CN111545887B - 一种点焊焊接方法及点焊接头 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种点焊焊接方法，将板组置于第一电极和第二电极之间，点焊焊接时，第一电极和第二电极夹持板组，且对板组施加有压力，与此同时，按预先设置的电流值对对第一电极和第二电极通电，依次进行第一通电工序、通电休止工序以及第二通电工序，点焊焊接结束后，第一电极和第二电极可松开，即可取出已完成点焊连接的板组。本发明还提供一种用上述点焊焊接方法制备的点焊接头。

Description

一种点焊焊接方法及点焊接头

技术领域

本发明涉及汽车等中使用的高强度钢板的焊接技术领域，特别是涉及一种点焊焊接方法及点焊接头。

背景技术

以汽车轻量化为目标，强度在340MPa以上的高强度钢板被广泛采用。另一方面，碰撞时，为确保乘员安全，高强度钢板的运用也扩大到汽车的关键部位，尤其是1GPa级以上的超高强度钢已成为当前研究的热点。

目前对高强度钢板进行电阻点焊时，点焊接头强度很难达到与母材相应的强度等级，并且，在十字拉伸强度实验中，随着母材强度的增加，点焊接头的熔核区处越容易发生断裂。这是由于随着母材强度的增加，熔核周围的变形量也随之下降，从而使得熔核区周围发生了更多的应力集中。因此，迫切需要通过优化电阻点焊工艺来提高点焊接头强度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种点焊焊接方法及点焊接头，通过生成第二软化区，可以减少熔核端部附近的应力集中，从而可以提高点焊接头的十字拉伸强度。

本发明提供一种点焊焊接方法：

将板组置于第一电极和第二电极之间，所述板组包括至少两张层叠设置的钢板，且相邻的两钢板中至少一张为高强度钢板；

将所述第一电极和所述第二电极分别推向所述板组的相对两侧，直至分别与所述板组的相对两侧面相抵持；

进行第一通电工序，所述第一电极和所述第二电极对所述板组施加有第一压力F₁，同时，对所述第一电极和所述第二电极施加第一通电电流I₁，通电时长为第一通电时间T₁，通电休止时间T_s满足：t×5＜T_s＜t×20，t是板组的总板厚，板厚的单位是mm，时间单位周期/50Hz；

进行通电休止工序，所述第一电极和所述第二电极对所述板组施加有第二压力F₂，同时，停止通电，停止通电时长为通电休止时间T_s；

进行第二通电工序，所述第一电极和所述第二电极对所述板组施加有第三压力F₃，同时，对所述第一电极和所述第二电极施加第二通电电流I₂，通电时长为第二通电时间T₂；

所述板组完成焊接形成点焊接头，所述第一电极和所述第二电极松开所述点焊接头。

在其中一个实施方式中，所述高强度钢板的板厚为0.5mm～3.2mm。

在其中一个实施方式中，所述板组包括第一钢板和第二钢板，所述第一钢板和所述第二钢板均为高强度钢板，所述第一钢板和所述第二钢板层叠设置时，所述第二钢板位于所述第一钢板的上表面上，所述第一电极和所述第二电极均竖直且同轴设置，且所述第一电极位于所述第一钢板的下方，所述第二电极位于所述第二钢板的上方。

本发明还提供了一种点焊接头，上述所述板组通过上述任一点焊焊接方法进行点焊可形成所述点焊接头，相邻钢板之间通过熔核连接，自所述熔核的端部起沿远离所述熔核的方向依次为压接部以及相邻钢板之间的间隙。

在其中一个实施方式中，通过所述第二通电工序，所述熔核内或所述熔核附近形成有第二软化区，所述第二软化区的硬度低于周边区域的硬度。

在其中一个实施方式中，通过所述第二通电工序，所述熔核受热升温，沿远离所述熔核中心的方向，所述钢板的温度逐渐降低，所述钢板的温度等于Ac1临界温度的部分构成第二Ac1线，靠近所述第二Ac1线且位于所述第二Ac1线远离所述熔核中心一侧的区域的温度在Ac1临界点以下，该区域中的马氏体回火析出粒状碳化物转变为回火马氏体，从而构成所述第二软化区。

