汽車車身用熱成形鋼電阻點焊工藝應用現狀

（東風小康汽車有限公司，重慶 402260）

0 前言

通常情況下，車身質量約占整車質量的30%～40%，汽車車身材料以鋼板為主，因此選擇同時具備輕量化與高性能的高強度鋼對降低汽車生產成本、延長使用壽命、降低油耗和提高碰撞安全性等有重要作用[1-2]。為應對汽車輕量化的趨勢，國際鋼鐵企業還開展了超輕質鋼鐵車身（ULSAB）、超輕質鋼鐵覆蓋件（ULSAC）和超輕質鋼鐵車身-先進汽車概念（ULSAB-AVC）等多個項目，研發新型高強鋼和超高強鋼材料的汽車。高強鋼一般指屈服強度大于等于500MPa的低合金鋼或合金鋼；汽車高強鋼板種類眾多，包括雙相鋼（DP）、復相鋼（CP）相變誘發塑性鋼（TRIP）、馬氏體鋼（MS）、熱沖壓硼鋼（Boron Steel）等。目前，高強鋼在汽車車身中的應用比例超過50%。而在車身的關鍵部位，強度1 500 MPa以上的熱沖壓硼鋼得到了一定程度的應用，據統計，國際典型車身熱成形鋼平均用量在15%以上（占比車身質量）。以奧迪A8為例，其17%的車身結構件使用熱成形鋼，車身結構中所用的高強度鋼材的比例已大大增加，國內新車型熱成形鋼用量也在逐步增加。

熱成形技術是利用高強度鋼板在高溫時的流動性，使成形件具有成形精度高、回彈小的優點，顯微組織由奧氏體轉變為馬氏體，大大提高了成形件強度，適合車身立柱、門檻、防撞桿和保險杠等在發生碰撞時起到減少變形作用的車身零部件[3-4]。

在汽車車身生產中更多地采用了電阻焊、激光焊等焊接技術，其中點焊工藝靈活方便、生產效率高，是現代汽車車身及其他部件主要的連接工藝方法。大量試驗表明，焊接連接會大大降低整個結構的抗疲勞破壞性能，這使得通過點焊連接的結構在工作期間常常在焊接處發生失效破壞。一輛小型車的白車身上有幾千個焊點，因此，這些焊點的連接質量會直接影響車身的各項性能，如強度、抗沖壓性能、疲勞性能等[5-6]，在超高強鋼中的體現尤為顯著[1，4，7-9]。

本研究介紹熱成形鋼的組織、工藝及性能特征，分析熱成形鋼的電阻點焊特性，介紹中頻電阻點焊技術在熱成形鋼上的應用情況，探討現代汽車車身質量控制技術。

1 熱成形鋼的成分、組織和性能特點

熱成形鋼是利用相變強化（形成馬氏體）生產出的具有超高強度和優良成形性的一種新型工藝鋼材。熱成形工藝是通過熱成形技術，將特殊的高強度硼合金鋼加熱到高于Ac3的溫度（通常900～950℃）保溫5～10 min，使材料全部馬氏體化后移至熱成形的壓機中成形淬火，零件冷卻后從模具中取出剪邊并進行表面處理，最后用點焊方式裝配到汽車車身上[10-11]，如圖1所示。熱成形鋼中添加Mn、B等元素能增加其淬透性[12]，強化前的硼合金鋼的強度約為500～600 MPa，所制得的熱成形鋼的微觀組織為板條馬氏體，其力學性能和硬度非常高，抗拉強度可達1 500 MPa，屈服強度約為1 100 MPa，硬度約為45 HRC。目前，熱成形鋼廣泛應用于汽車車門防撞梁、前后保險杠等保安件以及A柱、B柱、C柱等車體結構件的生產中。

圖1 熱成形汽車板成形及點焊連接工藝[10]

2 熱成形鋼電阻點焊工藝

由于超高強度熱成形鋼具有熱沖壓硼鋼特殊的物理化學性能，焊接參數帶非常窄[13]，而且不同廠家提供的熱成形鋼板的焊接電阻差別較大，進口的和國產的熱成形鋼板的電阻焊接性能也相差較大，這些都給汽車廠零件的點焊工藝提出了嚴重的挑戰。傳統電阻點焊熱成形高強鋼時，在不當的工藝規范下會導致焊接缺陷的產生[7]。首先，由于焊接冷卻速度較慢，不能完全生成馬氏體，出現了粒狀貝氏體和回火索氏體，易出現熱影響區軟化，大大降低熱影響區強度[8]；其次，鋼板強度高，電極壓力不能保證兩板完全壓緊，板間間隙存在較多空氣，焊接時空氣中的N2與鋼中的Ti發生反應生成TiN，在熔核冷卻過程中析出于焊縫中心，形成焊縫中心偏析物；再次，熱沖壓硼鋼材料本身的熱膨脹系數很大，在冷卻時易產生縮松等焊接缺陷，大大降低了焊核的力學性能[3-4]。此外，汽車廠很難解決熱成形鋼板點焊時出現的大飛濺和大毛刺[4，14]，只能采用后續的毛刺打磨工序，不但污染環境、浪費人力物力，而且整體降低了汽車零部件的生產效率和焊點質量[15]。

