CN115106633A - 一种用于热镀锌热成形钢的电阻点焊方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于热镀锌热成形钢的电阻点焊方法，其方法步骤为：（1）焊接材质为热镀锌热成形钢板，选用平头电极作为焊接工装；（2）在搭接区域的两侧同时进行点焊预压，预压时间控制在10～20ms、电极压力为3.2～3.6kN；（3）进行双脉冲焊接，两个脉冲的焊接电流分别控制在6～8.8kA和6～8.8kA，两个脉冲的焊接时间均控制在100ms～150ms，并在每个脉冲电流前施加预热电流15～20ms、在每个脉冲电流后施加缓降电流15～20ms；（4）进行保压，保压时间控制在10～20ms。本使得热镀锌热成形钢电阻点焊质量得到明显提升，并且保持较高力学性能；本发明工艺简单，不引入其他流程，可以有效减少飞溅产生并且减少裂纹产生，再提升力学性能的同时增加了电极头寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种焊接方法，尤其是一种用于热镀锌热成形钢的电阻点焊方法。
背景技术
高强钢及超高强钢以其高韧性特点，目前广泛应用于汽车车身，但采用冷成形等传统工艺冲压时，容易出现回弹变形严重、精度差、成形性差、容易降低模具寿命，而高温下成形没有回弹的热冲压成形技术则改善了此类问题，所需要的成形阻力小，减少能耗，同时降低了成本。最早的热成形钢为不带镀层的裸板，在热冲压过程中裸板表面的氧化铁皮会降低热传导效率、淬火性能和摩擦系数，最终影响精度。以往的解决办法是在表面涂油，形成液态膜保护，但后续的酸洗会增加钢板发生氢脆的可能。为了解决氧化及脱碳问题, 往往在表面进行镀锌处理，使其具有优良耐蚀性能，同时减少氧化。
目前热镀锌热成形钢往往采用电阻点焊，也是主机厂中白车身零部件连接的绝大多数的连接方式。电阻点焊主要是利用电流通过焊接接头的接触表面，以及内部区域产生的电阻热来实现的。电阻点焊可以理解为压焊，锻压特性好、往往不需要填料，能够控制主机厂的成本，加热时间短、部件变形和残余应力也小，焊接操作简单，易于实现自动化，具有较高的生产效率。但是不同的材料、板厚、镀层成分及结构会对焊点产生影响，包含镀锌板熔核虚焊及飞溅问题，更严重可导致液态金属脆裂纹；造成热镀锌热成形钢点焊焊接工艺窗口窄，点焊接头质量差。因此，对于热镀锌热成形钢的电阻点焊技术还有待进一步的研究，以克服现有热镀锌热成形钢的焊接问题，提升热镀锌热成形钢在汽车中的应用范围。
由于液态金属脆裂纹的存在大大制约了热成形钢在工业领域的应用，因此这类缺陷近年来在行业受到了广泛的关注，成为了研究的热点问题，国内外的专家学者为解决这类问题做了许多研究。
经检索，现有主要关于热成形钢点焊的，如文献“The Effect of SiliconContent on Liquid-metal-embrittlement Susceptibility in Resistance SpotWelding of Galvanized Dual-phase Steel”研究了硅含量对镀锌双相钢电阻点焊中液态金属脆化敏感性的影响，在双相钢中，硅含量从0.7%增加到1.8%，提高了液态金属脆化的敏感性；在电阻点焊过程中，随着硅含量的增加，材料的热输入强度增加和材料的过早排出，这与材料的电阻率较高有关。
中国专利申请号为202110804943.X的文献，公开了《抑制镀锌高强钢电阻点焊接头液态金属脆裂纹的点焊工艺》，其在于提出相比较传统的点焊工艺，在脉冲电流前增加一部分数值恒定的前导电流，来改变热循环过程中焊点表面温度和应力状态，使得镀层与基板发生合金化反应，液态金属脆裂纹得到抑制。但该前导电流施加时间较长，且在施加前导电流期间不参与点焊熔核形成，容易使得焊核增大，易产生飞溅。