在其中一个实施方式中，所述第二软化区位于所述压接部所在区域或所述熔核端部开始到向内30％的区域。

在其中一个实施方式中，所述第二软化区的硬度HV_tm满足下述条件：

HV_nc-HV_tm≥30(HV)，

HV_outmax-HV_tm≥20(HV)，

HV_nc是所述熔核中心的硬度，HV_outmax为所述第二软化区外侧的峰值硬度。

在其中一个实施方式中，所述第二软化区的硬度HV_tm满足下述条件：

HV_nc-HV_tm≥50(HV)，

HV_outmax-HV_tm≥30(HV)。

本发明提供的点焊焊接方法及点焊接头，通过控制通电休止时间，可以确保熔融部凝固，从而可以确保在第二通电工序中可以生成且生成位置适当的第二软化区，如此，可以减少熔核端部附近的应力集中，从而可以提高点焊接头的十字拉伸强度。另外，可以通过观察第二Ac1线或者亚微米粒状的碳化物来确定第二软化区是否生成，以及生成的位置，便于点焊接头的检验。

附图说明

图1为本发明提供的一种焊接方法的示意图。

图2为通过图1所示焊接方法制备的点焊接头的结构示意图。

图3为图2所示点焊接头的另一结构示意图。

图4为在熔融部凝固过程中进行第二通电工序而生成的点焊接头的结构示意图。

图5为第二Ac1线的位置与点焊接头的十字拉伸强度的关系示意图。

第一钢板1 第二钢板2

板组3 第一电极4

第二电极5 熔核6

第一Ac1线7 压接部8

间隙9 第二Ac1线10

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用于限制本发明的范围。

请参阅图1，本发明提供了一种点焊焊接方法。首先，将板组3置于第一电极4和第二电极5之间，板组3包括至少两张层叠设置的钢板，且相邻的两钢板中至少一张为高强度钢板。然后，将第一电极4和第二电极5分别推向板组3的相对两侧，直至分别与板组3的相对两侧面相抵持。接着，对第一电极4和/或第二电极5施加外力，使得第一电极4和第二电极5相互靠拢，与此同时，按预先设置的电流值对第一电极4和第二电极5通电，依次进行第一通电工序、通电休止工序以及第二通电工序。最后，对第一电极4和/或第二电极5施加外力，使得第一电极4和第二电极5相互背离，此时，已完成点焊连接的板组3，即，点焊接头，即可取出。

在上述点焊焊接方法中，对用于实施点焊焊接方法的焊接设备并没有特别的限定，只要具备第一电极4、第二电极5、外力控制装置以及电流控制装置，并且外力控制装置能够对第一电极4和/或第二电极5施加外力，使得第一电极4、第二电极5能够夹持或松开板组3，以及通过外力控制装置能够控制第一电极4、第二电极5夹持板组3时对板组3施加的压力和通过电流控制装置控制施加于第一电极4、第二电极5上的电流即可，例如，可以采用带有PSI63CO.727L1型BOSCH控制器的直流逆变式电阻点焊机。

在上述点焊焊接方法中，对于第一电极4、第二电极5的材质并没有特别的限定，只要具有良好的导电性即可，例如，可以采用Cu-Cr合金制成。对于第一电极4、第二电极5的形状也并没有特别的限定，只要能够夹持或松开板组3，并且在夹持板组3时能够对板组3施加压力即可，例如，可以采用圆锥平顶型电极。而为了使得第一电极4、第二电极5夹持板组3时对板组3施加的压力适当，第一电极4和第二电极5的端面直径需要有所限定，在其中一个实施方式中，第一电极4和第二电极5的端面直径为6mm～8mm。在另一个实施方式中，第一电极4和第二电极5均采用R型电极，第一电极4和第二电极5的端面直径为16mm～20mm。

在上述点焊焊接方法中，对于构成板组3的钢板的钢种、板厚等均没有特别的限定，其中，板组3中的高强度钢板可以是汽车车体等中通常使用的高强度钢板，板厚为0.5mm～3.2mm。对于板组3中的高强度钢板的上限数量以及层叠设置时的位置也并没有特别的限定。在本实施方式中，板组3包括第一钢板1和第二钢板2。第一钢板1和第二钢板2均为高强度钢板。第一钢板1和第二钢板2层叠设置时，第二钢板2位于第一钢板1的上表面上。基于此，第一电极4和第二电极5均竖直且同轴设置，且第一电极4位于第一钢板1的下方，第二电极5位于第二钢板2的上方，如此，第一电极4和/或第二电极5可在外力作用沿竖直方向移动，该移动方式较为简单，且易于实施、控制。

请参阅图2，图2示出了通过上述点焊焊接方法使得板组3进行点焊而形成的点焊接头的截面图。可以看到，相邻钢板之间通过熔核6连接，熔核6的截面大致呈椭圆形，自熔核6的端部起沿远离熔核6的方向依次为压接部8以及相邻钢板之间的间隙9。

