静音钢板的焊接性能研究

金泉军

(奇瑞汽车股份有限公司 汽车工程研究院，安徽 芜湖 241009)

焊接材料

静音钢板的焊接性能研究

金泉军

(奇瑞汽车股份有限公司 汽车工程研究院，安徽 芜湖 241009)

研究MSC公司研发的厚0.84 mm、1.14 mm的静音钢板与1.0 mm厚度的DC06的点焊工艺，对焊接接头的组织与力学性能进行分析。试验结果表明，点焊后的焊核组织为贝氏体，热影响区为铁素体与少量的贝氏体组织，熔合区结合良好，由于熔核结合面上存在着锌或锌铁合金，在静音钢板一侧焊后熔核中心存在明显的分界线；在焊接后接头的显微硬度分布中，静音钢板的硬度最低，焊核区硬度最高。同时对焊点进行拉伸剪切实验，焊核处的强度明显高于母材及热影响区的强度。因此静音钢板的焊接接头具有良好的强韧性。同时采用不同的焊接工艺参数，对焊接强度也有一定的影响。

点焊；静音钢板；DC06；贝氏体；组织；硬度；参数

0 前言

汽车振动和噪声特性是影响汽车行驶舒适性的主要因素。随着人们对汽车舒适性的要求不断提高，对汽车减振降噪的研究越来越受到重视。根据汽车噪音对环境的影响[1-2]，可分为车外噪声和车内噪声。车外噪声是指汽车各部分噪声辐射到车外空间的那部分噪声，主要包括发动机噪声、排气噪声、轮胎噪声、制动噪声和传动系噪声等。车内噪声的成因比较复杂，主要来源于两个途径：一类是固体声传播形成的，即车身壁板振动向车内辐射出的噪声在车内经反射、叠加形成车内声场；另一类是空气声传播形成的，即车外噪声由车身的缝隙漏声或壁板透声传播至车内，再经反射、叠加形成车内噪声。噪声控制方法[3-5]分为机械原理噪音控制和声学原理噪声控制两种类型。机械原理噪声控制措施有：改进机械设备结构、应用新材料来降噪；声学原理噪声控制措施有：包括吸音、隔音、减震、密封等。隔音的实质是尽量衰减从声源辐射出的声音，常用措施有隔音材料和隔音结构。静音钢板就是根据以上要求针对不同零件隔音要求来设计开发的。静音钢板是采用高强度的粘弹性阻尼材料将传统的钢板粘结成类似“三明治”形式的复合钢板(见图1)，以达到吸音降噪的效果。并广泛运用于汽车行业(见图2)。焊接是汽车行业中一项重要的工艺方法，新材料在应用过程中，焊接性能的好坏直接影响整车性能。因此了解和掌握该钢种在焊接工艺中的组织和性能的变化规律，尤其是掌握该材料对焊接热作用的适应能力，具有重大的工程意义。在此研究该新型材料的点焊的力学性能和组织特征，为新材料的应用提供合理的焊接工艺参数。

图1 静音钢板的结构

图2 静音钢板在汽车行业的运用

1 实验材料

试验材料采用MSC公司的0.84 mm、1.14 mm锌层单面厚度为60 g／m2静音钢板以及宝钢生产的1.0 mm／DC06冷轧钢板材料。其中1.14 mm静音钢板材料的力学性能：R0.2≥150 MPa，Rm≥290 MPa，Elong≥42%，n≥0.26；0.84 mm静音钢板材料的力学性能：R0.2≥145 MPa，Rm≥277 MPa，Elong≥40%，n≥0.23；1.0 mm的宝钢DC06冷轧钢板材料的力学性能：R0.2≥170 MPa，Rm≥250 MPa，Elong≥40%，n≥0.18。其实验板DC06材料的化学成分范围为：w(C)＝0.002%，w(Si)＝0.008%，w(Mn)＝0.15%，w(P)≤0.020%，w(S)≤0.020%，w(Alt)≥0.015%，w(Ti)≤0.02%。静音钢板材料的成分范围：w(C)＝0.001%，w(Si)＝0.006%，w(P)≤0.010%，w(S)≤0.010%，w(Alt)≥0.03%，w(Ti)≥0.02%，w(Ni)≥0.01%。

2 实验方法

将实验钢板按照DIN ISO 14273加工成0.84mm× 40 mm×100 mm、1.0 mm×40 mm×100 mm和1.14 mm× 40 mm×100 mm标准的剪切拉伸试样。在100kVA中频焊接变压器配备伺服式焊枪的点焊机器人设备上(见图3)进行焊接，焊接试样如图4所示。焊接工艺参数决定焊接过程中金属加热及塑性变形的参数。脉冲点焊设备的基本工艺参数有焊接电流、焊接时间、焊接压力、维持时间、加压时间及电极端面尺寸等参数。在众多参数中焊接电流是影响焊接热量输入的主要因素，输入热量与电流的平方成正比。在其他参数一定时，焊接区的电流密度应有一个合理的上、下限。低于下限，能量过小不能形成焊核；高于上限，加热速度过快会产生飞溅，降低焊点质量。焊接时间对熔合尺寸的影响与焊接电流的影响基本类似，只是增减速度有所区别。因此，根据静音钢板及DC06材料的物理性能、焊件厚度及焊接表面质量等要求选择合理的工艺参数。在此主要通过调整焊接电流来观察焊接性能的变化情况。工艺参数如表1所示。

