工艺参数对镀铝锌钢板点焊接头质量与组织的研究

王若愚

(四川机电职业技术学院，四川 攀枝花 617000)

工艺参数对镀铝锌钢板点焊接头质量与组织的研究

王若愚

(四川机电职业技术学院，四川 攀枝花 617000)

通过镀铝锌钢板点焊实验，对十二组不同工艺参数下获得的点焊接头进行抗剪力实验和金相分析，研究表明：当采用较小的焊接电流和较短的焊接时间，接头熔合不良；焊接电流太大，焊接过程中飞溅很大，焊点表面压痕深度超标，同时形成方向性很强的粗大柱状晶；适当增加电极压力，可使柱状晶发生倾斜，方向性减弱。研究确定了0.8 mm厚镀铝锌钢板较佳的工艺参数为I＝8.5～9.0 kA，T＝14 cyc，FW＝2 400 N，用这组工艺参数焊接，点焊接头抗剪力、熔核直径均超过了《点焊焊接区的检验方法》标准中规定的A级要求，熔透率、焊点表面压痕深度均能满足质量要求。

镀铝锌钢板；点焊；宏观金相；显微组织

0 前言

镀铝锌钢板是一种新型镀层钢板，它的抗腐蚀性和抗热氧化性与镀锌钢板相比有更大的优势[1]，在汽车和家电等行业有着广阔的应用前景[2]，因此研究镀铝锌钢板点焊十分必要。

1 实验材料与设备

1.1 实验材料

实验材料板厚0.8mm，镀铝锌层厚度20μ m，母材组织为铁素体+少量珠光体。镀铝锌板母材组织及镀层如图1所示，化学成分见表1[3]。

图1 镀铝锌板母材组织及镀层

表1 0.8mm镀铝锌钢板母材的化学成分 ／%

对点焊接头进行抗拉剪实验，试件的几何尺寸和加载方式参照国家标准中的车身装焊工艺标准试样要求确定[4]，试样尺寸100 mm×30 mm。

1.2 实验设备

采用DZ-63单相整流式直流点焊机，并用MM—315型焊接电流监测仪监测点焊过程中的焊接电流、焊接时间等，用INSTRON 5569实验机进行接头抗剪实验，用MEF3大型卧式显微镜和Axiovert200MAT显微镜进行焊点金相组织观察。

2 点焊实验

2.1 实验工艺参数

点焊主要工艺参数有焊接电流、电极压力和焊接时间，按表2所示工艺参数进行实验[3]。实验中测试了12组工艺参数，12组试件预压时间30 cyc，维持时间16 cyc，休止时间30 cyc。每组工艺参数焊接四个试件，三个试件用于拉剪实验，一个用于金相检验。所有试件规格尺寸100 mm×30 mm×0.8 mm。拉剪试件长度方向搭接焊，搭接长度30 mm。

表2 实验工艺参数

2.2 实验过程和结果

抗剪力测试在INSTRON 5569实验机上进行。实验时加载速度要慢，对于点焊接头，一般将实验中出现的最大载荷作为接头的抗剪力[4]。通过12组不同的实验工艺参数，每组工艺参数焊接三个试件，测量每组工艺参数抗剪力，计算出每组参数抗剪力的平均值。

观察断裂后的接头发现，试件1、4、7在焊点处断裂，即焊点被撕开，其中试件1、7根本没有熔合，从表3的实验结果可知，抗剪力较小，其平均值分别为4.370 kN和4.238 kN；其余试件初始裂纹发生在靠近加载端一侧的焊点边缘处，起裂后基体钢板逐渐被撕裂，而焊点不会被撕开。从表3抗剪力平均值可知，相应的抗剪力平均值均在5.0 kN以上。

表3 抗剪力平均值、熔核直径、表面压痕深度及熔透率

金相分析采用电火花线切割试样，切割试样时应考虑磨制后的试样尽量位于焊点中心。磨制后对试样进行抛光，然后采用硝酸酒精+4%苦味酸显示。通过点焊接头宏观金相照片可直观看出焊点熔合情况、熔核直径、压痕深度。同时能准确测量熔核直径、表面压痕深度等，还可了解焊点微观特征，了解镀层及点焊主要工艺参数对焊点熔核结晶形态的影响。试样熔核直径、熔核高度、表面压痕深度用Axiovert200MAT显微镜测量。

3 接头宏观金相分析

12组点焊工艺参数焊后接头宏观金相照片如图2所示。

从12组工艺参数点焊接头宏观照片可以看出：

(1)1#、4#、7#、8#四个工件熔核直径偏小，其中1#、4#、7#三个工件的焊接电流均为7.0 kA，从宏观看7.0kA焊接电流偏小。8#工件焊接电流为8.5kA，焊接时间8 cyc，从宏观上看，不能保证0.8 mm的镀铝锌板点焊质量。