熱成形鋼電阻點焊出現的問題主要歸咎于焊接過程中復雜的化學、物理現象。經過嚴格控制熱-機械過程所獲得的超高強熱成形鋼微觀組織，經過電阻點焊后其熔核區完全發生破壞，熱影響區也發生改變，形成了由更多脆性冶金相構成的組織結構。在實際生產中，迫切需要調整焊接工藝以獲得所需的優質焊接接頭，目前生產中可行的解決之道是采用中頻點焊工藝。中頻電源是采用三相橋式全控整流電路將三相工頻交流電整流成直流，經電抗器平波后，成為一個恒定的直流電流源，把直流電流變成一定頻率（1000～8000 Hz）的單相中頻電流。此外，采用中頻電源無電感分量，不需調整功率因數，提高了熱量輸入[16-17]。

一般來說，降低熱輸入能減少焊接過程中的有害效應，如開裂、熱變形、熔化區的化學元素偏析、寬的熱影響區，進而獲得良好的焊接接頭[18]，合理的中頻電阻點焊工藝下的焊接接頭具有良好的力學性能，能滿足實際生產需求。熱沖壓22MnB5硼鋼試樣中頻電阻點焊實驗研究結果表明[4]，采用小焊接電流、適當加長焊接時間即軟規范時，加熱溫度梯度小，焊核膨脹緩慢，可以降低飛濺的發生率，但降低了生產效率；當采用大焊接電流、縮短焊接時間即硬規范時，加熱梯度大，飛濺傾向大，增加了焊接缺陷產生幾率。熱沖壓硼鋼點焊接頭試樣力學性能不僅與焊接直徑有關，還與焊核高度有關，焊透率影響焊接接頭的力學性能。中頻點焊接頭宏觀形貌和微觀組織結構如圖2所示[16]，超高強鋼接頭熔合充分，熔核和熱影響區、熱影響區和母材有明顯分界。圖2b是超高強鋼的母材組織，為均勻細小致密的馬氏體組織，在正火、回火過程中，馬氏體長大不明顯。圖2c～2e是熱影響區組織，圖2c位于不完全正火區和回火區，主要含有部分析出物和馬氏體基體，圖2d處于Ac1～Ac3之間過熱的正火區，出現了較多鐵素體組織，圖2e由粒狀馬氏體構成。在熔核部分形成尺寸略大的板條狀馬氏體組織（見圖2f），且焊接規范越硬，焊核區冷卻后形成的馬氏體板條尺寸越小，綜合性能越好。由于熱影響區形成鐵素體和產生析出部分碳化物，所以相比于母材和焊核區其硬度值較低。

圖2 中頻點焊接頭宏微觀結構[21]

3 車身電阻點焊質量控制技術

點焊過程是高度非線性、有多變量耦合作用和大量隨機不確定因素的過程，具有形核過程時間極短、處于封閉狀態無法觀測、特征信號提取困難等特點，加之焊接生產過程中各種不穩定因素如工件貼合度、焊接時壓力的大小變化、工件表面的復雜情況等，都會影響焊接時的實時電阻值。因此，國內主流汽車廠不斷嘗試新型的焊接技術和設備來保證焊接質量，總體可概括為三個轉變：由人工焊接向機器人自動化焊接轉變；由采用工頻交流焊機向中頻直流焊機轉變；由采用氣動焊鉗向伺服焊鉗轉變，力求保證焊接質量的一致性和穩定性，提高車身焊接質量。

車身焊點質量從工藝角度一般用NQST（白車身焊點強度質量水平）作為評價指標，歷來都是車身調試過程中的重點，但在實際焊接過程中，板件搭接、表面粗糙度、電極磨損、分流和板材差異等條件變化使車身NQST成為調試和生產過程中難以控制的不確定因素。由此，發展出了大量用于現代汽車白車身的焊裝線的中頻自適應焊接技術，它能根據工況變化自動調整焊接參數。自適應焊接技術也稱RAFT技術，是一種新型焊接技術，通過打開設備UI調整功能并設定監控限值，焊接過程中監控實際焊接UIR曲線，并與樣本曲線進行實時對比，動態調整焊接電流和焊接時間，確保焊接過程的穩定性，如圖3所示[19]。從硬件上，在焊鉗上增加二次電流、電壓測量接口，通過傳感器電纜接入焊機控制器，實時測量焊接過程中焊鉗兩端U、I和R的變化，并通過軟件動態模擬焊接全過程U、I和R曲線，顯示在外接PC機上，便于人們直觀了解焊接全過程的質量。

圖3 自適應焊接技術原理[19]

采用中頻自適應電阻點焊熱成形鋼板時，首先借助動態電阻樣本曲線的可視化技術，獲得各種熱成形鋼板的動態電阻特性曲線，并分析出不同類型、不同廠家提供的熱成形鋼板的動態電阻特性曲線，由此得出各種熱成形鋼板合格的焊接規范及其動態電阻樣本曲線；然后，通過試驗準確得到焊接熱成形鋼板合格的焊點（無飛濺、無毛刺）之后，立即將該動態電阻樣本曲線下載到焊接控制器；最后，打開自適應調節功能進行焊接。熱成形鋼板的焊點質量能實現完美的閉環控制，而且沒有飛濺和毛刺，提高白本身整體質量。

4 結論及展望

（1）超高強熱成形鋼點焊質量對車身結構穩定有重要影響，在合適的工藝條件下具有較好的點焊焊接性能。

（2）中頻伺服焊接技術對焊接電流、焊接壓力、焊接時間的控制更精確，可方便獲得滿足超高強熱成形鋼的焊接接頭要求的組織性能。

（3）采用自適應控制中頻電阻點焊技術能夠更好地解決現代汽車白車身焊接質量及穩定性問題，提高白車身整體質量。