李 艷,王皓軒,吳冠文,王日堯,周曉虎
(1.廣州三五汽車部件有限公司,廣東廣州511455;2.廣東工業(yè)大學機電工程學院,廣東廣州510006)
隔熱罩三層鍍鋁鋼板電阻點焊工藝參數(shù)實驗
李 艷1,王皓軒1,吳冠文1,王日堯1,周曉虎2
(1.廣州三五汽車部件有限公司,廣東廣州511455;2.廣東工業(yè)大學機電工程學院,廣東廣州510006)
以確定汽車發(fā)動機隔熱罩三層鍍鋁鋼板電阻點焊良品工藝參數(shù)為目的,采用電阻點焊產(chǎn)品外部品質(zhì)(目視)和內(nèi)部品質(zhì)(宏觀金相檢驗)的判定標準,以厚度組合為0.5 mm×0.5 mm×1.0 mm的鍍鋁鋼板為研究對象,針對焊接電流、焊接時間對點焊品質(zhì)的影響規(guī)律進行實驗研究,并確定了一組三層鍍鋁鋼板的電阻點焊良品工藝參數(shù)。實驗結果表明,在采用CuCr型電極材料的條件下,具體良品工藝參數(shù)為:焊接電流7.5 kA,焊接時間16周波0.32 s,電極壓力1.7 kN,電極交換點數(shù)104點。為相關理論分析和數(shù)值模擬提供了可靠的基礎實驗數(shù)據(jù)。
三層鍍鋁鋼板;電阻點焊;工藝參數(shù);隔熱罩
在焊接技術領域,電阻點焊作為重要分支,占據(jù)了世界焊接總量的三分之一。在汽車制造產(chǎn)業(yè)中,汽車車身、表面薄板等零部件的點焊又占據(jù)總焊接數(shù)的95%以上[1]。鍍層鋼板(如鍍鋅鋼板、鍍鋁鋼板)因具有良好的抗腐蝕性,在汽車產(chǎn)業(yè)中不斷得到推廣使用[2]。對于汽車發(fā)動機隔熱罩,要求其質(zhì)量輕、抗腐蝕、隔熱效果好,其中隔熱效果尤為重要,三層鍍鋁鋼板既能滿足車身輕量化又能達到較好的隔熱效果,非常適合應用在發(fā)動機隔熱罩上,其加工工藝多采用電阻點焊工藝,但存在以下兩方面的困難:(1)熔核形成較無鍍層鋼板困難,鍍鋁層因熔點低、導電好、易破壞、散熱快等特點[3],焊接時鍍鋁層先熔化,導電面積增大;熔化后的鍍鋁層與銅電極端面粘結,形成導熱性差的新合金,使得點焊接觸電阻變大、通過的電流密度小、熔核直徑不夠以及熔核高度較淺[4],最終導致產(chǎn)品強度不夠。(2)三層鋼板點焊相比二層鋼板點焊更易產(chǎn)生飛濺[1],這是因為三層鋼板比二層鋼板多了一層間隙,該間隙容易導致點焊過程中產(chǎn)生較嚴重的飛濺現(xiàn)象,進而導致焊接品質(zhì)不穩(wěn)定。
當只考慮焊接電流這一點焊參數(shù)條件時,增大電流更有助熔核的形成,與更容易產(chǎn)生飛濺相矛盾。為此,在保證產(chǎn)品質(zhì)量兼顧兩方面困難的基礎上,如何合理地選擇點焊工藝參數(shù)顯得尤為重要。目前針對三層鍍鋁鋼板點焊工藝方面的研究較少,尤其是實驗方面的數(shù)據(jù)相對缺乏。在此以厚度分別為0.5 mm、0.5 mm和1.0 mm的鍍鋁鋼板為研究對象,開展點焊工藝優(yōu)化試驗,確定可用于汽車發(fā)動機隔熱罩三層鍍鋁鋼板產(chǎn)品量產(chǎn)的最佳點焊工藝參數(shù),研究工藝參數(shù)對點焊品質(zhì)的影響規(guī)律。
1.1 點焊工藝良品參數(shù)確定
點焊工藝研究分為工藝實驗法和模擬分析法。由于三層板連接的復雜性(厚度變化和層數(shù)變化),研究良品工藝參數(shù)非常困難,最常用的方法是實驗法[1]。本研究確定隔熱罩點焊工藝良品參數(shù)的實驗流程如圖1所示。
圖1 點焊工藝良品參數(shù)確定流程