(2)其余八个工件的熔合情况都不错，但3#，5#、9#工件表面压痕深度偏大，焊后变形较大。3#、9#工件焊接电流为10 kA，焊接过程中飞溅较大，所以10kA的电流点焊0.8 mm厚的镀铝锌板偏大。5#焊接电流为8.5 kA，焊接时间为20 cyc，因焊接时间太长，工件表面压痕深度偏大，焊后变形较大。

(3)12个工件中，综合质量较好的是11#和12#。焊接电流分别为8.5 kA和9.0 kA，焊接时间14 cyc，电极压力2 400 N。焊接电流8.5 kA和9.0 kA时，接头抗剪力平均值分别为5.572 K和5.838 kN，大大超过JIS Z 3140-1978《点焊焊接区的检验方法》标准中规定的0.8 mm厚钢板点焊接头A级抗剪力平均值3.53 kN要求；熔核直径分别为4.55 mm和5.85mm，大于标准规定的0.8mm厚钢板点焊接头A级熔核直径平均值4.5 mm要求；熔透率分别为77.2%和79.9%，满足点焊熔透率20%～80%的要求，表面压痕深度分别为50 μ m和60 μ m，满足点焊重要结构压痕深度小于板厚10%的要求。

图2 12组参数点焊接头宏观照片

4 焊点显微金相组织与分析

4.1 焊点显微金相组织

用研究级倒置显微镜对焊点进行金相分析，12组工艺参数焊点金相组织如图3所示。

4.2 焊点结晶形态分析

12组实验工艺参数不同，焊点熔核结晶形态也各有差异。有的熔核由方向性很强的粗大柱状晶组成，有的柱状晶方向不明显，有的熔核中心还有少量等轴晶。但熔核在结合面上都有不同程度的分界线。结晶形态产生的原因及特点分析如下。

(1)柱状晶的形成。

由于镀铝锌钢板表面铝锌层较软且熔点低[5]，点焊时钢板表面与电极贴合良好，且产生部分粘连，因此向电极方向的散热很好，冷却结晶时，晶体沿散热相反的方向择优长大形成柱状晶，其中垂直于电极表面方向长大速度最快，迅速优先长入液体中。这些优先长大的晶粒并排向液体中生长，侧面受到彼此限制不能侧向生长，只能沿散热反方向生长，结果便形成柱状晶。图3中1#、2#、3#、6#工件都是明显的柱状晶。

(2)等轴晶形成过程。

随着柱状晶的发展，经过散热后熔核中心部分液态金属温度全部降至熔点以下，在液体金属中杂质等因素的作用下，满足形核对过冷度的要求时，剩余液体同时形核。此时散热已失去方向性，晶核可以在液体中自由生长，在各个方向上的长大速度差不多，因而形成了等轴晶。由于点焊工艺参数不同，焊后冷却速度不同，所以形成等轴晶多少不同。9#、11#、12#等工件熔核中有少量等轴晶。

图3 12组实验参数焊点金相组织

与柱状晶相比，等轴晶各晶粒在长大时彼此交叉，枝杈间搭接牢固，裂纹不易扩展，不存在明显的脆性界面，各晶粒的取向不相同，其性能也没有方向性，所以等轴晶性能优于柱状晶。通过选择合适的工艺参数，可得到部分等轴晶，以改善点焊性能。

4.3 主要工艺参数对镀层残留情况的影响

(1)电极压力的影响。

图3共12组金相组织照片中1#、2#、3#工件，由于电极压力较小，焊接过程中结合面上的镀层不能被完全挤出，残留较多，在结合面上有较明显的分界线。其余9个工件电极压力增大，熔核在较高的压力作用下，镀层几乎被挤出，结合面镀层残留较少，分界线已不明显。

(2)焊接电流的影响。

通过观察图3可以发现，焊接电流较小时，结合面镀层残留较多，随焊接电流增大，结合面镀层残留逐渐减少。

(3)焊接时间的影响。

为分析焊接时间对镀层残留情况的影响，选取焊接电流和电极压力相同(I＝8.5 kA、FW＝2 400 N)，焊接时间8 cyc、14 cyc、20 cyc的10#、11#和5#分析。通过观察发现，10#结合面上镀层残留最多，有明显的分界线，其余两个工件镀层残留很少。其原因是焊接时间增加，使熔核在断电前能充分搅拌，在凝固时能将镀层充分挤出。

