高強熱鍍鋅鋼板鋅層厚度對電阻點焊工藝的影響

賈松青，張永強，劉興全，王 威

(首鋼技術研究院，北京 100043)

0 前言

低合金高強熱鍍鋅鋼板H340LAD+Z具有耐腐蝕性的同時具備優良的沖壓性能，已經成為汽車制造用鋼板的熱門材料［1－2］。由于電阻點焊具有生產效率高、易于實現自動化等優點，已經在汽車工業中廣泛采用，并將繼續成為汽車工業中鋼板的主要焊接方法［3］。熱鍍鋅鋼板的焊接一直是汽車制造領域的難點。試驗著重對比兩種鋅層厚度條件下的可焊電流窗口、電極持久性以及焊接接頭金相組織，分析熱鍍鋅鋼板鋅層厚度對焊接質量的影響。

1 試驗材料及設備

1.1 試驗材料

試驗所用材料是首鋼順義冷軋公司生產的低合金高強熱鍍鋅鋼板H340LAD+Z，鋼板規格1.75 mm×40 mm×160 mm，A材料鋅層薄，B材料鋅層 厚。材料成分見表1，力學性能見表2。

表1 鋼板的化學成分及鋅層質量

表2 鋼板的力學性能

1.2 試驗設備

試驗采用的焊接設備是OBARA st31 IT85固定式中頻逆變點焊機，電極極頭材質CrZrCu，極頭直徑6 mm。點焊接頭試樣焊接成型后，取點焊接頭的最大橫截面制備標準金相，金相試樣腐蝕試液為4%硝酸酒精溶，使用型號為Leica DMI5000M的金相顯微鏡觀察及照相設備采集顯微組織相片，并使用型號為Leica HXHXD－1000TM顯微硬度測試儀采集顯微硬度數據。同時使用抗剪試驗設備的型號為Zwick－Z100。

2 試驗方法

焊接試驗的具體參數見表3，焊接后立刻撕裂焊點，觀察焊核大小。試驗中所用到的可焊電流范圍下限為最小焊核直徑所對應的電流，可焊電流范圍上限為焊接時產生飛濺的臨界電流。通過計算可知最小焊核直徑為5.3 mm。由于焊件表面狀態、電極表面狀態等有所差別，所得電流值有一定差別，但在一個較小范圍內變化可視為合理。焊接過程中電極充分水冷。

當極頭安裝好后，對試樣進行焊接，以200 A為步長遞增，找到焊接工藝窗口的A點，按照三點滿足條件確定A點原則。焊接工藝窗口由最小焊點直徑曲線和飛濺曲線組成。最小焊點直徑曲線由三個不同焊接時間下的三個試樣確定的最小直徑所對應的電流值組成，三個焊接時間在本測試中為:最大(1脈沖，525 ms)、中等(1脈沖，437 ms)、最小(1脈沖，350 ms)。飛濺曲線由這三個焊接時間下試驗發生飛濺時所對應的電流組成。尋找飛濺點時，電流以200 A為步長增長。

表3 焊接窗口試驗參數表及結果

在350 ms焊接時間條件下，測試兩種材料持久性打點性能。持久性打點性能測試打點頻率30點/min，每隔200個點測量一次焊點直徑，如果焊點形核直徑大于5.3 mm，繼續進行持久性打點性能測試。如果焊點形核直徑小于5.3 mm，則停止試驗，持久性極限值按照最近一次合格的焊點數計算。當累積測試累積達到1 000點時，停止試驗。

表4 持久性打點性能測試及結果

3 結果和討論

3.1 焊接電流窗口

由結果可知，對應350 ms、437 ms和525 ms三個焊接時間，材料A焊接電流窗口分別為3.3 kA、3.2 kA、3.1 kA，平均焊接電流窗口 3.2 kA。材料B 焊接電流窗口分別為 2.7 kA、2.6 kA、2.6 kA，平均焊接電流窗口2.6 kA。材料A的平均焊接電流窗口比材料B大0.6 kA，約23%。

兩種材料焊接電流窗口的對比如圖1所示?？梢钥闯觯敽附訒r間由350 ms增大到525 ms后，焊接電流均有減小的趨勢，減小幅度300～500 A。其主要原因是焊接時間增大，注入能量增大，而焊點形核和飛濺所需的能量為定值，因此當焊接時間增大后，相應的焊點形核和飛濺的焊接電流應減小。