步驟③根據(jù)產(chǎn)品材質(zhì)和板厚結合現(xiàn)場點焊經(jīng)驗初步確定鍍鋁鋼板用的基礎工藝參數(shù):焊接電流,焊接時間、電極壓力。步驟④品質(zhì)判斷標準:對其結果通過目視進行外部品質(zhì)判定,通過宏觀金相檢驗進行內(nèi)部品質(zhì)判定。步驟⑥確認良品工藝參數(shù)后使用同一電極進行大量試做直到出現(xiàn)品質(zhì)不合格。因為點焊時電極的狀態(tài)變化,會引起焊接過程中動態(tài)電阻的突變,當該電阻突變后,點焊焊點均不合格[5]。通過試做找到突變時對應的電極點數(shù),一方面可以抽檢確認突變前品質(zhì)穩(wěn)定性,另一方面可以確認電極交換頻度,保證焊接質(zhì)量,得出良品參數(shù)。
1.2 點焊品質(zhì)判定標準
隔熱罩三層鍍鋁鋼板點焊品質(zhì)的判定標準主要從外部品質(zhì)和內(nèi)部品質(zhì)兩方面進行。外部品質(zhì)判定標準:點焊過程中無明顯焊渣飛濺現(xiàn)象,焊接部無開裂和凹坑。內(nèi)部品質(zhì)判定標準:在宏觀金相試樣上用顯微鏡測定焊點熔核直徑和熔核單側(cè)高度,通過熔核直徑(d)和焊透率(A)判定點焊質(zhì)量。一般結構的薄鋼板(δ<4 mm),其焊點熔核直徑規(guī)格標準應滿足式(1);焊透率規(guī)格應滿足20%≤A≤80%,其具體計算見式(2)
式中d為熔核直徑(單位:mm);δ為多層板中最薄板厚(單位:mm)。
式中A為焊透率(單位:%);H為熔核單側(cè)高度(單位:mm);δ為實測板厚(單位:mm)。
不同材料或不同板厚的點焊,焊透率的要求不同,過大或者過小都會影響點焊性能[6]。此處只需保證焊點強度,選擇下限,實驗中根據(jù)板厚確定焊透率的規(guī)格標準為A≥20%。宏觀金相試樣的熔核直徑尺寸示意如圖2所示。
圖2 三層板點焊形成的熔核結構示意
2.1 實驗材料
實驗用鋼板代號為A,B,C,材質(zhì)均為熱鍍鋁鋼板,其中A型板厚為1.0 mm,B型和C型板厚為0.5 mm,各型號原鋼板化學成分如表1所示。熱鍍鋁鋼板的鍍層附著量及力學性能如表2所示。
表1 原鋼板的板厚及成分質(zhì)量含量
表2 熱鍍鋁鋼板鍍層附著量及力學性能
需要指出的是,B型鋼板和C型鋼板通過沖壓工藝貼合形成一個沖壓品整體D,如圖3所示。點焊工藝流程中,A型鋼板和沖壓品D通過電阻點焊形成一個組裝品E,如圖4所示。
圖3 沖壓品D
圖4 組裝品E
電阻點焊工藝4個焊點的位置和點焊順序如圖5所示。A、B、C型鋼板點焊搭接示意如圖6所示。由于鍍鋁層的導電導熱性好,需要較大的焊接電流,應采用導電性適中且硬度較高的電極進行點焊。硬銅合金的球面電極滿足此類條件,廣泛應用于鍍鋁鋼板點焊[6]。本實驗采用電極材料為CuCr,球面半徑8 mm,點焊上下電極型號一樣,如圖7所示。
圖5 點焊順序
圖6 點焊鋼板搭接
圖7 點焊用電極
2.2 實驗設備及流程方案
實驗設備及流程方案如圖8所示。實驗內(nèi)容由兩部分組成,一部分是產(chǎn)品生產(chǎn)設備(具體見圖8中的“產(chǎn)品生產(chǎn)”部分)。使用的主要設備有點焊機和工業(yè)機器人。點焊機由YR-500S型的單向交流電阻焊機(電源電壓380 V,額定功率50 kVA,最大短路電流19.5kA,最大電極壓力11.7 kN)和YF-0201Z5型的電阻焊機控制器組成,對產(chǎn)品進行點焊工藝加工。此外,為保證焊點位置的穩(wěn)定性,還使用YR-UP50NA00型的搬運機器人進行產(chǎn)品點焊前后的搬運。