4.4 点焊主要工艺参数对焊点结晶形态的影响

(1)电极压力对结晶形态的影响。

图3中1#、2#、3#工件，由于电极压力较小，熔核柱状晶几乎垂直于工件表面(3#工件最明显)。其余9个工件由于电极压力增大，熔核柱状晶在较高的压力作用下，发生部分倾斜(如12#工件)，这说明增加电极压力对改善镀铝锌钢板熔核结晶形态有一定作用。

(2)焊接电流对结晶形态的影响。

分析焊接电流对镀铝锌钢板焊点结晶形态的影响，选取焊接时间和焊接压力完全相同(T＝14 cyc，FW＝2 400 N)，焊接电流分别为7.0 kA、8.5 kA、9.0 kA的三个工件(对应工件号分别为4#、11#、12#)进行分析，观察熔核微观形态。可发现焊接电流越大，柱状晶越粗大，方向性越强，焊接电流越小，柱状晶越小，方向性越弱。

(3)焊接时间对结晶形态的影响。

对焊接电流和电极压力相同，焊接时间8 cyc、14 cyc、20 cyc的10#、11#和5#试件进行分析，观察熔核的结晶形态，10#熔核几乎全是柱状晶，5#、11#在熔核中心有少量等轴晶。其原因是焊接时间越长，冷却时接头和熔核的上下与中间的温度梯度较小，容易形成等轴晶，有利于改善接头质量。

4.5 焊点显微组织分析

通过对点焊接头显微组织分析，镀铝锌板焊点组织为马氏体+贝氏体+少量铁素体+少量珠光体。尽管镀铝锌板含碳量很低，但由于焊点在压力作用下结晶，电极内有冷却水，焊点冷却速度极快，结果焊点和热影响区形成了马氏体+贝氏体组织，由于马氏体和贝氏体的存在，焊点的强度大大提高。点焊中形成的是低碳板条状马氏体，这种马氏体有较高的强度，同时又有良好的塑性和韧性。

5 电极使用寿命

5.1 镀层对电极的污染

镀铝锌钢板点焊过程中，由于镀层的熔点较低，与铜有较强的亲和力，焊接过程中电极／工件界面处温度较高，在电极压力作用下，会发生锌对铜合金电极端部的粘附，并且发生合金化作用，形成导电、导热能力差、硬度低的Cu-Zn合金[6]。特别是焊接电流超过9.5kA时，镀层对电极的污染严重。镀层污染电极后，焊接过程中电极／工件界面的温度更高，电极端部很快就变成蘑菇状而变粗，降低了焊接电流密度，使焊点强度降低，甚至电极由于坑蚀作用而失效，大大降低电极的使用寿命。因此，电极被污染后要及时修整电极，否则就不能保证焊点质量。

5.2 影响电极使用寿命的因数

影响电极使用寿命的因数有电极材料、电极形状、电极冷却情况、焊接工艺参数等。

(1)电极材料。

镀层钢板的点焊研究中，电极材料是一个关注的焦点。国外镀锌板点焊用电极材料主要有Cu-Cr (0.8%Cr)、Cu-Zr(0.15%Zr)、Cu-Cr-Zr，以及含Al3O2粒子的弥散强化铜[7]。镀铝锌钢板点焊中，分别使用了Cu-Cr、Cu-Zr、Cu-Cr-Zr三种材料的电极，结果发现Cu-Cr-Zr电极使用寿命最长，正常使用能达到约500个焊点。

用电火花在Cu-Cr-Zr表面熔敷一层厚15～20 μ m的TiC，能使电极的使用寿命大大提高，采用合理的点焊工艺参数，能达到1 000个焊点以上。

(2)电极形状。

常见的电极有截锥形、尖头形和圆顶形。一般来讲，圆顶形电极寿命最低，截锥形电极和尖头形电极寿命相当。Rivett[8]在研究相同的电极材料不同的电极结构焊接1 mm厚的A1-Cu-Mg合金时发现，采用截锥形电极时电极的寿命(平均1 383焊点)是圆顶形电极寿命(平均400焊点)的3倍。本试验采用电极端面直径为φ 6.0 mm的截锥形电极。

(3)电极冷却情况。

镀层钢板点焊过程中，电极表面温度比普通钢板点焊时显著提高[9]。因此，对电极的冷却十分重要，冷却水流必须充分，保证电极接近室温，这样才能将电极与镀层的合金反应减至最小，并防止因电极软化而产生的凸起或电极胀大。镀铝锌钢板点焊中水流速度应大于3.78L／min，进水最高温度不能超过30℃。

