雙相鋼電阻點焊動態電阻規律研究

張 磊，姚敢英，楊 浩，楊 ，王元勛

（1.華中科技大學 工程結構分析與安全評定湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430074；2.武漢鋼鐵（集團）公司，湖北，武漢 430063）

雙相高強度鋼由于將馬氏體引入到高延性的鐵素體中，從而使其具有低屈強比、高初始加工硬化速率、良好強度和延性的配合等優點，已成為現代汽車輕量化發展的主要車身制造用板材之一[1]。電阻點焊作為一種重要的焊接方法，其生產效率高、操作簡單且易于實現自動化，廣泛應用于汽車、航天航空、電子技術等部門中。電阻點焊焊接過程中，動態電阻在一定程度上反映了熔核的生長情況，與焊接質量密切相關。Dickinson等人搭建了低碳鋼點焊參數采集系統，指出動態電阻與熔核的形成過程有很大的相關性，動態電阻曲線與焊接電流、電極壓力和焊件材料有關[2]。李桂中等人對低碳鋼點焊過程中動態電阻曲線進行了修正，得到最優動態電阻特性[3]。文靜等人通過研究指出不銹鋼動態電阻曲線的拐點時間及終點值分別與熔核出現時間和最終熔核尺寸有很強的相關性[4]。萬曉慧等人研究了分流和翹曲變形影響下的不銹鋼點焊動態電阻曲線，指出不銹鋼動態電阻曲線的準穩態電阻值與熔核直徑呈現近似的指數曲線變化[5]。本文針對新型雙相高強度鋼的電阻點焊，通過采集其焊接過程中的動態電阻曲線，研究雙相鋼電阻點焊過程中動態電阻的變化規律，為焊接過程質量監控提供依據。

1 動態電阻測試試驗

采用YR—350SB2HGE型單相交流電阻焊機，由電流傳感器、積分放大電路以及示波器組成數據采集系統獲取焊接電流，通過連接在點焊機上下電極間的導線直接測量電壓信號，如圖1所示。為了屏蔽點焊過程中大電流帶來的磁場干擾，引出導線采用雙絞線形式。

試驗試件為1.7 mm厚的DP600雙相鋼。將試件切割成120 mm×40 mm兩兩搭接，在其搭接中心處焊接，如圖2所示。電極材料為鉻鋯銅，端面直徑6 mm。試驗過程中預壓時間與保壓時間均為10周波（1周波為0.02 s）。

試驗中焊接電流、電極間電壓的波形采用示波器輸出。為了減小系統噪聲以及測量過程中外界的干擾，將測得的信號采用Matlab編程降噪、濾波。濾波后的噪聲基本上已經去除，滿足精度要求。根據濾波后的電流與電壓信號，提取電流信號的峰值I與相應時刻電壓信號值U，根據歐姆定律可求得相應時刻的電阻。取峰值時刻的電流值計算電阻的目的在于消除交流電的電感。描述不同時刻的電阻值與時間的關系，便可得到雙相鋼點焊過程中的動態電阻曲線。

2 試驗結果與討論

2.1 雙相鋼電阻點焊動態電阻的變化規律

圖3是焊接電流為8.5 kA，焊接時間為14周波，電極壓力為3 150 N時試驗測得的雙相鋼點焊動態電阻圖。由圖3可知，焊接初始由于帶有氧化膜的工件表面較為粗糙，接觸電阻大，隨著電極壓力的施加，氧化膜被壓碎，工件的接觸面積增大，接觸電阻急劇減小，動態電阻曲線下降。當電阻值減小到一定程度后，動態電阻曲線迅速上升。這是由于焊接開始后，隨著通電時間的增加，焊接區溫度不斷上升，雙相鋼中的鐵素體與馬氏體開始奧氏體化，而奧氏體的電阻率高于鐵素體和馬氏體，電阻值隨之增加。動態電阻曲線達到峰值后，呈現單調下降趨勢，這是由于隨著工件表面的溫度升高，材料軟化使彈塑性變形增大，形成電極壓痕，導致通電路徑變短，電阻下降。當溫度升高到一定值后，因受到電極的限制，熔融金屬被擠向焊件之間，使焊件之間的空隙增大，導電面積的增大受到限制，故動態電阻緩慢減小并趨于穩定[6-7]。