进一步地，对点焊接头的截面研磨后，用酒精溶液(例如，4％的硝酸酒精溶液)或苦味酸水溶液处理，最后用电子显微镜(例如，扫描电子显微镜)进行观察，可以看到两条明显的腐蚀形成的线，这两条线均处于Ac1临界温度(约727℃)范围内，相当于等温线，离熔核6较远的一条为第一Ac1线7，离熔核6较近的一条为第二Ac1线10。通过维氏硬度测试可知，靠近第一Ac1线7且位于第一Ac1线7远离熔核6中心一侧的区域的硬度低于母材的硬度，为第一软化区，靠近第二Ac1线10且位于第二Ac1线10远离熔核6中心一侧的区域的硬度低于周边区域的硬度，为第二软化区。由于第一Ac1线7和第二Ac1线10都是可以通过视觉确认的，而第一软化区、第二软化区分别与第一Ac1线7、第二Ac1线10相伴而生，故，只要确认第一Ac1线7和第二Ac1线10，即可确认第一软化区和第二软化区的生成以生成位置。

结合点焊接头的结构和形貌，下面将对上述点焊焊接方法中的工艺参数进行详细说明及限定。

第一通电工序

第一通电工序的通电电流为第一通电电流I₁，通电时长为第一通电时间T₁。通过第一通电工序，钢板部分熔融，形成熔融部，熔融部的温度可超过1500℃，在后续工序中熔融部将冷却凝固形成熔核6。沿远离熔融部中心的方向，钢板的温度逐渐降低。钢板的温度等于Ac1临界温度的部分构成第一Ac1线7。钢板位于第一Ac1线7靠近熔融部中心(即，熔核6中心)一侧的区域的温度大于Ac1临界温度，钢板位于第一Ac1线7远离熔融部中心(即，熔核6中心)一侧的区域的温度小于Ac1临界温度。在Ac1临界温度以上加热会产生淬火现象，而在Ac1临界温度以下加热会产生回火现象。钢板中的马氏体在Ac1临界点以下回火会析出微细的粒状碳化物(Fe₃C渗碳体)转变为回火马氏体，从而导致硬度下降，故，靠近第一Ac1线7且位于第一Ac1线7远离熔核6中心一侧的区域的硬度低于母材的硬度，构成第一软化区。除了上述所述的通过观察第一Ac1线7可以确定第一软化区的生成以及生成位置外，还可以通过观察亚微米粒状的碳化物来确定。

进行第一通电工序时，可以将电流逐渐上升至第一通电电流I₁，也可以瞬间上升至第一通电电流I₁，此处不作限制。

此外，对于第一通电电流I₁以及第一通电时间T₁并没有特别的限定。但是，第一通电电流I₁以及第一通电时间T₁会影响最终形成的熔核6的直径，因此，可以根据熔核6的目标直径来调整第一通电电流I₁以及第一通电时间T₁。在其中一个实施方式中，第一通电电流I₁为5.5kA，第一通电时间T₁为250ms，对应的熔核6的直径为5mm。

通电休止工序

通电休止工序的通电电流为0，即，停止通电，停止通电时长为通电休止时间T_s。在通电休止工序中，熔融部冷却凝固形成熔核6。通电休止时间T_s需满足下述条件：

t×5＜T_s＜t×20 (1)

t是板组3的总板厚，板厚的单位是mm，时间单位周期/50Hz，即，20ms。

例如，对于由两张板厚均为1.5mm的高强度钢板构成的板组3来说，通电休止时间T_s需满足的条件为：300ms＜T_s＜1200ms。

后面将在第二通电工序中，结合第二软化区，充分说明通电休止时间T_s设定在式(1)所示范围内的原因。

第二通电工序

第二通电工序的通电电流为第二通电电流I₂，通电时长为第二通电时间T₂。如果不进行第二通电工序，如上述分析可知，钢板位于熔核6端部附近的区域因为温度在Ac1临界点以上，故发生淬火而硬度上升，熔核6周围的变形量随之下降，使得熔核6周围产生更多的应力集中，从而使得熔核6周围容易发生断裂。通过第二通电工序，可以使得熔核6再次受热升温，而沿远离熔核6中心的方向，钢板的温度逐渐降低，钢板的温度等于Ac1临界温度的部分构成第二Ac1线10。靠近第二Ac1线10且位于第二Ac1线10远离熔核6中心一侧的区域的温度在Ac1临界点以下，该区域中的马氏体回火会析出微细的粒状碳化物(Fe₃C渗碳体)转变为回火马氏体，从而导致硬度下降，故靠近第二Ac1线10且位于第二Ac1线10远离熔核6中心一侧的区域构成第二软化区，第二软化区可以缓解熔核6端部附近的应力集中，提升点焊接头的十字拉伸强度。另外，除了上述所述的通过观察第二Ac1线10可以确定第二软化区的生成以及生成位置外，还可以通过观察亚微米粒状的碳化物来确定。

