牛月鵬，張龍柱，楊西鵬，王連軒

(河鋼集團(tuán)邯鋼公司技術(shù)中心，河北 邯鄲 056015)

近年來,汽車工業(yè)的飛速發(fā)展給我們的交通提供了便利,但也產(chǎn)生了三大不可避免的社會問題:能源消耗、尾氣排放和安全問題。為解決這些問題,發(fā)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)的能實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的材料顯得尤為重要[1-2]。先進(jìn)高強(qiáng)鋼可以實(shí)現(xiàn)用較輕的質(zhì)量就能達(dá)到所需要的甚至更高的強(qiáng)度要求,并且還具有防撞性能好的優(yōu)勢,因此先進(jìn)高強(qiáng)鋼是目前汽車行業(yè)所急需的車身材料,一定程度上解決了輕量化問題,滿足了當(dāng)前的要求。隨著超高強(qiáng)鋼的強(qiáng)度增加，碳含量也隨之升高，這樣一來對焊接的可行性提出了更高的要求。因此對先進(jìn)高強(qiáng)鋼點(diǎn)焊工藝進(jìn)行探究,已成為急需解決的問題。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為邯寶生產(chǎn)的超高強(qiáng)鋼CR1030/MS1300，厚度1.0 mm，主要化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1所示。圖1為CR1030/MS1300母材顯微組織，主要由板條馬氏體組成。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)選用中頻逆變式點(diǎn)焊機(jī)作為試驗(yàn)設(shè)備，焊接設(shè)備型號為MDZ-32，電極頭前端直徑設(shè)計(jì)為Φ8 mm，拉伸力使用CMT5305電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行檢測，接頭顯微組織使用MEF3光學(xué)顯微鏡觀測，接頭硬度使用HVS-1000型數(shù)顯顯微硬度計(jì)測得。

表1 CR1030/MS1300主要化學(xué)成分及力學(xué)性能

圖1 CR1030/MS1300母材顯微組織

1.3 工藝參數(shù)設(shè)定

參照SMTC5 111 003-2014標(biāo)準(zhǔn)，基于CR1030/MS1300厚度1.0 mm板材厚度處于0.80～1.09 mm范圍內(nèi)，點(diǎn)焊試驗(yàn)采用表2所示參數(shù)規(guī)范。

表2 焊接試驗(yàn)參數(shù)表

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 點(diǎn)焊工藝參數(shù)窗口試驗(yàn)

在表2規(guī)定焊接工藝參數(shù)條件下，通過剝離拉伸法，獲取焊點(diǎn)直徑隨焊接電流的變化規(guī)律(設(shè)定焊接電流步長值為0.1 kA)。依據(jù)SMTC5 111 003-2014，若在某電流值條件下連續(xù)3件試樣焊點(diǎn)直徑不小于4 mm，則認(rèn)定此電流為對應(yīng)時(shí)間條件下的可焊電流區(qū)間左邊界點(diǎn)。確定左邊界點(diǎn)后，繼續(xù)增大焊接電流(步長值改為0.2 kA)，當(dāng)首次發(fā)生飛濺后，以0.1 kA步長降低電流，若降低至某電流下連續(xù)3件試樣無飛濺，則認(rèn)定此電流為可焊電流區(qū)間右邊界點(diǎn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 CR1030/MS1300板材點(diǎn)焊工藝參數(shù)窗口試驗(yàn)結(jié)果

CR1030/MS1300板材在不同焊接時(shí)間條件下的可焊電流左右邊界點(diǎn)如表4所示，焊接電流區(qū)間窗口如圖2所示?？梢钥闯鯟R1030/1300MS板材在指定時(shí)間點(diǎn)條件下所對應(yīng)的可焊電流區(qū)間范圍均不小于1.0 kA。

表4 CR1030/MS1300板材在不同焊接時(shí)間條件下的可焊電流左右邊界點(diǎn)

圖2 CR1030/MS1300板材焊接電流區(qū)間窗口

2.2 拉伸結(jié)果分析

JIS-Z-3140-1989《點(diǎn)焊焊接縫的檢驗(yàn)方法》中規(guī)定，薄板厚度為1.0 mm 時(shí)，其A級、AF級點(diǎn)焊接頭的抗剪力最小值為4.19 kN，平均值為4.9 kN。針對A～F各點(diǎn)，每組工藝參數(shù)點(diǎn)焊3組試樣，取其平均值作為此參數(shù)下接頭的力，結(jié)果見表5，表中所有工藝參數(shù)下的接頭力均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表5 CR1030/MS1300板材焊點(diǎn)剪切/十字拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.3 顯微組織分析