另一部分是產(chǎn)品檢測設備及流程(具體見圖8中的“產(chǎn)品檢測”部分),主要用于產(chǎn)品內(nèi)部品質(zhì)測定?;玖鞒毯椭饕O備有:(1)使用LGK8-63TSMI型的空氣等離子弧切割機進行產(chǎn)品初步切割加工。(2)使用鋸片切割機切割產(chǎn)品焊道中部,進行產(chǎn)品細切加工。(3)部品焊點采用XQ-1型金相試樣鑲嵌機進行鑲嵌。(4)鑲嵌完的試樣用YM-2A型的金相試樣預磨機對焊點的切斷面進行研磨。(5)機械拋光及清洗,使用5%硝酸液對焊道切斷面進行腐蝕處理,擦拭1~2 s,確保焊點熔核單側(cè)高度清晰可見后立刻將試樣放入清水內(nèi),清洗干凈后擦凈烘干試樣上的殘留水。(6)觀測測量。使用VHX-2000型數(shù)碼顯微鏡,觀察和測量熔核直徑、熔核單側(cè)高度和點焊后的板厚。
3.1 基礎工藝參數(shù)選擇與確認
圖8 實驗設備及流程方案示意
影響點焊品質(zhì)的三要素為:焊接電流、焊接時間、電極壓力。焊接電流、焊接時間對三層板焊接質(zhì)量影響顯著[1],電極壓力是點焊三要素影響最小的因素[6]。根據(jù)產(chǎn)品材質(zhì)和板厚,參照現(xiàn)場實際生產(chǎn)鍍鋁鋼板點焊的工藝參數(shù),初步選定工藝參數(shù)為:焊接電流8.5 kA,焊接時間13周波,電極壓力1.7 kN。用此條件進行試做,品質(zhì)結果如表3所示,此處4個焊點都進行了內(nèi)部品質(zhì)宏觀金相檢驗,隨機選取其中一個點的數(shù)據(jù)列出。外部品質(zhì)不良的現(xiàn)象為焊接過程有中等飛濺。根據(jù)內(nèi)部品質(zhì)判斷標準式(1)和式(2),得出0.5 mm板厚對應的熔核直徑規(guī)格為大于等于2.82 mm,焊透率規(guī)格為大于等于20%,其內(nèi)部品質(zhì)金相試樣放大圖如圖9所示。
表3 參數(shù)1試做結果
圖9 參數(shù)1金相試樣放大圖
由圖9可知,熔核直徑較大,最小熔核直徑為4.72 mm,超出要求63%以上;最小熔透率為46.5%,超出要求26.5%。從數(shù)據(jù)上看,焊接參數(shù)可調(diào)整范圍較大。
3.2 良品工藝參數(shù)選擇與確認
一般隨著焊接電流的減少,熔核直徑和飛濺隨之減小。為了減少飛濺,進行四組數(shù)據(jù)試做。參數(shù)2以工藝參數(shù)1為基礎,在電極壓力不變的情況下,焊接電流減小1 kA,焊接時間增加3 Hz;參數(shù)3、4、5以參數(shù)2為基礎,在電極壓力不變的情況下,分別單因素降低焊接時間3 Hz和降低電流0.5 kA、1 kA進行試做。品質(zhì)結果如表4所示,外部品質(zhì)焊接過程中均無飛濺。內(nèi)部品質(zhì)金相試樣放大圖分別如圖10~圖13所示。
圖10 參數(shù)2金相試樣放大圖
結果表明,參數(shù)2在減小電流和增加時間后,電流密度降低,飛濺減少。整體焊接熱量趨近原來參數(shù)1,熔核直徑和焊透率都較大,符合良品工藝參數(shù)。
表4 參數(shù)2、3、4、5試做結果
圖11 參數(shù)3金相試樣放大圖
圖12 參數(shù)4金相試樣放大圖
圖13 參數(shù)5金相試樣放大圖
單因素對比參數(shù)1和參數(shù)3的試做結果,焊接電流減小,薄板BC間的熔核直徑和焊透率均為0,厚板A與薄板B間的熔核直徑減小,焊透率增加,飛濺減少。這是因為焊接電流降低,焊接熱量減少,產(chǎn)品通過焊接電流處局部發(fā)熱,發(fā)生塑性變形導致形成的塑性金屬環(huán)減小,所以熔核直徑減小。同時避免了塑性金屬環(huán)在電極壓力下發(fā)生崩潰,防止熔化金屬從焊件之間或焊件表面溢出,所以飛濺減少。而當不等厚鋼板點焊時,薄板的散熱效果更好,熱量損失大,厚板的電阻大,吸收熱量多,所以焊接時熔核中心會向熱量更多的厚板偏移[7],增加厚板的焊透率。由于熔核向厚板偏移現(xiàn)象以及焊接熱量減小的綜合作用,就會出現(xiàn)薄板C沒有熔核高度、熔核直徑和焊透率均為0的情況。