请再次参阅图2，断裂通常从压接部8开始发生，并向熔核6方向传播，因此，对压接部8和/或熔核6所在区域进行软化极为重要，需要使得第二软化区位于压接部8或熔核6端部内。请参阅图3，经过计算以及实验分析可得，第二软化区最佳位置为压接部8所在区域或者为熔核6端部开始到向内30％的区域(图3中熔核6内阴影所示区域)。

通电休止时间T_s会对第二软化区的产生以及生成位置产生影响。若通电休止时间T_s≤t×5，则熔融部不能完全凝固。请参阅图4，在凝固过程中进行第二通电工序，则熔融部的温度会急剧上升，熔融部的范围变大，即熔融部向外扩张，最后会形成比熔核6大的新熔核(如图4中虚线所示)。这就使得第二Ac1线10向外移动，即向远离熔核6的方向移动，位于第一Ac1线7的外侧，从而导致第二软化区位于第一软化区的外侧。当第二软化区位于第一软化区的外侧时，对提高点焊接头的强度不起作用。若通电休止时间T_s≥t×20，则会导致生产率的降低，而且过度冷却，可能会导致第二通电工序中，回火变得不充分，从而不能生成第二软化区。当通电休止时间T_s满足t×5＜T_s＜t×20时，可以确保熔融部完全凝固，这样，可以确保在第二通电工序中可以生成且生成位置适当的第二软化区。

第二通电电流I₂越大，第二通电时间T₂越长，会使得熔核6的温度越高，从而会使得第二Ac1线10向外移动向，即向远离熔核6的方向移动。相应地，第二软化区向远离熔核6的方向移动。因此，需要控制第二通电电流I₂和第二通电时间T₂，使得第二软化区位于最佳位置中。

为了提高点焊接头的十字拉伸强度，除了需要控制第二软化区的位置外，还需要控制第二软化区的硬度，经过计算以及实验分析可得，第二软化区的硬度HV_tm需满足下述条件：

HV_nc-HV_tm≥30(HV) (2)

HV_outmax-HV_tm≥20(HV) (3)

HV_nc是熔核6中心的硬度，HV_outmax为第二软化区外侧的峰值硬度。

在一个较佳的实施方式中，第二软化区的硬度HV_tm需满足下述条件：

HV_nc-HV_tm≥50(HV) (4)

HV_outmax-HV_tm≥30(HV) (5)

此外，当第一电极4和第二电极5分别移动至与板组3的相对两侧面相抵持，且在外力作用下第一电极4和第二电极5相互靠拢时，第一电极4和第二电极5对板组3施加有压力。在第一通电工序中，第一电极4和第二电极5对板组3施加的压力为第一压力F₁，在通电休止工序中，第一电极4和第二电极5对板组3施加的压力为第二压力F₂，在第二通电工序中，第一电极4和第二电极5对板组3施加的压力为第三压力F₃。第一压力F₁、第二压力F₂以及第三压力F₃可以各不相等，也可以至少两个相等。但是，第一压力F₁、第二压力F₂以及第三压力F₃均应当适当，如果过小，则难以抑制熔核6内缺陷和裂纹的产生，从而难以使得断裂形态得以改善，进而难以得到点焊接头的强度得以提高以及点焊接头的强度偏差得以降低的效果；如果过大，则板组3与第一电极4、第二电极5接触部分的凹坑增大，不仅有损外观，而且会使得点焊接头的强度降低。

请参阅表1以及图5，以下将通过一组实验，用于说明第二软化区最佳位置为压接部所在区域或者为熔核端部开始到向内30％的区域。试验材料为两张厚度均为1.0mm的双相钢板(DP980)，在第一通电工序、通电休止工序以及第二通电工序中，对板组施加的压力均为3kN。第一电极、第二电极均选用端面直径为6mm的圆锥平顶型Cu-Cr电极，其他参数如表1所示。

