焊接參數對鍍鋅低碳鋼板點焊接頭抗剪切力的影響

王丙旭，張 宇，施澤平，Gary C.Barber，馮祖德

1.浙江理工大學 機械與自動控制學院，浙江 杭州 310018 2.奧克蘭大學 汽車摩擦學中心，羅徹斯特 48309，美國3.慧能焊接設備有限公司，廣東 東莞 523000

0 前言

鍍鋅是一種重要的鋼鐵防腐方法，通過對鋼板表面進行熱鍍鋅處理，形成致密的保護層可有效提高其抗腐蝕能力[1-5]。鍍鋅鋼板廣泛應用于汽車車體、輪船隔艙板和電氣設備外殼等，通常采用電阻點焊連接[6-8]。在電阻點焊過程中，工藝參數如焊接電流、焊接時間和電極壓力等對焊接接頭質量有著重要影響，而接頭質量很大程度上決定了焊件的服役性能，一旦工藝參數不合理，很容易出現凹陷、裂紋和變形大等缺陷。

潘小強等[9]研究了焊接時間對低碳鋼點焊接頭微觀組織和抗剪切力的影響規律，結果表明熔核區內的馬氏體尺寸隨焊接時間的延長逐漸增大，硬度下降，焊件的抗剪切力先增大后減小。王鵬博等[10]研究了鍍鋅CP780復相鋼的點焊電流工藝窗口以及焊接接頭的微觀組織和力學性能，發現焊接電流窗口為6.0～8.0 kA，最大焊接電流下點焊接頭的最大剪切力和正拉力分別為21.8 kN、10.56 kN，相比最小焊接電流分別提高了51.8%和38.0%。周磊磊等[11]研究了熱鍍鋅DP780鋼板電阻點焊性能并優化了焊接工藝參數，結果表明熱鍍鋅DP780鋼板的點焊性能良好，但焊接工藝窗口較窄，點焊接頭組織為馬氏體和鐵素體，塑性較差。當前大多數研究針對焊接電流或焊接時間對點焊接頭組織和性能開展了相關研究，并沒有綜合分析各個焊接工藝參數對點焊接頭的影響程度。

文中以熱浸鍍鋅Q235低碳鋼板為研究對象，基于正交試驗法重點研究焊接電流、焊接時間和電極壓力對點焊接頭抗剪切力的影響規律，并分析了最佳焊接工藝參數下點焊接頭的微觀組織、硬度分布和抗剪切力，為熱浸鍍鋅低碳鋼板的實際應用提供數據支持。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料為熱浸鍍鋅Q235低碳鋼板，尺寸為120 mm（長）×35 mm（寬）×1 mm（厚），其化學成分如表1所示。鍍鋅層厚度約為8μm。母材微觀組織為鐵素體和少量珠光體，如圖1所示。

表1 低碳鋼Q235化學成分（質量分數，%）Table 1 Chemical composition of low carbon steel（wt.%）

圖1 低碳鋼的顯微組織Fig.1 Microstructure of low carbon steel

1.2 試驗設備

電阻點焊設備為MD-40中頻逆變點焊機，電極為直徑6 mm的鉻鋯銅平頭電極，如圖2所示。兩個鍍鋅低碳鋼板的搭接面尺寸為30 mm×35 mm，點焊位置為重疊部分的中心處，如圖3所示。通過線切割從焊件上切取金相試樣，打磨、拋光、腐蝕后，使用VM3000I倒置金相顯微鏡觀察點焊接頭熔核區、熱影響區和母材區的微觀組織；使用XHV-1000TCCD型維氏硬度計測量點焊接頭硬度分布，載荷為0.98 N，時間10 s；使用MINCEE 30 kN雙臂拉力試驗機測量點焊接頭的抗剪切力，位移速度5 mm/min，測得抗剪切力-位移曲線如圖4所示。

圖3 電阻點焊鍍鋅低碳鋼板試樣尺寸Fig.3 Dimension of resistance spot-welded galvanized low carbon steel sheets

圖4 抗剪切力-位移曲線Fig.4 Shearing strength-displacement curve

1.3 正交試驗

采用三因素三水平設計正交試驗方案，影響鍍鋅低碳鋼板點焊接頭抗剪切力的主要因素為焊接電流、焊接時間和電極壓力，每個因素設置三個水平，具體如表2所示。

表2 三因素三水平正交試驗Table 2 Orthogonal tests with three factors and three levels

2 結果與討論

2.1 正交試驗

正交試驗結果如表3所示。1～7組熱浸鍍鋅鋼板試樣的抗剪切力較低，失效模式均為界面斷裂，如圖5a所示，這多是焊接工藝參數設置不當造成熔核較小且熔核內缺陷較多，促使斷裂發生在界面處。8組、9組鍍鋅低碳鋼板試樣的抗剪切力均超過7 kN，失效模式為典型的紐扣斷裂，如圖5b所示，這是由于熔核區和熱影響區的強度和塑性較母材區差異較大，在剪切力作用下，熱影響區與母材區發生不同程度的塑性變形，形成應力集中，從而造成裂紋的萌生和擴展。相比于界面斷裂試樣，紐扣斷裂試樣的抗剪切力更高，與賀地求[12]、鄭森[13]等人的研究結果一致。

