密封胶对差厚不锈钢板电阻点焊接头的影响

郭太吉 张庆鑫 孙晓光 韩晓辉 张志毅 李永兵

1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，青岛，2661112.上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室，上海，2002403.上海交通大学上海市复杂薄板结构数字化制造重点实验室，上海,200240

0 引言

奥氏体不锈钢以其良好的加工性能、抗腐蚀性能和优良的冷作硬化性能成为地铁车体骨架和蒙皮最常用的材料。与传统碳钢相比，奥氏体不锈钢的高电阻率和低热导率特性使其成为电阻点焊的理想材料，加之电阻点焊工艺具有自动化程度高、低热输入、焊接表面质量高且工艺适应性好等一系列优点，因此现有无涂装不锈钢轨道车辆车体多采用电阻点焊工艺[1-4]。然而，电阻点焊是一种非连续的局部连接工艺，无法实现连接件之间的可靠密封，车体的振动和噪声会传递至车厢，导致乘坐舒适度下降，因此密封问题是不锈钢车体不可回避的研究课题。在利用现有电阻点焊设备实现密封要求的研究过程中发现：汽车白车身常用的胶焊工艺具有极强的借鉴意义。由于无涂装不锈钢车体没有整体加热的工序，而且其尺寸过大也无法进行整体加热，即需要加热固化的结构胶并不适用，因此，通过无需固化的密封胶提高不锈钢车体的密封、吸振和防噪性能，便成为必然选择。然而密封胶的电阻率高、热导率低，它的引入必然会影响不锈钢电阻点焊工艺过程及焊点质量。

本文以厚度差异极大(板厚比接近7∶1)的地铁底架中梁和底架盖板组合为研究对象，研究密封胶对接头组织和力学性能的影响，以及对焊点间距和板材间隙的影响，用以辅助设计，指导生产。

1 材料和试验方法

1.1 材料

表1 301L不锈钢的化学成分和力学性能

1.2 试样制备

本研究采用剥离和拉剪两种测试方式研究密封胶引入对电阻点焊接头性能的影响。测试所需样件制备流程为：板材预处理→涂胶→焊接→样件后处理→测试。首先将待焊板材放在丙酮中用超声清洗5 min，以去除表面油污和附着物。随后，基于前期优化探索结果，在板材搭接区域的中部连续涂布直径为5 mm的密封胶条，如图1a、图1b所示。涂布密封胶条后，加盖上板轻轻按压，使两板平稳贴合。剥离样件和拉剪样件的焊点设计分别如图1c、图1d所示。

(a)剥离试样 (b)拉剪试样

(c)剥离试样焊点设计 (d)拉剪试样焊点设计图1 焊接前准备工作Fig.1 Preparations before welding

对差厚301L不锈钢板组合进行电阻点焊时，因上下板产热和散热条件不相同，致使熔核向厚板侧偏移。该现象使得差厚301L不锈钢板组合的焊接窗口非常的窄，产热量稍大就会形成缩孔或飞溅，降低连接强度；产热量稍小薄板一侧的熔透深度又难以保证。为保证熔透深度，本研究拟采用硬规范，固定焊接时间为150 ms，并在焊接电流为7～11 kA范围内，以0.5 kA的增幅使用金相检测的方法对可用电流范围进行探索。所使用的焊接设备型号为Obara DB6-100R1，焊接控制器为WTC中频直流控制器，加压方式为伺服加压，采用的电极帽形貌和焊接时序如图2所示。

(a)电极帽形貌 (b)焊接时序图图2 焊接过程参数Fig.2 The parameters of welding process

通过图3所示的试样来研究焊点间距和板材间隙(h)变化对电阻点焊和密封胶焊的影响。如图3a所示，设计焊点间距为20 mm、30 mm、45和60 mm，焊接顺序为1→2→3，焊接第3点时，相邻另外两个焊点会存在分流现象，基于此情形考察第3点的剥离直径变化情况。如图3b所示，在待焊金属板之间平行放置两块间距为60 mm的亚克力板，居中进行焊接，通过调整亚克力板厚来模拟强约束条件下的板材间隙尺寸，间隙尺寸从0逐渐增大，增幅为0.5 mm，直至发生飞溅时停止焊接过程。

(a)焊点间距影响

(b)板材间隙尺寸影响图3 焊点间距和板材间隙尺寸影响研究所用 样品示意图Fig.3 Samples used for the researches on weld spacing and initial gap

根据DOLPHIN 6098商用密封胶技术数据要求，测试样品在焊接完成后需要在室温下静置72 h，然后方可进行测试。

1.3 测试与表征

焊接完成后剥离试样，将其用于金相检测和剥离直径测定。将焊点沿中心线切开、磨抛、腐蚀以获得断面形貌，使用Leica DFC295和DFC495金相显微镜进行观察，并参考焊点设计要求和AWS D17.2标准[6]对熔核直径和焊透率等要求进行评价。对于该板厚组合，设计要求最小熔核直径为3.05 mm，单个焊点拉剪载荷最小为2.915 kN。AWS D17.2标准对熔透率的规定如下：以上下板结合面为界，在熔核宏观形貌中居中绘制一矩形(矩形的宽度为熔核直径的80%，高度为上下板厚的20%)，若该矩形全部位于熔核内部即判定熔透率合格。因为存在熔核偏移现象，厚板侧熔核深度大都合格，所以后文所述的熔透深度仅指该矩形在厚度为0.6 mm板材侧的最小熔透深度。