中国专利申请号为202011457615.9的文献，公开了《一种1800MPa级双面非等厚铝-硅镀层热成形钢及其电阻点焊的方法》，其在于提出一种1800MPa级双面非等厚铝硅镀层热成形钢及其电阻点焊的方法，可增强冷弯性能并具有良好的可焊性；但是Al-Si镀层无法起到阴极保护性能, 在裂纹处容易发生腐蚀, 使得零件的失效倾向加重。
中国专利申请号为201811080299.0的文献，公开了一种适用于中间铝硅涂层热成形钢的三层板的电阻点焊方法，其焊接材质为中间层铝硅涂层热成形钢，其中间层的一侧分别为抗拉强度不低于500MPa的冷轧板和另一侧抗拉强度不高于450MPa的镀锌板；两侧同时进行点焊预压；焊接；保压。通过在两侧使用不同端面直径的电极，增加了镀锌板侧的电流密度，使得焊接电流窗口至少达到9.6～11.2kA，窗口的大小1.6kA，解决了由于钢板的强度、厚度及镀层情况不同，在铝硅涂层热成形钢两侧分别搭配高强钢和镀锌板的三层板进行点焊时，产生的电流密度不均以及虚焊、飞溅的现象，提高电阻点焊合格率到90%以上，基本满足了汽车厂家生产制造的要求。但是其焊接工序复杂，会增加焊接成本和车身自重，与轻量化的理念相悖。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够有效地抑制飞溅的用于热镀锌热成形钢的电阻点焊方法。
为解决上述技术问题，本发明所采取的方法步骤为：（1）焊接材质为热镀锌热成形钢板，选用平头电极作为焊接工装；
（2）在搭接区域的两侧同时进行点焊预压，预压时间控制在10～20ms、电极压力为3.2～3.6kN；
（3）进行双脉冲焊接，两个脉冲的焊接电流均控制在6～8.8kA，两个脉冲的焊接时间均控制在100ms～150ms，并在每个脉冲电流前施加预热电流15～20ms、在每个脉冲电流后施加缓降电流15～20ms；
（4）进行保压，保压时间控制在10～20ms。
本发明所述步骤（3）中，两个脉冲之间间隔15～20ms。
本发明所述平头电极的电极头前端直径为6～10mm。所述电极头端面为弧面，且弧面曲率半径为150～180。
本发明所述热镀锌热成形钢板的厚度为1.4～2.0mm。所述热镀锌热成形钢板热成形后的屈服强度不低于400MPa，抗拉强度不低于600MPa。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明通过观察点焊接头的进行金相及扫描电镜后发现，增加脉冲电流前后的预热和缓降电流，能够有效减少飞溅和裂纹的产生；对熔核形成过程进行了分析，预热和缓降有益于塑性环的形成，促进熔核长大，提高焊点综合力学性能；对拉伸实验后的焊点进行了元素扫描发现，对比无预热和缓降电流的试样，元素偏聚现象得以缓解，增加了工艺窗口范围，解决了在汽车制造过程中，在锌铝涂层热成形钢进行点焊时产生的虚焊、飞溅的现象，极大地提高了电阻点焊合格率，满足了主机厂的要求，便于热镀锌热成形钢的进一步推广。
本发明在传统点焊工艺的单脉冲焊接电流前后增加缓升电流（预热）、缓降电流，并且将脉冲电流增加至双脉冲；能够抑制热镀锌钢在经过热成形后，由于表面氧化物及镀层破坏导致的焊接困难、飞溅严重及液态金属脆裂纹的问题，使得热镀锌热成形钢电阻点焊质量得到明显提升，并且保持较高力学性能；本发明工艺简单，不引入其他流程，可以有效减少飞溅产生并且减少裂纹产生，再提升力学性能的同时增加了电极头寿命。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明的焊接工艺示意图；
图2是本发明实施例1和对比例的电阻点焊断口形貌图。
具体实施方式
本用于热镀锌热成形钢的电阻点焊方法采用下述方法步骤：（1）焊接材质为厚度1.4～2.0mm 的热镀锌热成形钢板，热成形后的屈服强度不低于400MPa、抗拉强度不低于600MPa，镀层单面厚度不低于10μm、单面镀层重量不低于50g/m2；在进行电阻点焊前，先用酒精清洗样品表面的油污，以免影响电阻点焊过程中薄板的冶金连接。