表3 正交試驗結果Table 3 Results of orthogonal tests

圖5 電阻點焊鍍鋅低碳鋼板試樣剪切失效模式Fig.5 Failure mode of resistance spot-welded galvanized low carbon steel sheets

對正交試驗結果進行極值分析。Kj1、Kj2、Kj3分別表示不同因素三個水平下抗剪切力之和，分別表示不同因素三個水平下抗剪切力的平均值，R表示對應的極差，按照式（1）進行計算

R值越大說明該因素對結果的影響越大。極值分析結果如表4所示，可以看出，焊接電流對點焊接頭抗剪切力的影響最大，對焊接時間和電極壓力的影響較小且基本相近。根據繪制抗剪切力相對因素水平的變化趨勢，如圖6所示，發現點焊接頭具有最高抗剪切力時的工藝參數為焊接電流13 kA、焊接時間80 ms、電極壓力4 kN。采用Minitab軟件對正交試驗結果進行方差分析，結果如表5所示，其中F值越大表示該因素對結果的影響越大，發現焊接電流對焊接接頭抗剪切力具有顯著影響，與極值分析結果一致。

表4 正交試驗極值分析Table 4 Range analysis of orthogonal tests

圖6 抗剪切力對因素水平變化趨勢Fig.6 Trend of shearing strength with factors and levels

表5 正交試驗方差分析Table 5 Variance analysis of orthogonal tests

為了驗證正交試驗結果，采用最佳焊接工藝參數制備鍍鋅低碳鋼板點焊試樣，測得點焊接頭的抗剪切力為8.637 kN，高于正交試驗中的9組試樣，如圖7所示。

圖7 不同焊接工藝參數下鍍鋅低碳鋼板點焊接頭抗剪切力Fig.7 Shearing strength of resistance spot-welded joints of galvanized low carbon steel sheets under various welding parameters

2.2 最佳焊接參數下的接頭微觀組織

最佳焊接工藝參數下獲得的鍍鋅低碳鋼板點焊接頭微觀全貌如圖8所示，由熔合區、熱影響區及母材區組成，其中熔合區呈橢圓形，淺色區為母材區，二者之間存在熱影響區。熔合區內母材在電阻熱的作用下溫度逐漸升高直至完全熔化，凝固形核后晶粒呈有方向性的柱狀晶結構生長，其方向垂直于熔合線（液-固相面），由于冷卻速度較快，奧氏體轉變為粗大的板條狀馬氏體組織。熱影響區所受電阻熱遠低于熔合區，故其組織只發生部分相變，同時存在馬氏體及鐵素體，由于溫度較低，晶粒較為細小且分布均勻，如圖9所示。

圖8 最佳焊接工藝參數下鍍鋅低碳鋼板點焊接頭微觀全貌Fig.8 Micro view of resistance spot-welded joint of galvanized low carbon steel sheets under optimal welding parameters

圖9 最佳工藝參數下鍍鋅低碳鋼板點焊接頭微觀組織Fig.9 Microstructure of resistance spot-welded joint of galvanized low carbon steel sheets under optimal welding parameters

2.3 最佳焊接工藝參數下的接頭顯微硬度分布

最佳焊接工藝參數下鍍鋅低碳鋼板點焊接頭顯微硬度分布如圖10所示。從母材區至熔合區硬度逐漸上升。熔合區內為板條狀馬氏體，硬度約為320 HV；母材區內以鐵素體為主，硬度較低，約為102 HV；熱影響區由于同時存在馬氏體和鐵素體，硬度介于熔合區和母材區之間，且越靠近熔合區，馬氏體含量越高，硬度越高。

圖10 最佳工藝參數下鍍鋅低碳鋼板點焊接頭顯微硬度分布Fig.10 Vickers hardness distribution of resistance spot-welded joint of galvanized low carbon steel sheets under optimal welding parameters

4 結論

（1）正交試驗中，紐扣斷裂試樣的抗剪切力高于界面斷裂試樣。通過對結果的極值和方差分析，發現焊接電流對點焊接頭抗剪切力影響最大，焊接時間和電極壓力影響較小，最佳焊接工藝參數是焊接電流13 kA、焊接時間80 ms和電極壓力4 kN。工藝驗證試驗結果與預測的最佳焊接工藝參數相吻合，點焊接頭的抗剪切力為8.637 kN，高于正交試驗中的9組試樣，但焊接參數對低碳鋼點焊接頭性能的影響機理仍需進一步研究。

（2）采用最佳焊接工藝參數制備的鍍鋅低碳鋼板焊接試樣的抗剪切力為8.637 kN，點焊接頭熔核區呈橢圓形，內部組織為板條狀馬氏體，硬度約為320 HV，母材區組織以鐵素體為主，硬度約102 HV，熱影響區組織為馬氏體和鐵素體，硬度介于熔合區和母材區之間。