使用专用设备将上下板剥离，用于检测剥离直径；拉剪试样用于力学性能检测，测试在ZWICK-Z100万能试验机上进行，拉伸速率为3 mm/min，为保证对中性，在夹持部位设置有垫片。每组参数做三个重复性试验以考察质量的稳定性。

2 结果与讨论

2.1 可焊性和熔核宏观形貌

密封胶对“0.6 mm+ 4.0 mm”差厚板组合熔核直径、缺陷情况和熔透深度等指标的影响如图4所示。由图4a可知，电阻点焊和密封胶焊两种工艺获得标准要求的熔核直径都较为容易，电阻点焊熔核直径随焊接电流增大而增大，电流超过10 kA后熔核直径开始减小。在电流较小(≤ 8.5 kA)时，密封胶对熔核直径基本没有影响；电流稍大(9～11 kA)时，使用密封胶会导致熔核直径出现一定程度的减小，而缩孔缺陷开始出现的电流增大1 kA左右。密封胶对薄板侧熔透深度的影响则较为复杂(图4b)，电阻点焊与密封胶焊相比，熔透深度曲线从“W”形变为“U”形。焊点质量合格与否主要取决于薄板侧的焊透率。综合考虑焊点的几何评价指标以及缩孔缺陷，图2b所示焊接时序可以实现“0.6 mm+ 4.0 mm”差厚板的焊接，只是可接受电流范围略窄：电阻点焊约为8.3～9.2 kA，密封胶焊约为9.3～10.2 kA。显然，密封胶的引入使得焊接窗口右移，能耗有所增加。

(a)熔核直径

(b)薄板侧熔透深度图4 电阻点焊和密封胶焊样品的焊接性能Fig.4 Effect of weld current on resistance spot weld growth with and without adhesive sealant

熔核直径和熔透深度分别反映的是熔核长度方向和厚度方向的生长率，而两方向的生长率直接与界面接触电阻和材料的体电阻相关，生长率的不同实则是热量分布不均衡的必然结果。该密封胶黏度偏低，在长时间(1 200 ms)预压过程中电极帽下方的密封胶绝大部分都会被排开，上下板刚度的显著差异亦促使这种排胶行为更为彻底，排出的密封胶则环绕于此接触区域，因为密封胶导电性差、电阻率高，必然会影响电流密度分布以及焊核的生长。

电阻点焊和密封胶焊的熔核宏观形貌分别如图5和图6所示(图中虚线为上下板结合面分界线)。

(1)电阻点焊。当焊接电流I较小时(图5a)，热输入较小，板材熔化速率低，熔核尺寸也比较小，电流分布相对比较集中，使得熔核沿结合面向上下两侧生长相对比较快，焊核两侧熔透深度比较大。电流稍大时(图5b、图5c)，熔核长度方向的生长率是厚度方向生长率的数倍，导致导电通路上电流密度下降。由于接触面边缘的电流密度要高于心部的电流密度，所以熔核呈现薄板侧边缘熔深大，而心部熔深不合格的“水饺”状[7]。随着电流继续增大(图5d、图5e)，由于电流导通面积的限制，熔核宽度方向生长趋于稳定，熔核厚度方向生长则持续进行，导致上下板熔透深度同时增大，出现了合格熔核。当电流进一步增大时(图5f～图5i)，接触面迅速熔化，接触电阻的影响快速减弱，焊核生长以体积电阻加热为主，导致焊核尺寸有所减小，熔核偏移现象加剧，甚至在电流大于10.5 kA时出现双熔核，同时，因为液态金属体积过大，熔核心部无法补缩导致形成集中缩孔缺陷。

(a)I=7.0 kA (b)I=7.5 kA (c)I=8.0 kA

(d)I=8.5 kA (e)I=9.0 kA (f)I=9.5 kA

(g)I=10.0 kA (h)I=10.5 kA (i)I=11.0 kA图5 电阻点焊接头宏观形貌Fig.5 Nugget profile of resistance spot welds

(a)I=7.0 kA (b)I=7.5 kA (c)I=8.0 kA

(d)I=8.5 kA (e)I=9.0 kA (f)I=9.5 kA

(g)I=10.0 kA (h)I=10.5 kA (i)I=11.0 kA图6 密封胶焊接头宏观形貌Fig.6 Nugget profile of resistance spot welds with adhesive sealant