2.2 焊接參數對動態電阻的影響

圖4是電極壓力為4 700 N，焊接時間為14周波，焊接電流分別為4.5 kA、6.3 kA和8.5 kA的動態電阻曲線。由圖4可知，起初動態電阻值隨著焊接電流的增加而減小，這是因為焊接電流越大，產生的熱量越多，溫度越高，在相同的電極壓力作用下焊件表面的彈塑性變形越大，接觸面積越大，接觸電阻越小。但是在不同焊接電流的情況下，電阻值的峰值基本上是一致的，只是到達峰值的時間隨著電流的減小而延后。這是因為電阻峰值的大小主要取決于奧氏體化的程度以及溫度，焊接電流越小達到相同的奧氏體化的程度和溫度所需的時間越長。此外，動態電阻曲線下降階段拐點出現的時刻隨著焊接電流的增加而提前。電流越大，產生的熱量越多，溫度的上升速度也會越快，在其它情況相同的前提下，熔核出現的時間越早，熔核的生長直徑會越大，導致電阻快速下降到相同電阻值所需要的時間越少。拐點后的下降階段，隨著電流值的增大，電阻的終值越小，這主要是在不發生噴濺的前提下，電流越大，產生的熔核也越大[8]，導電面積越大，電阻越小。

電極壓力是影響電阻點焊質量的重要因素，圖5是焊接電流為8.5 kA，焊接時間為14周波，電極壓力分別為3 650 N、4 200 N和4 700 N的動態電阻曲線。從圖中可以看出電極壓力對動態電阻的影響較大，整個電阻曲線呈現出隨著電極壓力增大而整體下降的趨勢。這是因為，在焊接初始階段，電阻值主要由接觸電阻組成，隨著電極壓力的增加，工件與工件之間、電極與工件之間的彈塑性變形增大，接觸面積增大，較大的壓力擠壓工件表面的氧化膜，直到將其壓碎，促使電阻值減小。在接下來的焊接過程中，由于焊接電流不變，故焊接熱量一致。但是隨著壓力越來越大，電極壓痕增大導致通電路徑縮短，電阻值越小。然而由圖5可知，不同電極壓力下的曲線的拐點時間幾乎一致，這說明動態電阻曲線拐點出現的時間不隨電極壓力的變化而變化。

2.3 虛焊與發生噴濺時的動態電阻變化規律

電阻點焊過程時間極短，焊接工藝參數的不合理設置或是短時波動都可能造成熔融金屬的飛濺、虛焊甚至脫焊等焊接質量缺陷[9]。圖6是虛焊時的動態電阻曲線圖。此時焊接電流為4.3 kA，電極壓力為4 700 N，焊接時間為13周波。由圖6可知，電阻值的初始值較大，這主要是由于接觸電阻的作用，但是在第2個階段電阻值的上升速度很緩慢。隨著溫度的上升電阻值達到峰值，然而到達峰值后電阻值迅速下降。

當電流過大或電極壓力偏小時，點焊往往容易發生焊接噴濺，在發生噴濺時，動態電阻會發生突降。焊接噴濺的產生會降低焊件的表面質量，影響焊件的耐腐蝕性能及疲勞強度，降低電極的使用壽命和焊件的力學性能[10]，因此在焊接過程中應避免發生噴濺。圖7是當焊接電流為10 kA，焊接時間為17周波，電極壓力為3 650 N發生焊接噴濺時的動態電阻曲線。由圖7可知，在發生噴濺時動態電阻出現一個驟降，同時穩定電阻值減小，減小幅值達50 μΩ左右，這與沒有發生噴濺時的動態電阻差別非常明顯，因而可以利用動態電阻的這一規律來監測雙相鋼電阻點焊是否發生焊接噴濺。

3 結論

（1）雙相鋼電阻點焊的動態電阻與雙相鋼在點焊過程中的微觀組織變化有著密切的關系。溫度升高以及奧氏體化的發展促使動態電阻曲線迅速上升并且達到峰值，完全奧氏體化后電阻曲線為單調下降曲線且下降越來越平緩，并出現拐點。