用Neop hot23型光学显微镜观察焊接接头的金相组织，其DC06的腐蚀液体采用体积分数为3%的硝酸酒精溶液，腐蚀时间10～20s，而静音钢板的腐蚀液体采用8%硝酸酒精溶液，腐蚀时间100～200 s。拉伸试验在WE230拉伸试验机上进行。接头的显微硬度测试采用HX2000型显微硬度计，载荷4.9 N。

通过分析焊点的微观特征和力学性能来讨论点焊参数对焊点熔核结晶形态的影响。

表1 静音钢板焊接工艺参数

图3 伺服式焊枪的点焊机器人

图4 焊接试样示意

3 实验结果及分析

3.1 焊接接头组织

通过对点焊焊接接头组织进行分析，来评价焊接熔合情况。了解焊接工艺参数变化对焊点熔核微观形态的影响。对点焊试样进行了金相试验，其熔核的结晶形态如图5～图9所示(图5、图6为焊点区域的宏观金相组织，图7a为DC06母材的微观金相组织，图7b为静音钢板磨去表面锌层的金相组织，图8为左右两端靠近两电极的母材热影响区，图9为焊核组织)。通过对图5、图6宏观金相分析可以看出，熔合区域结合良好，熔合处无任何缺陷，但在熔核中心以及结合面上有明显分界线。其原因是，焊接镀锌静音钢板时，熔核搅拌不充分，熔核结合面上存在着锌或锌铁合金，焊后冷却时，从靠近电极的熔核边缘开始结晶，并以枝晶形式沿着与散热相反的方向向核心中部生长，但由于熔核中部的锌或锌铁合金熔点较低，在较高的温度下熔核中心不会结晶，从而使枝晶生长充分，一直延伸到上、下相碰为止，形成具有明显方向性的柱状结晶形态，在熔核凝固的最后阶段才把锌从熔核中挤出，在焊接熔核区域残留，因此在结合面上出现明显的分界线。同时还有微量锌仍残留在熔核中，以致在焊后熔核中心存在明显的分界线。

为了研究焊接电流对镀锌钢板点焊熔核结晶形态的影响，按照上述典型焊接规范，在保持焊接时间和焊接压力等参数不变的情况下，改变焊接电流进行焊接，并观察其熔核的微观形态。图5、图6为静音钢板增加焊接电流后的点焊熔核结晶形态。由图5c、图5f、图6c、图6f可见，其柱状晶比大电流时明显减少，且方向性也减弱，但同时由于焊接电流较小，结合面上的镀锌层不能被完全挤出，所以在结合面上仍有较明显的分界线。由于静音钢板中间夹有一层粘弹性阻尼材料，熔点较低，与母材的熔点相差较大，因此在焊点凝固过程中，容易在此形成较为明显的分界线。同时发现熔合直径随着焊接电流的增加有明显的增大趋势，其最小焊核直径与最大直径变化量约为20%。由于DC06母材为铁素体组织+少量珠光体(见图7a)，静音钢板母材为铁素体组织(见图7b)，静音钢板焊点的一侧区域热影响区形成的组织(见图8a)为铁素体+少量的粒状贝氏体，DC06一侧区域形成的组织为铁素体+粒状贝氏体(见图8b)；焊核区域形成(见图9)为贝氏体组织。通过对组织及金相分析可以很明显的发现，静音钢板与DC06焊接后，其热影响区及焊核处产生了分布比较均匀、晶粒细小的粒状贝氏体组织。由于贝氏体组织具有高强度、高韧性的组织，提高了强韧性。因此，热影响区及焊核处的强韧性明显高于基材。

图5 1.0 mm／DC06+0.84 mm／QS焊接低倍金相检测(11×)

图6 1.0 mm／DC06+1.14 mm／QS焊接低倍金相检测(11×)

3.2 焊接接头力学性能

焊接接头质量的好坏最终反映在接头强度上。而接头强度主要取决于焊接尺寸、表面质量及内部质量。点焊接头强度一般用剪切力或正拉伸来评定。当接头上的内部或外部缺陷均在规定标准允许的范围内时，则接头强度主要取决于焊点的几何尺寸，即焊点的熔核直径。而焊核尺寸差异性主要受焊接工艺参数的影响。评价不同点焊工艺参数对MSC与冷轧钢板焊接力学性能的敏感性，也是此次研究的目的。

图7 DCO6及静音钢板母材金相组织

图8 DC06及静音钢板HAZ的金相组织

由图10～图13可以看出，点焊的焊接方法在此焊接工艺参数范围内具有良好的焊接力学性能，焊点熔核处的焊接强度明显高于母材强度；同时在其他工艺条件不变的情况下，仅仅改变焊接电流，随着焊接电流的增加，熔核直径增加，拉剪载荷也增加，为上升曲线，其变化值均达到30%。但是随着焊接电流增加，焊点强度及熔合直径并非线性增加，因为当电流增加到一定值之后，表现为拉剪载荷趋于平稳，此时再增加电流则熔核直径和拉剪力都不会有大的变化，并有所下降。这是因为当电流过大时，熔核金属过热，易产生飞溅，使得熔核直径下降，影响了焊接接头的质量。

