DP600短周期螺柱焊焊接接頭組織與性能研究

張景璋，包曄峰，張金輝，廖海龍

（河海大學機電工程學院，江蘇常州213022）

DP600短周期螺柱焊焊接接頭組織與性能研究

張景璋，包曄峰，張金輝，廖海龍

（河海大學機電工程學院，江蘇常州213022）

采用正交試驗法，選取焊接時間、焊接電流和螺柱提升高度三種因素，分別設置三種水平進行植焊，通過目視檢驗和扭矩測試判斷焊接質量，并對質量不合格的焊接接頭進行分析。觀察焊接接頭的金相組織，并測量焊接區顯微硬度，獲得硬度變化曲線。結果表明，焊接時間和提升高度是影響焊接質量最主要的因素。6 mm螺柱植焊的最佳參數為：焊接電流720 A，焊接時間40 ms以及提升高度2.5 mm。在此參數下，焊縫區組織為馬氏體與粒狀貝氏體，硬度較高，而兩側熱影響區硬度差別較大。

DP600；短周期螺柱植焊；焊接時間；焊接電流；螺柱提升高度

0 前言

短周期螺柱焊植焊一個螺柱的時間小于100ms。與瓷環保護螺柱焊相比，短周期螺柱焊焊接時間短，可以植焊小直徑螺柱，并且可以在厚涂層薄鋼板上植焊[1]；與電容儲能式螺柱焊相比，短周期螺柱焊焊接時間較長，所以焊接輸入能量較高，能夠獲得較大的熔深，因此短周期螺柱焊植焊的焊件厚度和螺柱直徑大于電容儲能式螺柱焊，焊接接頭的可靠性也更高。短周期螺柱焊焊接時間短，可植焊范圍較廣，因此被廣泛應用于汽車制造領域。

DP600雙相高強鋼是在汽車制造領域廣泛應用的一種先進高強鋼（AHSS），其相由鐵素體和少量的馬氏體組成，一般馬氏體含量小于20%。DP600雙相高強鋼表面鍍鋅，能夠有效防銹防腐蝕，并且具有質量輕、強度高、成型性能好等優點，用在汽車車身上能夠降低車身質量、減少油耗、增加耐久度，越來越多的汽車制造商將其應用在汽車的車身制造上[2]。但是由于鍍鋅板的焊接性比一般碳鋼要差，而螺柱焊接質量的好壞直接影響到后序的裝配和車身質量[3]，因此對DP600螺柱焊焊接接頭的性能就提出了更高的要求。本研究采用直徑為6 mm的08鋼螺柱，以目視檢驗和扭矩測試為評價方法，對焊接時間、焊接電流、提升高度3個因素進行正交設計，得出最佳參數組合，并研究DP600螺柱焊焊接接頭的組織和性能。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

焊接螺柱材料為08鋼，尺寸M6×25 mm，螺柱底部有法蘭，法蘭直徑7 mm，表面鍍銅。母材為DP600雙相高強鋼，板厚1.5 mm，DP600雙相鋼的相組成為鐵素體和馬氏體，表面有鍍鋅層，鍍鋅層厚度小于25 μg/mm3。焊前對工件表面進行除油處理，保證焊接時母材表面清潔。

1.2 試驗參數

試驗焊機為常州市開創焊接技術公司生產的ASW-850型焊機，可以調整焊接時間和焊接電流。焊槍可調節螺柱提升高度和伸出長度，在實驗過程中，設定伸出長度為1 mm。根據經驗公式選取焊接時間和焊接電流，短周期螺柱焊焊接電流Iw=（95~115）d，焊接時間tw=（4～5）d（d為螺柱直徑，單位mm）。對于鍍鋅板，在先導弧階段，增大先導電流可以將表面鍍鋅層熔化、汽化，逸出電弧空間，因此選取的焊接電流要比經驗值多20%。根據以上條件，分別選取三種電流參數、焊接時間以及提升高度，采用正交試驗方法，每組參數植焊5個螺柱。正交試驗參數如表1所示。