（2）焊接電流對動態電阻曲線影響較大。當焊接電流增大時，電阻曲線的峰值與拐點提前達到，但是不同電流下的峰值變化不是很明顯。電極壓力的減小導致電阻曲線的整體上移，但電阻峰值點與拐點的時間不變。

（3）當電流或焊接時間過小時，焊件產生虛焊，電阻峰值點延后，并且下降段沒有拐點；當焊接電流或焊接時間過大，則會出現焊接噴濺，此時電阻曲線下降段會出現突降?？梢姡附舆^程中動態電阻的變化規律可以較好地體現焊接質量，因而可利用動態電阻的變化情況監控雙相鋼電阻點焊質量。

[1]康永林，鄺霜，尹顯東，等. 汽車用雙相鋼板的開發與研究進展 [J]. 汽車工藝與材料，2006(5)：1-5.

Kang Yonglin，Kuang Shuang，Yin Xiandong，et al.Research on Progress and Development of Dual Phase Steel Sheet for Automobiles [J]. Automobile Technology& Material，2006(5)：1-5.(in Chinese)

[2]DICKINSON D W，FRANKLIN J E，STANYA A.Characterization of Spot Welding Behavior by Dynamic Electrical Parameter Monitoring [J]. Welding Journal，1980，59(6)：170-176.

[3]李桂中，徐國成，李樹槐. 低碳鋼點焊動態過程的模型化控制 [J]. 焊接學報，1995，16(2)：75-80.

Li Guizhong，Xu Guocheng，Li Shuhuai. Adaptive Modelling Control During Dynamic Process of Resistance Spot Welding for Low-Carbon Steel Sheet [J].Transactions of the China Welding Institution，1995，16(2)：75-80.(in Chinese)

[4]文靜，王春生，徐國成，等. 不銹鋼電阻點焊過程中的動態電阻變化規律分析 [J]. 焊接學報，2008，29(11)：69-72.

Wen Jing，Wang Chunsheng，Xu Guocheng，et al.Analysis on Dynamic Resistance in Resistance Spot Welding of Stainless Steel [J]. Transactions of the China Welding Institution，2008，29(11)：69-72.(in Chinese)

[5]萬曉慧，楊思乾，馬鐵軍，等. 不銹鋼點焊動態電阻曲線與熔核直徑的關系 [J]. 電焊機，2005，35(2)：23-25.

Wan Xiaohui，Yang Siqian，Ma Tiejun，et al. Relationship Between DRC and Nugget Diameter of Stainless Steel in Resistance Spot Welding[J]. Electric Welding Machine，2005，35(2)：23-25. (in Chinese)

[6]王亞榮，張忠典，馮吉才. 電阻點焊過程中動態電阻的變化規律 [J]. 電焊機，2006，36(2)：42-44.

Wang Yarong，Zhang Zhongdian，Feng Jicai. Studies of Dynamic Resistance of Resistance Spot Welding [J].Electric Welding Machine，2006，36(2)：42-44. (in Chinese)

[7]TAN W，ZHOU Y，KERR H W，et al. A Study of Dynamic Resistance During Small Scale Resistance Spot Welding of Thin Ni Sheets [J]. Journal of Physics D：Applied Physics，2004，37(14)：1998-2008.

[8]孫庭秀.焊接電流對鋁合金點焊接頭組織的影響 [J]. 加熱工工藝，2013，42(1)：180-182.

Sun Tingxiu. Effect of Welding Current on Microstructure of Welded Joints of Aluminium Alloy [J]. Hot Working Technology，2013，42(1)：180-182. (in Chinese)

[9]ZHANG H Y，HU S J，SENKARA J，et al. A Statistical Analysis of Expulsion Limits in Resistance Spot Welding[J]. Journal of Manufacturing Science and Engineering Transactions of the ASME，2000，122(3)：501-510.

[10]王凱，李冬青，張忠典，等. 低碳鋼點焊噴濺的動態電阻特征參量 [J]. 焊接學報，2006，27(7)：97-100.

Wang Kai，Li Dongqing，Zhang Zhongdian，et al.Characteristic Parameter of Dynamic Resistance for Splash in Resistance Spot Welding Low Carbon Steel [J].Transactions of the China Welding Institution，2006，27(7)：97-100.(in Chinese)