新材料与工艺手册

[激光焊接] 汽车热镀锌钢板激光搭接焊与电阻点焊接头拉剪性能对比研究

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发表于 2020-3-9 17:40:24 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车热镀锌钢板激光搭接焊与电阻点焊接头拉剪性能对比研究
张林阳1 郑虹1 陈兵华2 宋庆军1 陈学罡1 彭其飞3 邵亮1 吕岩1 丁奇1
(1.中国第一汽车股份有限公司研发总院,长春 130011;2.深圳大族激光智能装备集团,深圳 518103;3.一汽轿车股份有限公司,长春 130011)
【汽车轻量在线】摘要:以DX54D+Z100MB热镀锌钢板为研究对象,通过设计线状、圆环形及C形3种不同焊缝分布形式的激光搭接焊缝与电阻点焊的拉剪性能对比试验,在保证焊缝质量满足设计方案要求前提下,完成了对4种焊缝形式连接接头的抗剪力测试,并考察了其焊缝组织组成、晶粒尺寸大小以及显微硬度分布情况。结果显示,线状焊缝的抗剪力优于C形焊缝,C形焊缝的抗剪力优于抗剪力相当的电阻点焊焊缝和圆环形焊缝;所有被检连接试样的开裂位置均始于焊缝边缘热影响区,并从一侧母材中撕裂脱出,其产生原因主要与焊接接头处的组织组成、晶粒尺寸差异、有效承载面积不同以及接头处的应力分布形态有关。
关键词:热镀锌钢板 激光搭接焊 电阻点焊 抗剪力
1 概述

随着对乘用车车体防腐及使用寿命要求的不断提高,具备优良防腐特性的涂层钢板在白车身的制造中得到大量应用[1-2],其中以热镀锌钢板的应用最为广泛。材料表面镀锌层的存在,将导致其原材料焊接性的严重恶化。采用电阻点焊连接时,低熔点的镀锌层被挤出塑性区而形成锌环,从而使得焊件接触面增大,继而导致接触电阻和焊接电流密度减小[3-4],不利于焊核的形成与尺寸控制。若焊接规范选择不合理,很容易产生裂纹、气孔、组织软化等缺陷。此外,镀锌层很容易与铜发生粘连与冶金化反应,将严重降低电极的使用寿命[3-5]。与低碳钢板相比,镀锌钢板在点焊时,焊接电流与焊接时间一般需提高25%~50%,电极压力需提高10%~25%[4]。而采用激光搭接焊连接时,最大的难点在于焊件贴合面处镀锌层的熔化与蒸发,很容易导致气孔、裂纹及表面塌陷的产生。该问题可通过在零件上设计排气结构、预制凸点以及预设间隙的方法来解决[6],其目的是在焊件间形成一个合适的匹配间隙,一般为0.1~0.25 mm[7],从而为锌蒸气的挥发提供足够的逃逸通道。激光焊由于热输入量小、生产效率高、可达性好,对涂层钢板的抗腐蚀性影响很小,目前正在逐步取代电阻点焊,成为白车身制造中的主要关键连接工艺。此外,激光焊还可减小产品设计时的接头搭边量,有利于实现汽车轻量化

车身激光焊接最早由大众汽车引入中国,其中以搭接焊缝的应用最为广泛,并一度成为结实、耐用的代名词。在普通消费者眼里,呈直线状分布的激光焊缝显然要比呈点状分布的电阻点焊强度要高、也更安全。但事实上并非完全如此,焊缝的强度不仅取决于焊缝的长度、形状,还与焊缝的连接宽度、连接面积以及焊缝的组织组成有密切关系。目前,有关热镀锌钢板的激光搭接焊与电阻点焊2种工艺连接接头对比性研究的报道相对比较少。基于此原因,以大众某车型后盖外板用热镀锌钢板为研究对象,对不同焊缝分布形式下的激光搭接焊焊缝与电阻点焊焊缝的力学性能、组织差异进行了研究,旨在为车身结构设计时,为连接工艺的选择与产品技术条件的制定提供参考依据。

2 对比试验设计2.1 试验材料及设备

试验材料为大众某车型后盖外板用双面热镀锌钢板,牌号为DX54D+Z100MB,板厚为0.7 mm,其化学成分组成见表1。基体组织组成为铁素体+少量的三次渗碳体,如图1所示。

表1 DX54D+Z100MB热镀锌钢板化学成分组成

图1 DX54D+Z100MB热镀锌钢板金相组织

试验用的连接设备包括激光焊、电阻点焊两类。其中,激光焊设备型号为IPG-YLS-2000W光纤激光器,如图2所示,并匹配日本OTC焊接机器人及FLW-D50-W摆动焊接头。电阻焊设备为NIMAK一体式中频悬挂点焊机并匹配C型焊钳,见图3。

