热镀锌双相钢与普通热镀锌钢点焊工艺对比

包晔峰，张炎璐，蒋永锋

（河海大学 机电工程学院，江苏 常州 213022）

0 前言

镀锌钢板因其良好的耐腐蚀性在很多场合有逐渐代替普通冷轧钢板的趋势。电阻点焊是镀锌钢板连接的一种重要方式，具有能量集中、变形小、辅助工序少、无需填加焊接材料、生产效率高、操作简便和易于实现自动化等特点，广泛应用于航空、航天、汽车制造等行业[1]。镀锌钢板电阻点焊是一个高度非线性、有多变量耦合作用和大量随机不确定因素的过程[2]，由于镀锌层的影响，镀锌钢板电阻点焊可焊性较差，影响点焊质量的因素有：镀锌层的成分和厚度、焊接工艺参数、电极端面形状及尺寸、板厚、工件表面状态等。随着产品用材的更新换代，为了满足更高的产品质量及节省能源消耗的需求，新型材料的开发及应用速度也非常快[3]，研究新型材料的电阻点焊工艺已成为国内外学者研究的热点。徐仕航等人研究了DP590GA热镀锌双相钢接头的性能，分析了影响热镀锌钢板点焊接头强度的主要原因[4]。阎俊霞等通过正交试验方法对08Al钢板进行参数优化设计，探究最佳的焊接工艺参数[5]。S.Aslanlar试验分析了镀锌钢板电阻点焊过程中，焊接电流对接头力学性能的影响[6]。朱志华等采用在电极与工件间插入辅助材料的方法，研究了插入材料的基材和镀层种类对镀锌钢板点焊的影响，得到适合于镀锌钢板电阻点焊的辅助材料和相应的点焊规范[7]。热镀锌双相钢强度高、抗腐蚀性好，且具有良好的冲压性能，已成为未来发展轻质量、高安全性汽车的主要材料[8]，但是在电阻焊焊接过程中，由于其高强度使塑性温度区间变窄，为获得同样的塑性变形需要较大的电极压力[9]，使得适合点焊热镀锌双相钢的参数范围与点焊普通镀锌钢板相比有较大差异。在此对比试验了普通热镀锌钢和新型80 kg级热镀锌双相钢的电阻点焊工艺，分析工艺参数对焊接质量的影响规律，得到了优化的参数规范。

1 试验条件和方法

1.1 试验材料

试验材料一种是板厚0.8 mm的普通热镀锌钢板，锌层质量150 g/m2，抗拉强度300 MPa；另一种是板厚1.0 mm的 80 kg级热镀纯锌双相高强钢板，锌层质量55 g/m2，抗拉强度 800 MPa。该 80 kg级热镀锌双相高强钢是某钢厂研制的先进汽车用钢，尚未有其电阻点焊工艺研究的报道。

1.2 试验仪器

试验用点焊机为松下YR-350CM2固定式交流点凸焊机，电流为单脉冲点焊方式，调节范围为0～15 kA，加压范围0～520 kgf。试验用电极为斜锥形Cr-Zr-Cu电极，端面直径，详细尺寸如图1所示。

1.3 试验方法

图1 电极形状和尺寸

镀锌钢板点焊的参数取决于基材的性质、板厚和所使用设备的特点，各规范参数相互影响相互制约。由于低熔点镀层的存在，适合于点焊镀锌钢板的参数范围较点焊无镀层低碳钢窄，点焊镀锌钢板需要更大的焊接电流和电极压力，接头强度波动大，电极修整频繁。当电极材料、端面形状和尺寸选定以后，影响点焊质量的参数主要有：焊接电流I、焊接时间T和电极压力P。