（2）使用电阻点焊机、选用平头电极作为焊接工装，电极头前端直径在6～10mm，电极头端面设置为弧面，弧面曲率半径为150～180，电极头高度为18～23mm、最好为23mm，电极头为铬锆铜；由于电极材料铜与热成形钢板之间存在合金化扩散，为了避免电极头磨损，选择带有一定曲率半径150～180的电极头，可使得电极头表面成分变化均匀、电极表面凹凸不平、增加点焊电流密度、使得电流分布规则，增加点焊合格率。电阻点焊选用直流模式，焊接频率1000hz，采用X型焊钳；冷却水流量10～14L/min、上下电极4～5L/min、变压器冷却水6～9L/min，最好为冷却水流量11L/min、上下电极5L/min、变压器冷却水6L/min。
（3）在搭接区域的两侧同时进行点焊预压，预压时间控制在10～20ms、电极压力F=3.2～3.6kN。
（4）图1所示，采用逆变电阻焊机进行双脉冲焊接，两个脉冲的焊接电流分别控制在I1=6～8.8kA和I2=6～8.8kA，两个脉冲的焊接时间分别控制在t1=100ms～150ms和t3=100ms～150ms、最好为t1=t2=100ms，两个脉冲均为完整焊接电流周期；其中两个脉冲之间间隔t2=15～20ms，并在每个脉冲电流前施加预热电流tS=15～20ms，即在tS时间内将电流从0线性提升到焊接电流；在每个脉冲电流后施加缓降电流tF=15～20ms，即在tF时间内将电流从焊接电流线性降低到0；所述两个脉冲的波形相同，即I1=I2、t1=t3等；所述双脉冲焊接过程中，电极压力F=3.2～3.6kN。本方法将预热电流时间和缓降电流时间控制在15ms～20ms之间，能在进行点焊脉冲电流之前，使得电流缓慢的增加和减少，熔池金属流动充分，中心处电极压力促使金属向四周流动，熔核形成更加充分均匀，避免突变引起的陡峭温度梯度使焊点热影响区附近应力集中并产生裂纹。
（5）进行保压，保压时间控制在10～20ms。本方法通过设置步骤（3）的预压和本步骤的保压时间，能在形核之前使得钢板受到一定约束，并且在形核结束后有一定时间使塑性环包裹熔核，避免因为镀层中Zn元素熔点较低造成气化飞溅以及熔核间形成的杂质飞出情况，保证熔核完整性和力学性能。
实施例1：本用于热镀锌热成形钢的电阻点焊方法采用下述具体工艺。
S1，在进行电阻点焊前，先用酒精清洗样品表面的油污。使用电阻点焊机对1.4mm厚热镀锌热成形钢板进行焊接。电阻点焊选用直流模式，焊接频率1000hz，采用X型焊钳。
S2，电极头为铬锆铜，端面直径6mm、弧面曲率半径为150、高度23mm；冷却水流量11L/min、上下电极5L/min、变压器冷却水6L/min。
S3，两侧同时进行点焊预压，预压时间控制在20ms，焊接电极压力控制在F=3.6kN。
S4，采用逆变电阻焊机进行焊接，其焊接电流控制在I1=I2=8kA，采用双脉冲的焊接时间均控制在t1=t3=100ms；并在脉冲电流前后施加预热和缓降电流时间tS=tF=15ms，两个脉冲之间间隔t2=15ms。
S5，进行保压，保压时间控制在t0=20ms。
所得热镀锌热成形钢焊点熔核区的性能见下述表1。
实施例2：本用于热镀锌热成形钢的电阻点焊方法采用下述具体工艺。
S1，在进行电阻点焊前，先用酒精清洗样品表面的油污。使用电阻点焊机对1.6mm厚热镀锌热成形钢板进行焊接。电阻点焊选用直流模式，焊接频率1000hz，采用X型焊钳。
S2，电极头为铬锆铜，端面直径6mm、弧面曲率半径为150、高度23mm；冷却水流量11L/min、上下电极5L/min、变压器冷却水6L/min。
S3，两侧同时进行点焊预压，预压时间控制在20ms，焊接电极压力控制在F=3.5kN。
