鍍鋅板無飛濺點焊電極設(shè)計及試驗

徐世龍，朱加雷，王吉仁，郭紀賢

（1.北京汽車股份有限公司生技中心，北京101300；2.北京石油化工學院機械工程學院，北京102600）

鍍鋅板無飛濺點焊電極設(shè)計及試驗

徐世龍1，朱加雷2，王吉仁2，郭紀賢1

（1.北京汽車股份有限公司生技中心，北京101300；2.北京石油化工學院機械工程學院，北京102600）

針對傳統(tǒng)汽車鍍鋅板點焊時易產(chǎn)生飛濺以及參數(shù)可調(diào)范圍窄等問題，提出在傳統(tǒng)平電極端部設(shè)置盲孔以降低飛濺的方法，通過與傳統(tǒng)電極鍍鋅板點焊時的對比試驗可知，在電極壓力2 kN、焊接時間200 ms時，無飛濺的焊接電流區(qū)間為：傳統(tǒng)電極6～7 kA，盲孔型電極6.5～9.5 kA，且熔核直徑均不小于5 mm，接頭抗剪切力高于3.6 kN；盲孔型電極能夠有效降低汽車鍍鋅板點焊時的飛濺、毛刺等質(zhì)量問題，滿足焊接質(zhì)量要求的可選參數(shù)范圍寬，對改善點焊質(zhì)量及提高參數(shù)調(diào)試效率有一定的實用意義。

汽車；點焊；鍍鋅板；電極；飛濺

0 前言

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，鍍鋅鋼板已逐漸取代傳統(tǒng)冷軋鋼板在白車身上大量應(yīng)用[1]，但鍍鋅板的焊接質(zhì)量問題一直較為突出。點焊是白車身制造過程中常用的焊接方法，由于鍍鋅板表層鋅的存在，使焊接時的接觸電阻發(fā)生變化，導致鍍鋅板焊接性下降，點焊時焊接飛濺嚴重，后續(xù)表面需打磨處理而增加成本，同時飛濺也會惡化車間環(huán)境，并在一定程度上降低接頭機械性能。針對鍍鋅板點焊飛濺問題，技術(shù)人員進行了大量的研究，控制措施包括工藝優(yōu)化、工況改善、智能點焊機的應(yīng)用[2-4]，雖然在一定程度上能夠有效改善飛濺問題，但存在焊接工藝窗口范圍窄等問題。S.Rhee等人通過使用一種特殊結(jié)構(gòu)點焊電極有效抑制了焊接飛濺[5]。

為了解決焊接飛濺及工藝窗口范圍窄等問題，本研究重新設(shè)計了點焊電極結(jié)構(gòu)并進行點焊對比試驗，研究新電極和傳統(tǒng)電極對點焊過程的飛濺程度、接頭拉伸剪切力以及熔核直徑的影響規(guī)律。

1 試驗材料、設(shè)備及方法

選用DC56+Z鍍鋅板進行焊接試驗，試樣尺寸150 mm×50 mm×0.8 mm；采用日本OBARA SIV31型中頻直流點焊機，C型伺服焊鉗，且與現(xiàn)代機器人集成使用。

試驗用盲孔型電極頭形狀示意見圖1，具體規(guī)格見表1，試驗用焊接參數(shù)見表2。通過觀察焊接過程飛濺程度及焊點表面成形情況，利用拉伸機和游標卡尺分別測量分析接頭抗拉剪切力和熔核直徑。

圖1 新型電極示意Fig.1 View of electrode tip

表1 電極頭規(guī)格Table 1 Electrode geometry

表2 焊接參數(shù)Table 2 Welding conditions

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 飛濺程度的比較

兩種電極點焊過程中飛濺程度統(tǒng)計如圖2所示。采用傳統(tǒng)電極時，電流從7.5 kA開始有飛濺產(chǎn)生，而采用盲孔型電極在6.0～9.5 kA范圍內(nèi)均未產(chǎn)生飛濺。

圖2 不同電極形狀焊接飛濺情況Fig.2 Welding spatter using different electrode

2.2 熔核直徑的比較

不同電極形狀時，焊點熔核直徑隨焊接電流增加時的變化如圖3所示。結(jié)合圖2可知，采用傳統(tǒng)電極，未產(chǎn)生飛濺時熔核直徑在6 mm附近波動，隨著電流增加飛濺產(chǎn)生，熔核直徑開始下降，減小到5.35 mm。這是由于飛濺的產(chǎn)生使得塑性環(huán)內(nèi)的液態(tài)金屬減少導致。而采用盲孔型電極則隨著電流增加，熔核直徑緩慢增加，但始終維持在5～6 mm。從電極端部形狀角度分析，采用盲孔型電極，焊接通電時電流從環(huán)形端面流過，電流密度相對集中，在撬檢時熔核均以紐扣式剝離。