图2 激光焊设备

图3 电阻点焊设备

2.2 试验方案制定

为更直观地比较激光焊、电阻点焊2种连接工艺在焊缝拉剪性能方面的差异,激光焊接头选择与电阻点焊相同的搭接焊缝形式,焊缝分布设计成线状、圆环形以及C形3种,如图4所示。本试验方案的的设计理念是以焊核直径等于6 mm的点焊焊缝作为设计参考,每种形式的激光搭接焊焊缝的长度设计值等于电阻点焊的焊核周长,具体设计信息见表1。在实际生产过程中,线状焊缝、C型焊缝均得到了一定的应用;其中以线状焊缝的应用最为广泛,而圆环形焊缝应用相对较少。

图4 电阻点焊及激光搭接焊试样示意图

试样的设计尺寸为40 mm×150 mm,焊接时的搭接长度为40 mm,焊缝均匀地分布在搭接区域的中心位置。为了避免激光焊接时焊缝中产生大量气孔,两层镀锌板母材间的间隙值设定为0.12 mm。其形成是通过在2个待焊试样之间添加0.02 mm厚度的标准垫片实现。焊接工艺选择激光自熔焊工艺,并通过调整工艺参数保证试样恰好焊透,并保持所有激光搭接焊试样制备时的试验参数一致。焊缝长度和位置精度的保证通过示教编程实现。对于电阻点焊试样,通过优化工艺参数使得形成的焊核直径控制6±0.25 mm范围内。

表1 电阻点焊及三种激光搭接焊焊缝的形状设计信息

焊接样品制备完成后,采用Zwick/Roell Z100型电子拉力试验机对焊缝的抗剪力进行测试;借助Observer.A1m型金相显微镜及MH-6型维氏显微硬度计对两类焊缝的金相组织、显微硬度进行检测与分析。

3 结果与讨论3.1 焊缝外观及内部质量检测

采用目测或者低倍光学显微镜对试样的表面状态进行初步评判,在所有试样表面均未见明显的焊接缺欠存在,如图5所示。

图5 电阻点焊及激光搭接焊试样

选择圆环形激光搭接焊及电阻点焊试样进行焊缝内部质量检测,其焊缝截面照片见图6~7。由检测结果可知,上述2种焊缝的内部质量均达到了试验设计的预期结果,即在其焊缝截面照片中均未何明显的焊接缺欠存在。其中,激光搭接焊试样的连接宽度约为0.73 mm,电阻点焊试样的焊核直径约为5.94 mm。其中,电阻点焊焊核边界和尺寸的获取充分利用了焊缝不同区域处的组织差异性特点,具体如图7所示。可能由于材料本身特性的原因,DX54D+Z100MB材料点焊试样经过多次腐蚀尝试后,依然无法在其截面中获取到清晰的焊核边界。结合获取的激光搭接焊的焊缝长度及点焊的焊核直径尺寸,经推算可知所有激光搭接焊试样的有效连接面积约为13.87 mm2,电阻点焊试样的有效连接面积约为27.7 mm2。

图6 圆环形激光搭接焊焊缝截面照片

图7 电阻点焊焊缝截面照片

3.2 焊缝抗剪力测试

在室温下,完成对激光搭接焊及电阻点焊试样的抗剪力测试,检测结果见表2。由检测结果可知,4种典型焊缝的抗剪力排序为,线状焊缝优于C形焊缝,同时C形焊缝优于点焊焊缝和圆环形焊缝。其中,点焊焊缝与圆环形焊缝的抗剪力相当。图7为抗剪力测试试验后4种典型焊缝的试样断裂照片。可以看出,4种试样的断裂位置均是从一侧母材的热影响区边缘开始,而后沿焊缝边缘从母材本体中撕裂脱出。

图8为电阻点焊及激光搭接焊试样在抗剪力测试试验过程中,焊缝处的抗剪力随位移的变化曲线。该曲线与位移轴围成的面积一定程度代表了焊缝在受到拉剪力或者以拉剪力主导的碰撞情况下所能吸收的能量的大小。可以看出4种典型焊缝的吸能排序为:线状焊缝优于C形焊缝,同时C形焊缝优于吸能水平相当的点焊焊缝和圆环形焊缝。产生该差异的原因主要与焊缝接头处的组织组成、晶粒大小、焊缝的有效承载面积以及焊缝的分布形态等多种因素有关。