图9 DC06及静音钢板焊核金相组织

图10 1.0 mm+0.84 mm的三组工艺参数剪切强度

图11 1.0 mm+1.14 mm的三组工艺参数剪切强度

图12 1.0 mm+0.84 mm的三组工艺参数熔核直径

图13 1.0 mm+1.14 mm的三组工艺参数熔核直径

通过分析对比焊接电流参数下的焊接强度发现，静音钢板的焊接电流选择范围较大，有利于实际生产中焊接过程的控制及焊接工艺的调整。从图10～图13可以看出，在相同情况下，要获得相同的熔核直径和拉剪载荷，较薄的静音钢板所需的电流最小，随着静音钢板厚度的增加，所需电流越来越大。

3.3 焊接接头的显微硬度分析

通过测量焊点显微硬度，可以很直观地发现母材、热影响区及焊核之间的性能关系。静音钢板点焊接头的显微硬度分布如图14、图15所示。比较母材、热影响区、焊缝金属可以看出，焊核硬度最高，HAZ比母材的硬度高。从组织上看，焊接过程中，在热影响区上产生了少量贝氏体组织，从而提高了强韧性，因此HAZ的硬度明显高于基材。但是在静音钢板一侧的焊点HAZ的硬度却低于DC06一侧的焊点HAZ的硬度，如图16所示。一方面，静音钢板表面有一层镀锌层，而锌较软，在凝固过程中分布在焊核金属内，从而减小了HAZ及基体的硬度；另一方面，静音钢板中有一层粘弹性阻尼非金属材料，在结晶后易于聚集在熔核结合面上，因此减小焊核的硬度。从静音钢板的厚度变化对硬度的影响分析可以直观的看出，其厚度提高时，HAZ及焊核处的硬度有明显提高。主要原因是，静音钢板厚度提高时，要达到良好的焊接接头必须增加焊接电流，而电流过大会使锌层更易蒸发，或成熔融状态，在电极压力的作用下，挤出熔核范围，这使锌层对焊接接头质量的影响相对减小，因此提高了HAZ及焊核硬度。

图14 1.0 mm+0.84 mm的焊接硬度分布

图15 1.0 mm+1.14 mm的焊接硬度分布

图16 静音钢板硬度分布示意图

同时热影响区的硬度与基体组织相比显微硬度明显提高，说明静音钢板在焊接后热影响区空冷后形成裂纹倾向较小，焊核及HAZ硬度明显高于基材。

4 结论

(1)静音钢板与普通冷轧钢板的点焊熔核结晶形态以方向性很强的柱状晶为主，且结合面处有明显的分界线，导致两者点焊熔核结晶形态有明显的分界线，主要原因是静音钢板点焊时搅拌不充分，锌在凝固结晶最后阶段才被全部或部分挤出。(2)增加焊接电流对改善静音钢板点焊熔核结晶形态无明显作用，反而会使柱状晶更粗大、方向性更强。(3)在静音钢板焊接过程中，在焊接电流6～9 kA范围内，焊接时间为15cyc，焊接压力230daN的工艺参数下，通过增加焊接电流，提高焊核直径，从而改善焊接强度。(4)采用静音钢板的焊接接头具有良好的强韧性。焊接后接头的显微硬度分布中，静音钢板的硬度最低，焊核的硬度最高，静音钢板一侧的焊接热影响区硬度明显低于DC06一侧焊接热影响区的硬度。

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Research of weld ability of resistance spot welding on quite steel

JIN Quan-jun
(Automobile Engineering Research Institute，Chery Automobile CO.，LTD，Wuhu 241009，China)

Resistance spot welding of quiet steel plate with 0.84 mm and 1.14 mm and mild steel with 1.0 mm made by MSC has been investigated，the joint microstructure and mechanical properties of quiet steel plate and mild steel are studied.The results show that the microstructure of spot welded metal is bainite，microstructure in the heat-affected-zone is ferrite and a litter bainite，grains is good joining in bond area.Due to existence of Zn or Zn-Fe alloy on combining surface of the nugget，there is a remarkable boundary lying in the center of welding nugget that is on the side of quiet steel.Hardness in the quiet steel is the least in the hardness profile of the welded joint，while hardness of spot welded metal is the most.Shear tensile strength in the spot welded metal is better than strength of HAZ and base metal.So the welding joint of quite steel plate has good strength and toughness after spot welding.Welding strength is obviously affected by disparate welding technological parameters applied at the same time.

resistance spot welding；quiet steel；mild steel；bainite；microstructure；hardness；parameters

TG406

A

1001-2303(2011)09-0092-07

2010-06-24；

2011-03-20

金泉军(1977—)，男，江西鹰潭人，硕士，工程师，主要从事汽车结构钢焊接模拟分析及新材料的焊接研究工作。