單因素對比參數(shù)2和參數(shù)3的試做結果,焊接時間減少,薄板BC間的熔核直徑和焊透率均為0,厚板A與薄板B間的熔核直徑也出現(xiàn)減小,焊透率增加,均無飛濺。分析可知,焊接時間的減少導致焊接熱量的減少,使熔核直徑減小,加上多層板點焊時熔核偏移現(xiàn)象,導致薄板C的熔核直徑和焊透率為0。
綜合對比參數(shù)2、3、4、5的試做結果,當減少焊接電流或焊接時間任何一個因素時,焊接熱量會減少,從而導致熔核直徑減小。整體熱量小于某個臨界點時,外側(cè)薄板C無法形成熔核直徑。為了改善多層鋼板點焊熔核偏移的現(xiàn)象,適宜用較大熱量的焊接條件,同時為了減小飛濺,不宜使用太大的焊接電流。
從試做結果選定參數(shù)2(焊接電流7.5 kA,焊接時間16 Hz,電極壓力1.7 kN)為良品工藝參數(shù)。
3.3 良品工藝參數(shù)穩(wěn)定性及電極交換頻度確認
點焊電極由于使用次數(shù)增加發(fā)生磨損,一直使用會出現(xiàn)失效影響點焊品質(zhì)的情況。為此進行良品工藝參數(shù)穩(wěn)定性及電極交換頻度的確認很有必要。本實驗以工藝參數(shù)2為條件,使用新電極進行試做直到出現(xiàn)品質(zhì)不合格為止。每個部品進行外部品質(zhì)確認,焊接飛濺從125點開始逐漸出現(xiàn)且為增加趨勢。每點焊4點取一個進行內(nèi)部品質(zhì)確認,品質(zhì)熔核直徑和焊透率結果如圖14、圖15所示。
圖14 電極使用點數(shù)與熔核直徑關系
圖15 電極使用點數(shù)與焊透率關系
由圖14可知,當電極使用點數(shù)小于137點時,焊點的熔核直徑均合格,當電極使用點數(shù)為137點時,熔核直徑不合格,0.5 mm的鋼板B與鋼板C開始出現(xiàn)熔核直徑小于規(guī)格標準2.82 mm的情況。由圖15可知,當電極使用點數(shù)小于133點時,焊點的焊透率均合格,當電極使用點數(shù)為133點時,0.5 mm的鋼板C出現(xiàn)焊透率A1低于規(guī)格標準20%的現(xiàn)象。
這是因為隨著電極使用次數(shù)的增加,與工件接觸的電極端面發(fā)生磨損和變形,接觸面積增大,電流密度降低,無法使板材間局部加熱到熔化或塑性狀態(tài),導致熔核直徑不夠。同時由于板材是鍍鋁鋼板,在焊接時鍍鋁層因為熔點低先熔化粘附在電極上,過厚的鍍鋁層導致電流不能通過或者局部通過。電流不能通過時引起熔核直徑不夠,質(zhì)量低下;電流局部通過時,電流密度太大產(chǎn)生點焊飛濺。電極上鍍鋁層的不均勻也會引起不同焊點加熱不均,最終導致焊接品質(zhì)不穩(wěn)定[6]。綜合考慮上述隱患,當電極使用到一定點數(shù)時需更換新電極或者研磨修復表面才能保證焊點品質(zhì)的合格及穩(wěn)定性。
因為焊點品質(zhì)在電極使用點數(shù)133點開始不合格,現(xiàn)場生產(chǎn)電極交換頻度取0.8的安全系數(shù),即132×0.8=105.6,一個組裝品上有4個焊點,為了避免組裝品點焊到50%時交換電極的情況,電極交換頻度取離105.6最近的4的倍數(shù),即104點交換電極。
(1)鍍鋁鋼板點焊時,電極易與鍍層粘附,需及時研磨修復電極或更換新電極以保證焊接品質(zhì)及其穩(wěn)定性。
(2)鍍鋁鋼板點焊的工藝參數(shù)較窄,電流過大容易產(chǎn)生飛濺,電流過小容易使先熔化的鍍層阻礙熔核直徑的形成,需嚴格控制點焊工藝參數(shù)。
(3)電極材料為CuCr時,電阻點焊的良品工藝參數(shù)為:焊接電流7.5 kA,焊接時間16周波0.32 s,電極壓力1.7 kN,電極交換點數(shù)104點。