试验在正交优化的基础上，利用单因素变化法分别分析I、T、P三个参数对两种镀锌钢板焊点质量的影响。用接头抗拉剪载荷和焊点熔核直径作为焊点的质量评价指标。接头抗拉剪载荷在万能拉伸试验机上测试。采用宏观金相法测量焊点熔核直径。测量过程为：将取样焊点沿中心线剖开，用砂纸打磨剖面，4%硝酸酒精溶液腐蚀，拍摄宏观照片，测量熔核直径，取同一规范3个试样熔核直径的平均值作为该规范的数据，试样照片如图2所示。

图2 测量焊点熔核直径的试样照片

2 试验参数范围的确定

焊点的强度决定于熔核直径D和熔核高度H，强度控制要求的熔核尺寸随板厚的增加而增大，一般来说，对于某一厚度的钢板，强度控制要求的熔核直径D可用下列经验公式计算：

式中 δ为板厚（单位：mm）。

一般点焊试验时以式（1）直径的80%作为判断焊点是否合格的下限直径，因此δ=0.8 mm的镀锌钢板，熔核下限直径为 Dmin≈3.6 mm；δ=1 mm 的镀锌钢板，熔核下限直径为Dmin≈4 mm。点焊电流范围一般以熔核达到下限直径时的电流作为能满足生产要求的下限电流；以电极与工件不产生粘附，且焊接过程中不产生大量飞溅的电流作为能满足生产要求的上限电流。

试验时将递增/减时间、预压时间、维持时间根据以往经验分别设置为 5 cyc、30 cyc、20 cyc，不作为考察变量。采用正交试验方法优化了两种材料的点焊工艺参数，得到普通热镀锌钢的优化参数为I=11.7 kA、T=15 cyc和 P=2500 N；热镀锌双相钢的优化参数为I=11 kA、T=13 cyc和P=2900 N。单因素试验时仅变化一个参数，变化范围根据正交优化参数确定，如表1所示；另两个参数固定为正交优化的参数。

表1 单因素试验时两种材料的参数范围

3 试验结果与分析

图3、图4和图5分别为两种镀锌钢板熔核直径和接头抗剪强度随焊接电流、焊接时间和电极压力的变化曲线。由图可见，在试验条件下，两种材料的熔核直径和抗拉剪载荷都随着焊接电流和焊接时间的增加而增加，当焊接电流和焊接时间超过某一值时，熔核直径和抗拉剪载荷都趋于稳定，不再随焊接电流和焊接时间的增加而增加。热镀锌双相钢熔核直径的稳定值约为5.2 mm，抗拉剪载荷的稳定值约为13000 N，普通热镀锌钢熔核直径的稳定值约为6.4 mm，抗拉剪载荷稳定值约为4500 N，仅为双相钢的1/3～1/2。但双相钢熔核尺寸比普通热镀锌钢低约20%，其原因可能与双相钢塑性温度区间窄，塑变能与热能较小有关。电极压力对两种材料的焊点直径和抗拉强度影响较小。

3.1 焊接电流对焊点强度的影响

图3 焊接电流对点焊接头的影响曲线

由图3a、图3b可见，焊接电流对两种镀锌钢的焊点强度影响都比较大，尤其是在小电流范围内，熔核直径和接头抗拉剪载荷随焊接电流而增加的幅度很大。普通热镀锌钢板达到11 kA后焊点强度和熔核直径达到最大值并不再随电流的增加而有明显变化。焊接电流超过11 kA后，双相热镀锌板焊点抗拉剪载荷和熔核直径的变化也趋于平缓，可以推测如果继续增加电流，焊点质量变化幅度将变小直至稳定不变。焊接电流较小时，热镀锌钢板的对接接头质量较差，与其表面锌层的影响有关。这是由于锌层对点焊过程的起始接触电阻和焊接电流密度有较大影响，同时小电流产生的电阻热小，不利于锌层熔化后从熔核中挤出，导致熔核结晶时间短，熔核凝固时液态锌尚未完全挤出熔合区，熔核中残留的锌量较多，从而影响了接头强度。当焊接电流足够大（11 kA）时，低熔点锌和锌铁合金迅速熔化，容易在电极压力下被挤出熔核的塑性环范围，降低了熔合区的锌含量，从而保证接头有足够的强度，使接头抗拉剪载荷和熔核直径达到最大值，如继续增加焊接电流，熔核直径和抗剪强度不再明显提高，相反会在焊接过程中产生较大的飞溅，焊点强度反而下降。根据焊接电流对熔核直径和抗剪强度的影响，可以确定热镀锌钢板的点焊电流应选用焊点质量稳定的中等电流进行焊接。