S4，采用逆变电阻焊机进行焊接，其焊接电流控制在I1=I2=8kA，采用双脉冲的焊接时间均控制在t1=t3=100ms；并在脉冲电流前后施加预热和缓降电流时间tS=tF=15ms，两个脉冲之间间隔t2=20ms。
S5，进行保压，保压时间控制在t0=20ms。
所得热镀锌热成形钢焊点熔核区的性能见下述表1。
实施例3：本用于热镀锌热成形钢的电阻点焊方法采用下述具体工艺。
S1，在进行电阻点焊前，先用酒精清洗样品表面的油污。使用电阻点焊机对1.8mm厚热镀锌热成形钢板进行焊接。电阻点焊选用直流模式，焊接频率1000hz，采用X型焊钳。
S2，电极头为铬锆铜，端面直径8mm、弧面曲率半径为150、高度23mm；冷却水流量11L/min、上下电极5L/min、变压器冷却水6L/min。
S3，两侧同时进行点焊预压，预压时间控制在20ms，焊接电极压力控制在F=3.4kN。
S4，进行焊接：采用逆变电阻焊机进行焊接，其焊接电流控制在I1=I2=8kA，采用双脉冲的焊接时间均控制在t1=t3=100ms；并在脉冲电流前后施加预热和缓降电流时间tS=tF=20ms，两个脉冲之间间隔t2=18ms。
S5，进行保压，保压时间控制在t0=20ms。
所得热镀锌热成形钢焊点熔核区的性能见下述表1。
实施例4：本用于热镀锌热成形钢的电阻点焊方法采用下述具体工艺。
S1，在进行电阻点焊前，先用酒精清洗样品表面的油污。使用电阻点焊机对2mm厚热镀锌热成形钢板进行焊接。电阻点焊选用直流模式，焊接频率1000hz，采用X型焊钳。
S2，电极头为铬锆铜，端面直径8mm、弧面曲率半径为150、高度23mm；冷却水流量11L/min、上下电极5L/min、变压器冷却水6L/min。
S3，两侧同时进行点焊预压，预压时间控制在20ms，焊接电极压力控制在F=3.2kN。
S4，进行焊接：采用逆变电阻焊机进行焊接，其焊接电流控制在I1=I2=8kA，采用双脉冲的焊接时间均控制在t1=t3=100ms；并在脉冲电流前后施加预热和缓降电流时间tS=tF=20ms，两个脉冲之间间隔t2=20ms。
S5，进行保压，保压时间控制在t0=20ms。
所得热镀锌热成形钢焊点熔核区的性能见下述表1。
实施例5：本用于热镀锌热成形钢的电阻点焊方法采用下述具体工艺。
S1，在进行电阻点焊前，先用酒精清洗样品表面的油污。使用电阻点焊机对1.5mm厚热镀锌热成形钢板进行焊接。电阻点焊选用直流模式，焊接频率1000hz，采用X型焊钳。
S2，电极头为铬锆铜，端面直径10mm、弧面曲率半径为160、高度20mm；冷却水流量10L/min、上下电极4.5L/min、变压器冷却水8L/min。
S3，两侧同时进行点焊预压，预压时间控制在18ms，焊接电极压力控制在F=3.5kN。
S4，采用逆变电阻焊机进行焊接，其焊接电流控制在I1=I2=6kA，采用双脉冲的焊接时间均控制在t1=t3=120ms；并在脉冲电流前后施加预热和缓降电流时间tS=tF=17ms，两个脉冲之间间隔t2=17ms。
S5，进行保压，保压时间控制在t0=17ms。
所得热镀锌热成形钢焊点熔核区的性能见下述表1。
实施例6：本用于热镀锌热成形钢的电阻点焊方法采用下述具体工艺。
S1，在进行电阻点焊前，先用酒精清洗样品表面的油污。使用电阻点焊机对1.8mm厚热镀锌热成形钢板进行焊接。电阻点焊选用直流模式，焊接频率1000hz，采用X型焊钳。
S2，电极头为铬锆铜，端面直径8mm、弧面曲率半径为180、高度18mm；冷却水流量14L/min、上下电极5L/min、变压器冷却水7L/min。
S3，两侧同时进行点焊预压，预压时间控制在10ms，焊接电极压力控制在F=3.3kN。
S4，采用逆变电阻焊机进行焊接，其焊接电流控制在I1=I2=8.8kA，采用双脉冲的焊接时间均控制在t1=t3=130ms；并在脉冲电流前后施加预热和缓降电流时间tS=tF=18ms，两个脉冲之间间隔t2=16ms。
