，實(shí)驗(yàn)設(shè)備為小原SIV21系列點(diǎn)焊機(jī)控制柜及中頻焊鉗，電極帽規(guī)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(shí)8組焊接參數(shù)見表2。

圖7搭接接頭示意

表2焊接參數(shù)設(shè)置

結(jié)果與分析

研究不同的焊接參數(shù)對(duì)熱成形鋼電阻點(diǎn)焊焊接質(zhì)量的影響，以下通過拉伸力、熔核直徑尺寸、飛濺三個(gè)維度綜合評(píng)價(jià)焊接接頭質(zhì)量。

焊接接頭拉伸剪切力測試。通過萬用實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)八組試樣進(jìn)行焊接接頭拉伸剪切力拉伸測試（見圖8），測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表3，游標(biāo)卡尺測量焊核直徑尺寸，目視統(tǒng)計(jì)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(diǎn)失效模式為滑脫失效。結(jié)合表2和表3，得出如下結(jié)論：1）組2對(duì)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(duì)比組2增加預(yù)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(duì)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(duì)比組4焊接電流減小增加焊接時(shí)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(duì)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(duì)比組4增加回火時(shí)間，熔核直徑尺寸增大，接頭拉伸剪切力增大。7）組8對(duì)比組4增加回火時(shí)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(gè)維度評(píng)價(jià)接頭質(zhì)量可以得出如下結(jié)論：

1）脈沖焊可增加焊點(diǎn)直徑尺寸，但接頭拉伸剪切力未相應(yīng)增加。

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

結(jié)語

電阻點(diǎn)焊技術(shù)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(hù)的需求，熱成形鋼應(yīng)用比例大幅提升。結(jié)果表明，熱成形鋼電阻點(diǎn)焊增加焊后回火，能夠明顯提升焊點(diǎn)的抗剪性能；同時(shí)增加預(yù)熱和回火，能夠改善或消除焊縫區(qū)的軟化點(diǎn)。在汽車白車身電阻點(diǎn)焊的失效評(píng)價(jià)維度中，焊點(diǎn)拉伸試驗(yàn)的斷裂形貌和尺寸不應(yīng)該作為評(píng)估剪切拉伸試驗(yàn)結(jié)果的唯一標(biāo)準(zhǔn)，失效載荷的試驗(yàn)驗(yàn)證和定期檢驗(yàn)是應(yīng)該重視的因素。