图4 焊接时间对接头的影响曲线

3.2 焊接时间对焊点强度的影响

由图3、图4可知，焊接时间对焊点强度的影响与焊接电流有着相似的变化趋势。普通热镀锌钢和热镀锌双相钢分别在焊接时间17 cyc和13 cyc后达到稳定状态。稳定状态之前，随着焊接时间的增大，接头抗拉剪载荷和熔核直径呈现较快的上升趋势。这是由于焊接时通电时间的增大有利于焊件间熔化锌层的挤出和成分的均布以及熔核的搅拌。高强热镀锌板焊接时间达到13 cyc时锌层已经可以被全部挤出并均布于焊点周围。而普通热镀锌板焊接过程稍显不稳定，需达到17 cyc左右焊点质量变化才逐渐平缓，这与普通热镀锌板锌层质量较高（达150 g/m2）有关。如果在锌层已被完全挤出的情况下继续增加焊接时间则会加剧焊件与电极之间的粘结，不仅破坏耐腐蚀镀层，更会增加电极端面合金化程度，降低电极使用寿命。

3.3 电极压力对焊点强度的影响

图5 电极压力对接头的影响曲线

由图5可知，随着电极压力的增大，焊点抗拉剪载荷和熔核直径有略微下降的趋势。究其原因：电极压力增大使得电极间总电阻减小，在相同焊接电流条件下，产生的电阻热降低，导致了熔核直径的变化，从而影响了接头强度。但两种材料接头强度和熔核直径变化幅度不大，约在500～1000 N和0.5 mm以内。这说明在焊接电流和焊接时间一定的条件下，电极压力对焊点抗拉剪强度和熔核直径的影响有限。但电极压力对焊点外观质量有一定影响，由图6可见，电极压力为2500 N时的外形较电极压力为1430 N时的压痕深度更均匀，焊点较圆整，表面较光滑。

3.4 镀锌钢板电阻点焊质量评判依据探讨

分析试验数据可知，在熔核尺寸满足大于80%控制直径的情况下，接头抗拉剪载荷变化幅度较大，有些数据偏小，如图3a中焊接电流为8400 A时，焊点熔核直径为3.62 mm，但接头抗拉剪载荷值为1350 N，仅为稳定值的30%，由此可见，依据熔核尺寸作为考察镀锌钢板焊点质量合格与否的评判标准可能会造成焊点抗拉剪载荷低于强度需求的情况。因此在确定焊接参数时，提出以焊点抗拉剪载荷达到试验稳定值的80%（即普通热镀锌钢3800 N、热镀锌双相钢10800 N）以上为判断镀锌钢板点焊合格的依据，这种以焊点强度为判据的方法更能保证镀锌钢板的点焊质量。

图6 不同电极压力下焊点外观

依据该判据由图3a和图4a可见，普通热镀锌钢在焊接电流10 kA时接头抗拉剪载荷达3820 N、熔核直径5.4 mm；在焊接时间16 cyc时接头抗拉剪载荷为3800 N、熔核直径5.9 mm，都已大于焊点强度控制要求的下限值，且两条曲线均单调上升，因此可以确定普通热镀锌钢合格焊点的焊接电流为 10～12.5 kA，焊接时间为 16～23 cyc；由图 3b、图4b可见，热镀锌双相钢在焊接电流10.7 kA时接头抗拉剪载荷为10800 N、熔核直径为4.8 mm；在焊接时间13 cyc时接头抗拉剪载荷为12200 N、熔核直径为4.83 mm，大于合格焊点强度控制要求下限值，可得热镀锌双相钢合格焊点的焊接电流为10.7～11.7 kA，焊接时间为 13～19 cyc。