表2 电阻点焊及激光搭接焊试样抗剪力测试结果

图8 电阻点焊及激光搭接焊试样抗剪力测试后的照片

图9 电阻点焊及激光搭接焊试样抗剪力与位移间的关系

与圆环形激光搭接焊相比,电阻点焊拥有更大的连接面积,理论上其所能承受的抗剪力也更大。但是,由于在点焊焊缝金属区和热影响区形成了更为粗大的金相组织且并其热影响区宽度也比较大,一定程度上削弱了其焊缝处所能承载的抗剪力,可能晶粒粗化带来的削弱作用和较大的有效连接面积带来的增强作用基本抵消,从而得到了电阻点焊与圆环形激光搭接焊焊缝抗剪力相当的测试结果。对于3种激光搭接焊焊缝而言,由于其焊缝组织状态、连接长度、有效连接面积等各种因素均相同,其抗剪力不同主要由焊缝的分布形式不同引起。据报道,C型焊缝相对于环形焊缝而言,由于为非闭合焊缝,更有利于应力的释放,相应的其焊点周边的应力值也更小一些[8]。因而,C型焊缝获得了比圆环形焊缝更大的抗剪力。基于上述原因,对于线状焊缝而言,其为全开放型焊缝,焊缝周边应力更有利于释放。与C型焊缝相比,其在抗剪力测试过程中,焊缝受力方向与焊缝分布方向垂直,其可全部作用在焊缝的连接面上,因而获得了最大的抗剪强度。

3.3 焊缝显微硬度及组织检测

图10和图11分别给出了电阻点焊及激光搭接焊试样焊缝接头区域处的横向显微硬度变化曲线。可以看出激光搭接焊焊缝金属区的显微硬度约为145 HV0.5,明显高于电阻点焊焊缝金属区的显微硬度(约为HV0.5)。其产生原因主要与电阻点焊的热输入量较高有关,因而在其焊缝金属区形成了比激光焊更为粗大且分布不均的金相组织,如图12所示。在一般情况下,焊缝金属区的组织晶粒越细小、分布越均匀,其硬度和连接强度则越高。另外,较高的焊接热输入将使得电阻点焊接头的热影响区宽度要明显大于激光焊。结合两种接头的焊缝截面照片及硬度变化曲线可知,电阻点焊接头热影响区的宽度约为1.5 mm,激光搭接焊接头热影响区的宽度约为0.2 mm。在焊接过程中,热影响区处母材晶粒尺寸一般都会长大,并逐步演化成焊接接头最薄弱的区域。由图13可知,激光搭接焊焊缝热影响区处的晶粒尺寸是最大的。因而在抗剪力测试过程中,所有试样均从焊缝的热映影响区处产生初始裂纹,而后沿母材焊缝边缘扩展并导致最终的撕裂。

图10 电阻点焊试样接头横向显微硬度分布曲线

图11 激光搭接焊试样接头横向显微硬度分布曲线

图12 电阻点焊及激光搭接焊试样焊缝金属区的组织照片

图13 激光搭接焊焊缝不同区域处的组织照片

4 结论

a.通过优化焊接工艺和采取必要质量控制措施,采用激光搭接焊与电阻点焊2种连接工艺焊接DX54D+Z100MB热镀锌钢板,均可获得优质、无缺陷的焊接接头。

b.在激光搭接焊焊缝长度等于电阻点焊焊核周长的试验条件下,4种接头所能承受的抗剪力排序为线状焊缝优于C形焊缝,且C形焊缝点焊焊缝和圆环形焊缝。其中,点焊焊缝与圆环形焊缝的抗剪力相当,其原因主要与焊缝金属区及热影响区的组织组成、晶粒尺寸变化以及有效连接面积不同等多因素的综合作用有关。3种激光搭接焊焊缝的抗剪力不同主要由焊缝分布形态不同带来的接头区域处的应力状态不同引起。

c.4种连接接头的断裂位置均是从一侧母材的热影响区边缘开始,而后沿着焊缝边缘从母材本体中撕裂脱出。产生该结果的原因主要与热影响区处的母材组织粗化有关。

参考文献:

[1]林浩磊,沈洁,张延松,等.汽车用镀锌钢板电阻点焊可焊性的研究[J].汽车工程,2011(6):549-552.

[2]孟祥海,李孟星,吴丽学,等.汽车镀锌钢板焊接缺陷分析及对策[J].铸造技术,2018(3):625-627.

[3]阎启.热镀锌钢板点焊工艺研究[J].宝钢技术.2000(5):32-34.

[4]王敏.镀锌钢板点焊工艺研究[J].汽车工艺与材料,1999(5):5-8.

[5]沈言锦.汽车镀锌钢板的焊接工艺[J].焊接技术,2016(45):42-43.

[6]张屹,李时春,金湘中,等.镀锌钢板激光焊接关键技术研究[J].激光与光电子学进展,2010(47)071401-1~071401-9.

[7]魏伟,姚远,陈明,等.车身镀锌钢板激光搭接焊焊缝成形及焊接性能研究[J].汽车工艺与材料,2009(3):14-17.

[8]刘春艳,马瑞,檀财旺,等.GH99高温合金环形和C形激光焊接对比研究[J].中国激光,2014(8):0803002-1~0803002-8.






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