圖1 A/B兩種材料焊接電流窗口對比

對比材料A與材料B的焊接電流窗口可以發現，材料B的焊接電流窗口較材料A發生左移，特別是飛濺曲線，兩者相差600～700 A，說明焊接材料B較材料A容易發生飛濺，其主要原因是材料B的鋅層厚度比較大，導致材料B的導熱性降低，大量的能量不能透過鋅層傳遞到基板材料中，當能量積聚足夠大以后會破壞鋅層，將能量直接注入基板，導致基板過熱發生飛濺。而對于形核曲線，由于焊接電流較小，鋅層表面聚集的能量不大，當鋅層被破壞后，注入基板的能量較少，對形核影響較小。由圖1可知，材料B的形核曲線比材料A的形核曲線小100～200 A。

3.2 組織性能分析

A/B兩種材料鋅層厚度對比如圖2所示。用掃描電鏡對比材料A與材料B鋅層截面可以發現，兩種材料鋅層與基體結合較好，鋅層結構完整。材料A的鋅層厚度6.87 μm，材料B的鋅層厚度為9.33 μm，材料 A 比材料 B 的鋅層厚度小2.46 μm，約26%。對比材料A的焊接電流窗口比材料B的焊接窗口大23%可以發現，材料鋅層厚度增長的比例與材料焊接電流窗口成反比關系，鋅層厚度增大會導致焊接電流窗口減小。

圖2 A/B兩種材料鋅層厚度對比

在焊接時間350 ms的條件下，對比材料A與材料B焊接電流窗口上下限的組織(見圖3、圖4)，可以發現兩種材料的內部組織無明顯變化，焊接電流窗口下限所對應的焊點直徑約5.4 mm，焊接電流窗口上限所對應的焊點直徑約7.5 mm。

圖3 A/B兩種材料焊接電流窗口下限對應組織

3.3 力學性能分析

對圖4中的金相組織進行顯微硬度測試，測量位置如圖5所示，從零點開始，沿實線每0.2 mm測量一個點，共進行50個測量點，圖6為每個測量點所測得的顯微硬度值。母材組織的硬度平均值為100 HV，且隨著組織中貝氏體含量的增加，硬度也隨之增加，在焊縫內部硬度達到最大。采用兩種材料焊接電流窗口上限值進行試驗，焊接完成后進行抗剪拉伸試驗，試驗結果見表5。材料A抗剪拉伸最大值比材料B抗剪拉伸最大值小419 N，約2%，該差值在系統誤差范圍內，可以認為兩種材料的最大抗剪拉伸力相同。

圖4 A/B兩種材料焊接電流窗口上限對應組織

圖5 焊點硬度位置測量示意

表5 A/B兩種材料焊點最大拉伸力

通過力學分析，對于鋅層不同的兩種材料，其焊接電流窗口上限所對應的焊點力學性能無明顯差異，鋅層的變化不會影響到焊點力學性能。

3.4 持久性打點性能測試

A/B兩種材料持久性測試對比如圖8所示。對比兩種材料電極持久性打點性能可以發現，材料B由于鋅層比較厚，導致電極持久性測試點達到800點，再繼續進行電極持久性打點性能測試，則焊點不能滿足最小焊點直徑要求。而材料A的電極持久性測試點可以達到測試的終止條件1 000點。其主要原因是，材料B表面鋅層厚度較大，在焊接時與電極頭接觸過程中，鋅層容易脫落黏粘在銅電極表面，導致銅電極磨損嚴重，與材料A情況相比較，表現的形式為電極頭直徑變大。同等條件下，電極頭直徑變大后，電流密度必然降低，導致電極持久性測試點的合格數量小于材料A。

圖6 焊縫硬度分布

通過對比可以看出，鋅層厚度較大時，對電極持久性打點測試影響較大，導致合格的測試點降低。

4 結論

(1)對于1.75 mm厚熱鍍鋅H340LAD+Z材料的電阻點焊接，鋅層厚度對焊接電流窗口影響較大。鋅層厚度降低26%，會使焊接電流窗口增大23%。鋅層厚度主要影響焊接電流窗口上限，對于焊接窗口電流下限影響較小。

(2)鋅層厚度的變化對于焊點熱影響區以及焊核的組織分布、顯微硬度、最大抗剪力等力學性能指標影響不明顯。

(3)鋅層厚度大時，電極持久性打點測試合格點數降低。鋅層厚度大會加快電極的磨損，使電極持久性測試點由1 000點降為800點。

圖7 A/B兩種材料持久性測試對比

［1］楊思乾，張 勇，李京龍，等.TC3鈦合金的雙脈沖點焊試驗研究［J］.新工藝·新技術·新設備，2002(11):45－48.

［2］周 景，杜 坤.汽車鍍鋅板點焊規范研究［J］.合肥工業大學學報(自然科學版)，2007(12):132－135.

［3］高建紅，王 敏，伍青青，等.TRIP590高強鋼板的點焊工藝性能研究［J］.電焊機，2008，38(11):27 －31.

［4］王 威，張永強.TRIP780高強鋼的點焊工藝性能［J］.電焊機，2011，41(10):73 －76.