表1 正交試驗因素水平表Table 1 Factors and levels of the Orthogonal experiment

1.3 試驗方法

焊接結束后，對每組5個焊接接頭分別進行處理。首先進行目視檢驗，觀察每個試樣的焊縫形狀。采用YD型測試扭力扳手（表盤指針式）測試扭矩。打磨拋光試樣剖面，用4%硝酸酒精溶液腐蝕表面，采用XJG-500臥式顯微鏡觀察金相組織，采用HXD-1000TMC顯微硬度計測試焊縫區的顯微硬度。

1.4 扭矩測試方法

測試扭矩時，根據ASME SectionⅨ2013標準，需在螺柱周圍墊上墊圈，再將定制的高螺母旋在墊圈的上方。用扭矩扳手扭動螺母，帶動螺柱轉動，直至產生斷裂，測得扭矩。扭矩測試示意如圖1所示。

圖1 扭矩測試示意Fig.1 Schematic diagram of torque test

2 試驗結果

2.1 目視檢驗結果

對所焊試樣進行目視檢驗，觀察焊縫成形，結果如表2所示。

表2 目視檢驗結果Table 2 Results of visual test

經過觀察，第2、4、5、6組試樣均出現了不同程度的焊縫余高不規則的現象。9組試樣均未出現焊縫不完整的情況，也沒有出現焊透等缺陷；第2組試樣植焊時，產生了較大的飛濺。

2.2 扭矩測試結果

每組試樣選取3個螺柱進行扭矩測試，測試斷裂扭矩，結果取3個螺柱的平均值如表3所示。

由扭矩測試結果可知，第1、2、4、6、7、9組試樣的斷裂位置在螺柱上，表明焊縫強度大于螺柱強度，圖2a為7-2試樣測試扭矩斷裂后的照片。第3、5、8組試樣的斷裂位置均在焊縫區，圖2b為5-2試樣測試扭矩斷裂后的照片。

表3 螺柱焊扭矩測試結果Tab.3 The results of torque test

圖2 扭矩測試斷裂在不同位置的試樣照片Fig.2 Photos of different fracture position at the torque test

2.3 正交試驗結果

正交試驗結果如表4所示。

3 結果分析

3.1 正交試驗結果分析

k1、k2、k3為各因素水平所對應的試驗指標值總和的平均值，其數值最大所對應的水平就是該因素的最優水平。各因素的最優水平組合起來即為最優參數組合，由表4可知，試驗最優組合為A1B1C2，即焊接電流720 A，焊接時間40 ms，提升高度2.5 mm。按照此工藝參數重復試驗，測得扭矩為26.7N·m，斷裂位置在螺柱上，驗證了優化結果。極差反映了試驗因素的水平變動對檢測指標變動幅度的影響，極差越大，說明對應因素對指標的影響越大，也越重要。按照極差的大小，可以列出試驗因素的主次順序為焊接時間、提升高度和焊接電流。當焊接電流相差較小時，焊接時間的長短決定了焊接熱輸入的大小，對焊接接頭的形成有著重要影響。提升高度決定了焊接電壓，試驗所選取提升高度的三種水平之間的梯度較大，由此引起的焊接接頭強度變化明顯。