圖3(a)為焊核中心顯微組織，主要由馬氏體組成，與母材相比馬氏體有粗化現(xiàn)象；電阻點(diǎn)焊加熱的特點(diǎn)是焊核內(nèi)部加熱溫度較高，冷卻速度較大，馬氏體鋼點(diǎn)焊時(shí)會在焊核內(nèi)部形成粗大的馬氏體，強(qiáng)度增加，但塑性和韌性卻下降。圖3(b)為靠近焊核熱影響區(qū)顯微組織，也由馬氏體構(gòu)成，但與焊核中心相比，馬氏體尺寸要細(xì)小。

(a)熔核區(qū)顯微組織

(b)熱影響區(qū)顯微組織 圖3 CR1030/1300MS板材點(diǎn)焊金相組織

2.4 硬度結(jié)果分析

對板材按照母材→熱影響區(qū)→熔核→熱影響區(qū)→母材順序進(jìn)行顯微硬度試驗(yàn)(載荷大小為9.8 N，壓痕間距為0.4 mm)，測試位置如圖4所示，顯微硬度曲線如圖5所示。

圖4 顯微硬度測試位置示意圖

從圖5可以看出，在不同焊接時(shí)間點(diǎn)所對應(yīng)的可焊電流區(qū)間左右邊界電流條件下，其焊點(diǎn)部位顯微硬度的變化規(guī)律一致，均為先逐漸增大，而后趨于穩(wěn)定，再逐漸降低。焊區(qū)內(nèi)未出現(xiàn)嚴(yán)重脆化點(diǎn)。

A點(diǎn) B點(diǎn) C點(diǎn)

D點(diǎn) E點(diǎn) F點(diǎn) 圖5 CR1030/MS1300板材左右邊界點(diǎn)焊試樣顯微硬度曲線

3 討論

焊接電流、焊接時(shí)間等點(diǎn)焊工藝參數(shù)對焊接力學(xué)性能有很大的影響[3]。電流是保證熱輸入的重要因素，電流過大時(shí)會引起飛濺，過小時(shí)又不易形成熔核。合適的電流才能夠保證合適的熔核直徑，得到較好的力學(xué)性能。焊接時(shí)間與焊接電流作用結(jié)果相似，焊接時(shí)間過短不易形核，焊接時(shí)間過長則會影響焊接接頭承受動載的能力。

從本研究的結(jié)果可以看出，在試驗(yàn)所選用的工藝參數(shù)范圍內(nèi)，焊接電流和焊接時(shí)間對于焊接接頭剪切力的影響更為顯著。兩者對于剪切力的影響也是趨同的，都是隨著其增大，剪切力增大。這是因?yàn)?，焊接電流和焊接時(shí)間是共同影響焊接熱輸入的重要因素，隨著熱輸入和焊接電流的不斷提高，熔核尺寸也就會隨之增大，產(chǎn)生的界面結(jié)合力也就不斷提高，因而剪切力就不斷提高。但是從試驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)，隨著焊接時(shí)間的延長也就代表著焊接熱輸入的增加，熔核尺寸增加的趨勢是在放緩的，這說明熔核尺寸不會隨著熱輸入的增加無限制的增加。同樣有研究[4-5]表明，隨著焊接時(shí)間的延長，剪切力變化趨勢其實(shí)是先增加后減小的，這是因?yàn)楫?dāng)焊接時(shí)間過長時(shí)，母材表面過熱、壓痕過深，焊件表面質(zhì)量會降低。焊接電流過大時(shí)，同樣會因?yàn)楹附咏宇^處的飛濺出現(xiàn)，而使剪切力出現(xiàn)降低的情況。因此，可以說，只有適中的焊接電流與焊接時(shí)間的選擇才能既符合工業(yè)化生產(chǎn)對于效率與成本的要求，也可以得到良好的焊接接頭性能。

4 試驗(yàn)結(jié)論

(1)厚度為1.0 mm的CR1030/MS1300板材的點(diǎn)焊性能良好。當(dāng)電極壓力取3.6 kN定值時(shí)，焊接時(shí)間取120 ms，焊接電流可取4.4-5.9 kA；焊接時(shí)間取150 ms，焊接電流可取4.0-5.5 kA；焊接時(shí)間取180 ms，焊接電流可取3.8-5.1 kA。

(2)試驗(yàn)條件下最優(yōu)工藝參數(shù)為焊接電流5.5 kA，焊接時(shí)間150 ms，電極壓力2.6 kN，此時(shí)點(diǎn)焊接頭抗剪力為17.67 kN。

(3)熔核區(qū)顯微組織為粗大馬氏體組織，熱影響區(qū)組織為細(xì)小馬氏體。

(4)受馬氏體形態(tài)及其含量影響，母材硬度為410 HV，熔核區(qū)硬度為462 HV。