S5，进行保压，保压时间控制在t0=10ms。
所得热镀锌热成形钢焊点熔核区的性能见下述表1。
实施例7：本用于热镀锌热成形钢的电阻点焊方法采用下述具体工艺。
S1，在进行电阻点焊前，先用酒精清洗样品表面的油污。使用电阻点焊机对1.6mm厚热镀锌热成形钢板进行焊接。电阻点焊选用直流模式，焊接频率1000hz，采用X型焊钳。
S2，电极头为铬锆铜，端面直径8mm、弧面曲率半径为170、高度20mm；冷却水流量12L/min、上下电极4L/min、变压器冷却水9L/min。
S3，两侧同时进行点焊预压，预压时间控制在15ms，焊接电极压力控制在F=3.4kN。
S4，进行焊接：采用逆变电阻焊机进行焊接，其焊接电流控制在I1=I2=7kA，采用双脉冲的焊接时间均控制在t1=t3=150ms；并在脉冲电流前后施加预热和缓降电流时间tS=15、tF=20ms，两个脉冲之间间隔t2=17ms。
S5，进行保压，保压时间控制在t0=15ms。
所得热镀锌热成形钢焊点熔核区的性能见下述表1。
实施例1-7中的钢焊点熔核区显微维氏硬度值、拉剪强度、飞溅及裂纹情况的结果统计，如表1所示；表1中对比例是采用常规电阻点焊工艺进行焊接时焊点熔核区的性能；
表1：各实施例钢焊点熔核区的性能
通过表1所示实施例对比分析，本方法所采用的双脉冲带预热、冷却时间电流可提高热镀锌热成形钢点焊接头拉剪力性能；本方法通过预热脉冲电流对母材及待焊区域进行焊前预热，能降低焊点焊核与热影响区之间的温度梯度，减少飞溅和裂纹产生。图2中，(a)为实施例1形成的焊接接头电阻点焊断口形貌，(b)图和(c)图为实施例1断口处Zn元素和Fe元素EDS图片，两种元素均未发生明显富集现象。(d)为对比例形成的焊接接头电阻点焊断口形貌；(e)图为对比例点焊接头断口Zn元素EDS图，此处未发生明显Zn元素富集；但对比例(f)图Fe元素在断口处出现明显富集情况，造成焊点力学性能下降。可见，本方法通过焊接前后缓慢提升焊接电流，能减少焊点附近的元素偏析，有效减少热镀锌热成形钢点焊时产生应力集中，有效提高钢点焊接头的综合力学性能；本发明点焊工艺程序简单、能有效较低能耗和成本，可推广用于热镀锌热成形钢的焊接领域。
Claims (6)
1.一种用于热镀锌热成形钢的电阻点焊方法，其特征在于，其方法步骤为：
（1）焊接材质为热镀锌热成形钢板，选用平头电极作为焊接工装；
（2）在搭接区域的两侧同时进行点焊预压，预压时间控制在10～20ms、电极压力为3.2～3.6kN；
（3）进行双脉冲焊接，两个脉冲的焊接电流均控制在6～8.8kA，两个脉冲的焊接时间均控制在100ms～150ms，并在每个脉冲电流前施加预热电流15～20ms、在每个脉冲电流后施加缓降电流15～20ms；
（4）进行保压，保压时间控制在10～20ms。
2.根据权利要求1所述的一种用于热镀锌热成形钢的电阻点焊方法，其特征在于：所述步骤（3）中，两个脉冲之间间隔15～20ms。
3.根据权利要求1所述的一种用于热镀锌热成形钢的电阻点焊方法，其特征在于：所述平头电极的电极头前端直径为6～10mm。
4.根据权利要求3所述的一种用于热镀锌热成形钢的电阻点焊方法，其特征在于：所述电极头端面为弧面，且弧面曲率半径为150～180。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种用于热镀锌热成形钢的电阻点焊方法，其特征在于：所述热镀锌热成形钢板的厚度为1.4～2.0mm。
6.根据权利要求5所述的一种用于热镀锌热成形钢的电阻点焊方法，其特征在于：所述热镀锌热成形钢板热成形后的屈服强度不低于400MPa，抗拉强度不低于600MPa。
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