表4 正交試驗結果Table 4 Results of the orthogonal experiment

3.1 目視檢驗結果分析

根據目視檢驗結果，可以認為試驗設置的焊接電流和焊接時間能產生形成完整焊接接頭所需要的能量，主要問題是2、4、5和6組試樣焊縫余高不規則。導致焊縫余高不規則的原因主要有兩個，一是磁偏吹，二是螺柱焊接時不垂直于工件。測量表明，所焊試樣均沒有出現螺柱不垂直試板的情況，可以排除焊接螺柱與工件不垂直的原因。而且，試驗時采用雙地線接地，2根地線對稱接在待焊區的兩端，可以排除因結構不對稱產生的磁偏吹[4]。分析試驗參數可知，4、5、6組試樣的提升高度是試驗中最大的，提升高度過高，焊接時電弧偏長，容易受磁場等外界因素的影響，產生偏弧，導致焊縫余高不規則，所以認為4、5、6組試樣出現的磁偏吹是由于提升高度過高引起的。第2組試樣的提升高度比4、5、6組試樣的小，但也出現了焊縫余高不規則的情況，而且有較大的飛濺，從表4可見，該組采用的焊接時間為45 ms，焊接電流為720 A，都是試驗中最大的，這種參數組合產生的焊接熱輸入大，熔化金屬量多，易產生飛濺以及焊縫余高形成不規則。

3.2 扭矩測試結果分析

由表3可知，3、5和8組試樣的扭矩測試斷在焊縫。

圖2b為5-2試樣扭矩測試后的斷面照片，其他斷裂在焊縫處試樣的斷面形貌與此相似。由圖可見，磁偏吹現象較為嚴重，焊接時熔池內的熔化金屬分布不均是導致焊接接頭強度下降的原因之一。

由圖2b還可知斷面上有大量氣孔存在，呈現蜂窩狀，應為氮氣引起的氣孔，說明在焊接過程中有空氣進入熔池。短周期螺柱焊焊接時間較短，一般不采用氣體或者瓷環保護，而是利用電弧引燃瞬間產生的爆炸效應保護焊接區域。這種方法會使部分空氣殘留在焊接區中，加之焊接過程中能量輸入快速集中，冷卻速度較快，進入熔池的空氣來不及逸出，則會在焊縫中形成氣孔[5]。氣孔的數量與焊接參數相關，電爆炸劇烈則保護效果好、氣孔少、強度高，3、5和8組試樣在焊接過程中電爆炸效應較小，焊縫中氣孔多，是導致焊接接頭強度下降的另一個原因。其中第3組試樣的扭矩最小，產生這種結果除上述兩個原因外，還與輸入能量有關，第3組試樣所用焊接時間為30 ms，焊接電流660 A，都是試驗中最小的，實測熔深只有0.3 mm，說明該組焊接能量偏低，熔化量不足是導致焊接接頭強度下降的另一原因。

3.3 微觀金相組織分析

根據正交試驗結果，對最佳參數組合條件下的焊接接頭進行取樣，試樣經打磨拋光后用4%硝酸酒精腐蝕，觀察金相組織。圖3a為螺柱側金相組織，可以看到螺柱側金相為大塊鐵素體加少量的珠光體，為08鋼的典型組織。圖3b為螺柱側熱影響區，在這片區域內，只有一部分組織經歷了相變重結晶過程，焊接時滲碳體在高溫下分解，分解出來的碳元素向鐵素體擴展，但是由于螺柱焊冷卻速度較快，高溫停留時間短，碳的擴散不充分，冷卻時保留在鐵素體里面，形成如圖3b所示的形態。在圖3b的下方可以看到有粒狀貝氏體和少量的馬氏體組織。

圖3c和圖3d為焊縫處金相組織。圖3c所示靠近焊縫中心區域，組織為低碳馬氏體和粒狀貝氏體混合組織。圖3d所示焊縫組織靠近母材，低碳馬氏體的含量較圖3c少，尺寸也更加細小。與母材側焊縫相比，螺柱側溫度較高，奧氏體晶粒尺寸較大，冷卻后所得的馬氏體尺寸相應較大[6]。

圖3e為母材側熱影響區，組織為粒狀貝氏體。圖3f為典型的母材DP600金相組織，由馬氏體和鐵素體組成。

圖4為最佳參數組合條件所焊試樣顯微硬度測試結果。DP600高強鋼母材顯微維氏硬度為245HV，螺柱硬度215 HV。比較兩個區域的熱影響區，靠近母材一側的熱影響區硬度值較大，為370 HV，靠近螺柱一側熱影響區硬度值為316 HV，兩側熱影響區馬氏體的含量不同，母材側馬氏體含量要高于螺柱側，所以硬度也較高。焊縫區域為馬氏體和粒狀貝氏體的混合組織，硬度值427 HV，硬度較高，與金相組織所觀察到的結果相吻合。