[1]黃煥林.三層板點焊工藝參數(shù)優(yōu)化的研究與應用[D].上海:上海交通大學,2009.
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Experimental study on resistance spot welding parameters of three layer aluminized steel plate for heat shield
LI Yan1,WANG Haoxuan1,WU Guanwen1,WANG Riyao1,ZHOU Xiaohu2
(1.SANGO Co.,Ltd.,Guangzhou 511455,China;2.School of Electro-Mechanical Engineering,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China)
To determine the resistance spot welding process parameters of car engine heat shield three layer aluminized steel for the purpose of good product quality,the external resistance spot welding products(visual)and internal quality(macroscopic metallographic examination)criterion to thickness combination was 0.5 mm×0.5 mm×1.0 mm type aluminum plate as the research object,aiming at the key factors of welding current law of welding time on spot welding quality was studied,and the yield of resistance spot welding process parameters of a group of three layer aluminized steel plate was determined.The experimental results show that when using CuCr type electrode materials under the condition of specific yield parameters:welding current 7.5 kA,welding time 16 cycle 0.32 s,electrode pressure 1.7 kN,the electrode exchange points 104 points.It provides reliable experimental data for theoretical analysis and numerical simulation.
three layer aluminized steel plate;resistance spot welding;technique parameters;heat shield
TG406
A
1001-2303(2017)04-00
10.7512/j.issn.1001-2303.2017.04.
獻
郭吉昌,朱志明,閆國瑞,等.基于UG的弧焊機器人離線編程系統(tǒng)開發(fā)[J].電焊機,2017,47(01):1-6.
2016-10-07;
:2016-12-14
李 艷(1990—),女,廣東人,工程師,學士,主要從事焊接技術的研究工作。