图5示出了第二Ac1线的位置和十字拉伸强度的关系。找到第二Ac1线和钢板间界面线的交点P，从熔核中心到P的距离为X(mm)，按P位置的特征对其分为三组(b，c，d)，另，a组为未进行第二通电工序，第一Ac1线和钢板间界面线的交点。第二Ac1线在钢板间间隙附近(b)时，和只有进行第一通电工序的情况(a)是同样的，伴随着熔核内剥离部分成纽扣状断裂，其强度大概在3kN左右。第二Ac1线在压接部(c)时，第二软化区有局部变形断裂，其强度增加到超过5kN。第二Ac1线在熔核内端部(d)时，发生纽扣状断裂，可得到高强度，有超过6kN的情况。从这些结果可知，第二Ac1线的位置是在偏钢板间间隙内侧的压接部或者熔核内的端部形成时，断裂形态全部是纽扣状断裂，十字拉伸强度高。对应于第二Ac1线的位置，第二软化区最佳位置为压接部所在区域或者为熔核端部开始到向内30％的区域

本发明提供的点焊焊接方法及点焊接头，通过控制通电休止时间，可以确保熔融部凝固，从而可以确保在第二通电工序中可以生成且生成位置适当的第二软化区，如此，可以减少熔核端部附近的应力集中，从而可以提高点焊接头的十字拉伸强度。另外，可以通过观察第二Ac1线或者亚微米粒状的碳化物来确定第二软化区是否生成，以及生成的位置，便于点焊接头的检验。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种点焊焊接方法，其特征在于，

将板组置于第一电极和第二电极之间，所述板组包括至少两张层叠设置的钢板，且相邻的两钢板中至少一张为高强度钢板；

将所述第一电极和所述第二电极分别推向所述板组的相对两侧，直至分别与所述板组的相对两侧面相抵持；

进行第一通电工序，所述第一电极和所述第二电极对所述板组施加有第一压力F₁，同时，对所述第一电极和所述第二电极施加第一通电电流I₁，通电时长为第一通电时间T₁；

进行通电休止工序，所述第一电极和所述第二电极对所述板组施加有第二压力F₂，同时，停止通电，停止通电时长为通电休止时间T_s，通电休止时间T_s满足：t×5＜T_s＜t×20，t是板组的总板厚，板厚的单位是mm，时间单位周期/50Hz；

进行第二通电工序，所述第一电极和所述第二电极对所述板组施加有第三压力F₃，同时，对所述第一电极和所述第二电极施加第二通电电流I₂，通电时长为第二通电时间T₂；

所述板组完成焊接形成点焊接头，所述第一电极和所述第二电极松开所述点焊接头。

2.根据权利要求1所述的点焊焊接方法，其特征在于，所述高强度钢板的板厚为0.5mm～3.2mm。

3.根据权利要求1所述的点焊焊接方法，其特征在于，所述板组包括第一钢板和第二钢板，所述第一钢板和所述第二钢板均为高强度钢板，所述第一钢板和所述第二钢板层叠设置时，所述第二钢板位于所述第一钢板的上表面上，所述第一电极和所述第二电极均竖直且同轴设置，且所述第一电极位于所述第一钢板的下方，所述第二电极位于所述第二钢板的上方。

4.一种点焊接头，其特征在于，所述板组通过权利要求1-3中任一项所述的点焊焊接方法进行点焊而形成所述点焊接头，相邻钢板之间通过熔核连接，自所述熔核的端部起沿远离所述熔核的方向依次为压接部以及相邻钢板之间的间隙。

5.根据权利要求4所述的点焊接头，其特征在于，通过所述第二通电工序，所述熔核内或所述熔核附近形成有第二软化区，所述第二软化区的硬度低于周边区域的硬度。

6.根据权利要求5所述的点焊接头，其特征在于，通过所述第二通电工序，所述熔核受热升温，沿远离所述熔核中心的方向，所述钢板的温度逐渐降低，所述钢板的温度等于Ac1临界温度的部分构成第二Ac1线，靠近所述第二Ac1线且位于所述第二Ac1线远离所述熔核中心一侧的区域的温度在Ac1临界点以下，该区域中的马氏体回火析出粒状碳化物转变为回火马氏体，从而构成所述第二软化区。

7.根据权利要求5所述的点焊接头，其特征在于，所述第二软化区位于所述压接部所在区域或所述熔核端部开始到向内30％的区域。

8.根据权利要求5所述的点焊接头，其特征在于，所述第二软化区的硬度HV_tm满足下述条件：

HV_nc－HV_tm≥30(HV)，

HV_outmax－HV_tm≥20(HV)，

HV_nc是所述熔核中心的硬度，HV_outmax为所述第二软化区外侧的峰值硬度。

9.根据权利要求8所述的点焊接头，其特征在于，所述第二软化区的硬度HV_tm满足下述条件：

HV_nc－HV_tm≥50(HV)，

HV_outmax－HV_tm≥30(HV)。

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