4 結論

（1）通過正交試驗結果可以得到DP600高強鋼6 mm螺柱焊的最佳參數組合為：焊接電流720 A，焊接時間40 ms以及提升高度2.5 mm；在設置的三組參數中，焊接時間是影響焊接接頭的強度的最主要因素，其次是提升高度和焊接電流。

（2）母材為DP600的螺柱焊焊接接頭在合理參數范圍內具備較高的強度，且工藝穩定。在最優參數組合條件下，焊縫處接頭內部未發現氣孔、裂紋、夾雜等焊接缺陷，且焊縫組織晶粒較細，接頭具備較高的強度。

（3）觀察金相組織，焊縫處組織為低碳馬氏體和粒狀貝氏體，硬度較高；焊縫兩側熱影響區因馬氏體含量不同，導致母材側焊縫硬度高于螺柱側焊縫硬度。

（4）焊接參數選取不當會產生不同的缺陷，如熔池內的熔化金屬分布不均、焊縫中氣孔較多以及母材和螺柱熔化量不足，最終導致焊接接頭強度下降。

[1]張義.螺柱焊技術及其應用[M].北京：機械工業出版社，2003.

圖3 焊接接頭金相組織Fig.3 Microstructure of the welding joint

圖4 最佳參數組合試樣顯微硬度Fig.4 Microhardness of the best parameters sample with stud welding

[2]關嵐，謝翔，包曄峰，等.B550和DP600全自動CO2搭接焊工藝研究[J].機車車輛工藝，2008（6）：4-6.

[3]程猛.短周期拉弧螺柱焊及其在車身焊接中的質量控制[J].上海汽車，2008（10）：36-38.

[4]池強，張建勛，付繼飛，等.拉弧式電弧螺柱焊質量影響因素[J].電焊機，2005，35（4）：6-9.

[5]Oh H S，J H Lee，C D Yoo.Simulation of capacitor discharge stud welding process and void formation[J].Science and Technology of Welding and Joining，2007，12（3）：274-281.

[6]胡立光，謝希文.鋼的熱處理（原理和工藝）[M].西安：西北工業大學出版社，2010.

Research on organization and performance of short circle stud welding joint of DP600 steel

ZHANG Jingzhang，BAO Yefeng，ZHANG Jinhui，LIAO Hailong
（School of Mechanical and Electrical Engineering，Hohai University，Changzhou 213022，China）

Orthogonal experiment method is carried out to optimize the technological parameters.Welding time，welding current and stud lifting height are selected as three factors，each factor setting three levels.Stud welding joint quality is judged by visual inspection and torque test，and substandard quality of welded joints will be analyzed.The microstructure of welded joints is observed the and welding zone hardness is measured to obtain a hardness trends.The results show that the most important factors affecting the quality of welding are the welding time and welding current，welding time and lift height influence the strength of welded joints.6 mm stud welding plant optimum parameters for the welding current 720 A，welding time 40 ms and lifting height of 2.5 mm.Under this argument，the weld zone structure is martensite and granular bainite，high hardness，and on both sides of the heat affected zone hardness difference is greater.

DP600；short circle stud welding；welding time；welding current；stud lifting height

TG453+.3

A

1001－2303（2017）02－0088-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.02.17

2016-08-17

收稿日期：中央高校專項業務經費（2014811614）

張景璋（1990—），男，江蘇徐州人，在讀碩士，主要從事螺柱焊質量控制的研究。

獻

張景璋，包曄峰，張金輝，等.DP600短周期螺柱焊焊接接頭組織與性能研究[J].電焊機，2017，47（02）：88-92.