(4)工艺参数对电极寿命的影响。

点焊工艺参数对电极寿命的影响很大，正确选择工艺参数是很重要的。焊接电流是点焊最重要的工艺参数，随着焊接电流的增大，电极发热大大增大，从而大大降低电极的寿命[10]。镀铝锌钢板点焊过程中，当焊接电流超过9.5 kA时，电极易与焊件粘在一起，焊点表面出现明显的铜色，这样会大大降低电极的使用寿命。所以镀铝锌钢板点焊电流一般不能超过9.5 kA。焊接时间对电极寿命的影响与焊接电流对电极寿命的影响类似，当其他焊接参数不变，增加焊接时间，电极的发热量增加，从而降低电极的使用寿命。电极压力主要影响焊接区电阻和电极的塑性变形量，电极压力过小，焊接区电阻增大，其他焊接参数不变时，焊接区发热量会增加，这必然会影响电极使用寿命；电极压力过大，焊接中将增加焊件表面的压痕和增大电极塑性变形的可能性。0.8 mm镀铝锌钢板焊接电流为8.5～9.0 kA，焊接时间14 cyc，电极压力2 400 N时，电极的使用寿命可达1 000～1 200个焊点。

6 结论

(1)通过抗剪实验和金相分析可确定0.8 mm厚镀铝锌钢板较佳的工艺参数焊接电流8.5～9.0 kA，焊接时间14 cyc，电极压力2 400 N。

(2)通过点焊接头宏观金相照片可以直观看出焊点熔合情况(熔核大小、焊点熔透情况、表面压痕深度等)，当焊接电流偏小时易形成熔核直径偏小或未熔合；焊接电流过大时，会造成熔透率太大，表面压痕深度大，焊件变形大。

(3)镀铝锌钢板点焊时，焊接时间若较短，则熔核搅拌不充分，熔核结合面上存在着铝锌或铝锌铁合金，焊后冷却时，从靠近电极的熔核边缘开始结晶，并以枝晶形式沿着与散热相反的方向向核心中部生长，但由于熔核中部的铝锌或铝锌铁合金熔点较低，在较高的温度下熔核中心不会结晶，从而使枝晶生长充分，一直可延伸到上、下相碰为止，形成具有明显方向性的柱状晶形态，在熔核凝固的最后阶段才将铝锌合金从熔核中挤出，并且还有微量铝锌残留在熔核中，以至焊后熔核中心存在分界线。

(4)增加或减小焊接电流对改善镀铝锌钢板熔核结晶形态无明显作用，增加焊接电流反而会使柱状晶更粗大，方向性更强；增加焊接时间对改善镀锌钢板点焊熔核结晶形态有一定的作用，能减弱结合面分界线，形成少量等轴晶；提高电极压力对改善镀锌钢板点焊熔核结晶形态有一定的作用，可使柱状晶发生倾斜，方向性减弱。

(5)镀铝锌钢板点焊时熔核结晶以柱状晶为主，无论采用怎样的工艺参数匹配，在焊件结合面上都有不同程度的分界线。从改善镀铝锌钢板熔核微观形态考虑，镀铝锌钢板点焊时应采用较长的焊接时间和较大的电极压力并匹配合适的焊接电流。

(6)用电火花在电极端面直径为φ 6.0 mm的截锥形电极Cu-Cr-Zr表面熔敷一层厚15～20 μ m的TiC，点焊工艺参数较佳时，电极寿命能达到1 000～1 200个焊点。

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Study on processing parameters'influence to the quality and microstructure of spot-welded joint for the Al-Zn alloy coated steel

WANG Ruo-yu
(Sichuan Electromechanical Institute of Vocation and Technology，Panzhihua 617000，China)

By the spot welding experiments of Al-Zn alloy coated steel，the metallographic analysis and the shear experiment have been carried out to the spot welding joints achieved by twelve group processing parameters.The result indicates that the joint is lack of fusion in lower welding current or shorter welding time；and too higher current can cause more splashing in welding，the overproof depth of indentation on spot weld，and the stronger directional rough columnar crystals；and enhancing welding force properly can make the columnar crystals leaning or directional weakly.It is defined that the more appropriate processing parameters for 0.8 mm Al-Zn alloy coated steel spot welding is I＝8.5～9.0 kA，T＝14 cyc，FW＝2 400 N，by the group processing parameter in welding，both the spot-welded joint's resisting shear and the nugget size are above A-level requirement in the standard of″Method of Inspection for Spot Weld″，and the penetration rate and the depth of indentation on spot weld meet the quality requirements.

Al-Zn alloy coated steel；spot welding；metallograph；microscopic structure

TG457.19

A

1001-2303(2011)05-0066-06

2011-02-22

王若愚(1970—)，男，四川资中人，讲师，硕士，主要从事焊接理论及实践教学方面的工作。