(2)密封胶点焊。当电流较小时(图6a)，两板接触区域残余的少量密封胶分解需要吸热，减少了用于形核的热量，焊核尺寸相对比较小。当电流稍大时(图6b～图6e)，密封胶焊试样的熔核直径充分长大，但是其薄板侧只有一侧边缘的熔透深度较大(白色虚线框所示)，另一侧存在未焊合区域，这与电阻点焊有很大的不同。这是因为接触区域被挤出的密封胶环绕在焊点周围，且电极压力分布不均匀，所以残余密封胶胶层厚度也不一致。通电后在焦耳热作用下，较薄的胶层会优先分解，随后形成相对电阻较小的导电通路，进而改变电流分布密度，导致结合面上产热不均匀，使得不同区域焊透率产生差异。一般而言，胶层较薄处因优先形成导电通路，产热量较多；而胶层较厚处则是依赖热量的积聚才能不断分解，进而扩大导电通路面积。当焊接电流较小时，胶层分解时间相对较长，实际用于形核的焊接时间也比胶层较薄处少，所以呈现出一侧熔透深度合格而另一侧未焊合的现象。当电流继续增大时(图6f、图g)，热量的积聚缩短了胶层分解的时间，因为周围环绕胶层减小了导电通路面积，使得上下板中熔透深度得到充分发展，形成合格熔核，与此同时因为体积电阻的加热效应，厚板侧开始出现双熔核；当电流进一步增大时(图6h、图6i)，胶层分解所需的时间更短，接触界面影响减弱，体积电阻加热占主导，与传统点焊一样出现了熔核直径减小现象和明显的缩孔缺陷。

2.2 力学性能

根据2.1节确定的可接受电流范围，选取该范围的下限、中间值和上限对电阻点焊和密封胶焊工艺分别进行拉剪测试，电流对应情况如表2所示，拉剪测试结果如图7所示。

表2 拉剪测试电流对应表

可以看出在许可电流范围内密封胶焊接头拉剪强度、塑性和吸能均明显高于电阻点焊接头的上述特性，而且两种工艺的剪切强度均远高于要求值2.915 kN。此外，如图8所示，在拉力作用下，由于上下两板强度和刚度差异较大，所有拉剪测试样品的断裂方式均为薄板侧撕裂，表现出较好的接头韧性。

(a)拉剪最大力(b)拉剪最大力对应的位移

(c)拉剪吸能图7 电阻点焊和密封胶焊接头拉剪性能Fig.7 Mechanical property of the resistance spot welds with and without adhesive sealant

图8 拉剪样品断裂方式Fig.8 Fracture mode of lap shear testing

加入密封胶后，电阻点焊的可接受电流范围整体右移1 kA(即上下限向增大1 kA)，此时密封胶焊的熔核直径略大于相应的电阻点焊的熔核直径，且总熔透深度远大于薄板厚度，所以在连接良好的前提下，密封胶焊的强度和塑性均较高。拉剪测试时，由于上下两板刚度差异明显，夹头移动一定距离后薄板一侧先达到屈服极限，出现撕裂行为，裂纹沿熔核边缘扩展，这也说明熔核区域强度要高于薄板的强度。

2.3 生产因素影响分析

(a)焊点间距 (b)板材间距图9 生产过程因素对电阻点焊和密封胶焊的影响Fig.9 Influence of manufacturing process factors on the resistance spot welds with and without adhesive sealant

使用图3所示试样对焊点间距和板材间隙尺寸的影响进行研究，焊接时序如图2b所示，所用电流为表2中的中间值，熔核直径如图9所示，可以看出，焊点间距在20～60 mm范围内的熔核直径均符合标准要求(最小熔核直径为3.05 mm)。随着焊点间距的减小，分流现象会愈加明显，但是仍然远远满足AWS标准的要求。因不锈钢地铁车身设计焊点间距一般大于30 mm，由此可推知密封胶引入不会对焊点间距设计产生影响，仍按照电阻点焊标准进行设计即可。

由图9b可知，板材间隙尺寸对电阻点焊和密封胶焊的影响趋势基本一致，即适当的板材间隙尺寸(0.5 mm)有利于熔核直径的长大。这是因为强约束条件下小间隙可增大界面接触电阻，使得生热增加，熔核尺寸变大；但是当板材间隙尺寸超过0.5 mm后，会导致导电通路面积减小，使得熔核直径减小，但仍在合格范围内；当间隙过大时，导电通路面积过小，热量过于集中，则容易发生飞溅。由此可知密封胶的引入略微增大了对板材间隙的容忍程度，但进行焊点设计时仍要同时注意优化焊接顺序，避免过大板材间隙的出现。

3 结论

(1)因密封胶黏度低，在电极压力作用下容易排开，所以密封胶的引入对熔核直径、熔核偏移和缩孔缺陷影响较小。但由于其影响接触界面电流分布均匀性，因此薄板侧熔透深度出现波动，使得可用焊接电流范围向右平移1 kA，能耗有所增大。

(2)在许可电流范围内，密封胶焊和传统点焊的拉剪强度均显著高于标准要求值，所有拉剪测试样品的断裂方式均为薄板侧撕裂，但是密封胶焊表现出更好的强度和吸能性。

(3)密封胶引入对焊点间距设计基本无影响，对板材间隙也表现出较好的容忍度。