由图5a可见，普通热镀锌钢板和热镀锌双相高强钢电极压力分别在3570 N和3200 N时接头抗拉剪载荷和熔核直径有最小值，分别是4367 N、6.2 mm 和 11900 N、4.7 mm，均大于合格焊点强度控制要求的下限值，由此可见，普通热镀锌钢在电极压力1430～3570 N试验范围内，热镀锌双相钢在电极压力2150～3200 N试验范围内均能得到合格焊点。

4 结论

（1）焊接参数对80 kg级热镀锌双相钢和普通热镀锌钢点焊接头性能的影响趋势基本一致。热镀锌双相钢点焊接头抗拉剪载荷稳定值可达13 kN，而普通镀锌钢4.5 kN，仅为双相钢的1/3～1/2。但双相钢熔核尺寸比普通热镀锌钢小约20%，其原因与双相钢塑性温度区间窄，塑变能与热能较小有关。

（2）在其他参数一定的条件下，焊接电流和焊接时间对焊点质量影响较大，尤其是小电流范围内抗拉剪载荷和熔核直径的变化幅度很大，主要原因是锌层对起始接触电阻、电流密度有较大影响以及电阻产热量小；电极压力对焊点质量影响甚小，两种材料接头抗拉剪载荷和熔核直径变化幅度仅在500～1000 N 和 0.5 mm 以内。

（3）由于镀层对熔核的影响，以熔核直径作为镀锌钢板点焊质量控制的判据时，焊点的抗拉剪载荷波动较大，因此提出以点焊接头的抗拉剪载荷达到稳定值的80%为判据，同时考虑熔核直径的评判标准，可有效控制镀锌钢板的点焊质量。

（4）以抗拉剪载荷为判据，得到0.8 mm厚普通热镀锌钢板合格焊点工艺参数范围：焊接电流10～12.5 kA，焊接时间 16～23 cyc,电极压力 1430～3570 N；1 mm厚80 kg级热镀锌双相高强钢板合格焊点工艺参数：焊接电流 10.7～11.7 kA，焊接时间 13～19 cyc，电极压力 2150～3200 N。可以看到80 kg级热镀锌双相高强钢焊接工艺规范明显较窄。

[1]中国机械工程学会焊接学会电阻焊专业委员会.电阻焊理论与实践[M].北京：机械工业出版社，1994：319-398.

[2]赵熹华.压力焊技术新发展[R].中国机械工程学会焊接学会中国焊接学会15周年，2002.

[3]许瑞麟，朱宝伦.汽车装焊设备现状及发展趋向[J].电焊机，1993(4)：2-7.

[4]徐士航，王 敏.DP590GA热镀锌双相钢电阻点焊接头性能[J].电焊机，2009，39(10)：70-74.

[5]阎俊霞，胡云岩.电阻点焊工艺参数正交试验优化设计[J].河北科技大学学报，2003(2)：39-52.

[6]Aslanlar S.Effect of welding current on mechanical properties of galvanized chromided steel sheets in electrical resistance spot welding[J].Materials and Design，2007（28）：2-7.

[7]朱志华，包晔峰，蒋永锋.镀锌钢板插入辅助材料电阻点焊研究[J].电焊机，2010，40(7)：52-55.

[8]康永林，邝 霜，尹显东，等.汽车用双相钢板的开发与研究进展[J].汽车工艺与材料，2006(5)：1-5.

[9]傅延安，张红,潘 华.热镀锌双相高强钢电阻点焊焊点力学性能的研究[J].电焊机，2005，35(5)：46-49.