圖3 不同電極形狀點焊熔核直徑情況Fig.3 Nugget size using different electrode

2.3 接頭抗剪切力的比較

由于搭接焊點在實際應(yīng)用時多處于剪切力作用下，因此開展接頭抗剪切力研究。隨著電流增加，不同形狀電極接頭抗剪切力的變化如圖4所示。可以看出隨著焊接電流增加，盲孔型電極的接頭抗剪切力從3.6 kN不斷增加，試片上為紐扣式斷裂，在8 kA時抗剪切力變化趨于平緩，維持在4.6 kN左右。而傳統(tǒng)型電極在7 kA時最大，約為4.1 kN，隨后開始降低，這是因為此后電流增加，塑性環(huán)不能完全包住內(nèi)部的液態(tài)金屬，飛出的液態(tài)金屬形成點焊飛濺。由試樣拉伸斷裂結(jié)果照片可知，熔核均完全附著在另一側(cè)。

圖4 不同電極形狀點焊接頭抗拉剪切力Fig.4 Tensile shear strength using different electrode

2.4 焊點表面及橫截面成形對比

采用不同電極結(jié)構(gòu)后的焊點表面形貌如圖5所示。相比于傳統(tǒng)電極，采用盲孔型電極點焊時在焊點上下兩側(cè)均有一凸起產(chǎn)生，凸起高度約0.5 mm。電流為7 kA時點焊橫截面形貌如圖7所示，通過對比觀察可見，采用新電極焊接后熔核形貌發(fā)生變化，熔核中心區(qū)高度相對較高。結(jié)合圖5和圖6的結(jié)果，出現(xiàn)凸起及點焊熔核形貌變化是因為焊接過程中受到電流熱影響，電極接觸工件軟化后在電極壓力作用下發(fā)生擠壓變形進入電極凹坑內(nèi)導致。

3 結(jié)論

（1）在電極壓力2 kN、焊接時間200 ms時，傳統(tǒng)電極焊接電流6～7 kA無飛濺，高于7 kA時出現(xiàn)飛濺。

（2）采用盲孔型點焊電極，盲孔直徑2.5 mm、深度0.5mm時，電流6.5～9.5kA時焊接無飛濺，且熔核直徑均不小于5mm，接頭抗剪切力性能大于3.6kN，無飛濺電流區(qū)間大于傳統(tǒng)電極。

（3）盲孔型電極能夠有效地減少鍍鋅板點焊飛濺、毛刺等質(zhì)量問題，并且可以增大滿足質(zhì)量要求的參數(shù)范圍。

圖5 不同電極結(jié)構(gòu)焊點上下表面形貌（I=7 kA）Fig.5 Weld shapes using different electrode

圖6 不同電極結(jié)構(gòu)焊點橫截面形貌（I=7 kA）Fig.6 Weld cross section appearance using different electrode

[1]姚貴生.汽車金屬材料應(yīng)用手冊[M].北京：北京理工大學出版社，2000.

[2]趙濤.鍍鋅鋼板電阻點焊工藝研究[D].安徽：合肥工業(yè)大學，2005.

[3]豆晉清.白車身焊點飛濺解決方法探討[J].現(xiàn)代焊接，2015（10）：36-38.

[4]張永強，賈松青，章軍，等.鍍鋅汽車板力學性能對電阻點焊電流工藝窗口的影響[J].礦冶，2013，22（Z1）：116-119.

[5] J Yeom，J Yu，J Jun，et al.Study on spatterless resistance spot welding with a hollow cap tip[J].Australian Journal of Mechanical Engineering，2009，7（1）：19-23.

Design and experiment of the electrode for spatter-free spot welding of the galvanized steel sheets

XU Shilong1，ZHU Jialei2，WANG Jiren2，GUO Jixian1
（1.Baic Motor Corporation Ltd.，Manufacturing Engineer Center，Beijing 101300，China；2.Beijing Institute of Petrochemical，Technology Mechanical Engineering College，Beijing 102600，China）

In the spot welding of galvanized sheet steel in automotive industry，the spatter and the narrow range of adjustable welding parameters are important quality issues.To solve the problem，a new electrode is designed，having a small blind hole on the tip of the traditional flat tip electrode.The test results show that under the fixed condition of 2.0 kN electrode force and 200 ms welding time，the intervals of welding current with spatter-free of the new electrode and traditional one are 6.5～9.5 kA and 6～7 kA，respectively. Furthermore the nugget size is not less than 5 mm and the tensile shear strength is greater with the new electrode.The new electrode having a small hole on the tip reduces welding spatter effectively and widens the parameter range，with which it is possible to improve the spot welding quality and the efficiency of automotive body assembly and to reduce the reworking in the shop.

automotive；spot welding；galvanized steel sheet；electrode；spatter

TG457.2

A

1001-2303（2017）05-0082-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.05.17

2016-10-28；

2017-05-02

北京市教育委員會2015年度創(chuàng)新能力提升計劃項目（TJSHG2015101017023）；2016年北京高等學校高水平人才交叉培養(yǎng)“實培計劃”大學生畢業(yè)設(shè)計（創(chuàng)業(yè)類）支持計劃

徐世龍（1982—），男，碩士，主要從事焊接技術(shù)開發(fā)、智能制造及車身同步工程的研究工作。E-mail：xsl010116@126.com。

本文參考文獻引用格式：徐世龍，朱加雷，王吉仁，等.鍍鋅板無飛濺點焊電極設(shè)計及試驗[J].電焊機，2017，47（05）：82-84.