汽车热成型板焊接质量控制

邓林

(上海赛科利汽车模具技术应用有限公司，上海201209)

0 前言

热成型钢材料属耐热合金钢，有较高的硬化性能，易导致焊核脆化，特别是热影响区严重降低了接头的韧性和塑性，增加了焊核裂纹和气孔倾向。同时焊接过程中易产生飞溅和毛刺，由于热成型钢的硬度很高，减少飞溅和去毛刺困难，导致制造成本大及焊接质量控制难的问题。因此选择合适的焊接设备及工艺显得至关重要。

1 材料及焊接性分析

1.1 材料分析

材料:牌号为GMW14400M-ST-S;等级为HS1300T/950Y;C的质量分数 w1=0.19% ～0.27%、Mn的质量分数 w2=1.00% ～1.50%、Al的质量分数w3=0.010%(min)、Si的质量分数 w4=0.50% (max)、Ph的质量分数 w5=0.030%(max)、S的质量分数w6=0.015%(max)、Cr的质量分数w7=0.35%(max)、Ni的质量分数w8=0.010%(max)(100 ppm)、B的质量分数w9=0.0005% ～0.003%;组织为马氏体。

1.2 可焊性分析

该材料属耐热合金钢，耐热合金钢的主要合金元素都显著地提高了钢的淬硬性，铬在较高的冷却速度下热影响区的淬硬性更强［1］。该材料的组织是马氏体，焊接接头容易产生冷裂纹和脆化。总之热成型钢有较高的硬化性能从而导致焊核脆化，特别是热影响区严重降低了接头的韧性和塑性，增大了焊核裂纹和气孔倾向的出现概率。在点焊时由于加热及迅速冷却会形成脆性相当大的焊点，同时焊接过程中易产生飞溅和毛刺，从而使焊接质量难以控制。焊前预热和焊后热处理可以防止裂纹和消除焊接残余应力，而且可以改善组织，提高接头的综合力学性能。

该材料加入了合金元素 (如 Mn，Si，Cr，Ni，B)，通过调质处理可获得综合性较好的高强钢，热成型钢的屈服强度可达1 250 MPa，B的加入提高了钢的热强性，所以焊接时需要很大的焊接压力。

1.3 焊接工艺措施

适宜对脆性大的材料焊接的传统工艺方法有:(1)用弱规范焊接以防止形成裂缝，随后再对焊接件作全面热处理;(2)用很弱的规范焊接，之后不作热处理;(3)用强规范焊接，紧随之后立即在焊机上进行热处理。

第一种方法可以保证金属组织最为一致，但不适宜生产状况。第二种方法其缺点是生产率低，焊接变形大，焊点区域内晶粒粗大。所以第三种方法焊后立即热处理是最适用的方法。点焊时最合理的热处理循环是:焊接→在电极间冷却→重新加热。由于迅速冷却，焊接区内的钢可能淬火，二次加热时在焊接区内实现了或多或少的完全回火，因而金属的硬度降低，塑性增高。短时间的二次加热对钢的组织及机械性能大有影响。焊点脆性可用p拉/p剪之比表示，比值越小，焊点的脆性越大。焊点在电极间的热处理能够大大提高p拉/p剪之比。为使电极间的热处理有效，二次加热时焊点区域内的温度不要超过钢的重结晶温度［2］。

两种焊后热处理方式为缓冷双脉冲规范和回火热处理双脉冲规范。

2 某车型B柱焊接实例

图1为某车型B柱数模截图。

2.1 焊接材料信息

某车型B柱焊接材料信息如表1所示。

2.2 焊接设备选择

焊接设备主要是中频直流焊机、伺服焊枪和焊接方式机器人。

中频直流焊机。与交流焊机相比，中频直流焊机产生的焊接电流不经过零点，在焊接脆硬材料时减小了产生裂纹的倾向;中频直流焊机产生的焊接电流接近完全直流，由于没有明显的峰值电流，熔核尺寸稳定，飞溅明显减少;中频直流焊机控制线路设计精确，抗干扰能力强，焊接质量稳定，热效率高。

伺服焊枪。由于热成型钢硬度高于普通钢，所以焊接压力要大于普通钢的焊接压力。采用伺服焊枪焊接，可以达到较高且稳定可控的焊接压力;由于伺服焊枪的焊接压力通过伺服电机来控制，因此比气动焊枪传动好，且焊接压力稳定可靠，提高了焊接质量。

表1 某车型B柱焊接材料信息

3 焊接飞溅及毛刺的解决方法

焊点飞溅和毛刺大，由于热成型材料硬度超高，焊后毛刺打磨困难，造成打磨耗材及人工成本很大，见表2。

表2 B柱热成型打磨成本

3.1 焊接缺陷原因

热成型钢属耐热合金钢，电阻大，高温抗拉强度高，可以用较低电流焊接，但必须采用高电极压力。如果电极压力太小，焊接过程中由于电极压力不足而产生飞溅，且飞溅的遗迹便成为气孔。图2中显示的常规压力焊枪是原来应用在某车型B柱上的伺服焊枪和焊接方式机器人。该焊钳结构不合理并且材料硬度相对低，存在电极压力不够大的缺陷。它在加压通电时会引起大的变形量，伺服电机设计安装方式无法发挥最大扭矩，当焊钳压力到达4 500N时机器人报警 (伺服电机扭矩超值)。连续焊接时，由于焊钳冷却回路较小，焊钳过热时会发软，导致焊钳压力无法上升。实际工作时焊钳压力持续下降，直到4 000N时机器人才不报警 (伺服电机扭矩不超值)能稳定工作。

表3为改造前现场焊钳的技术参数。

表3 改造前现场焊钳的技术参数

3.2 解决方法

步骤一:采用模块化大压力焊钳。焊接电极压力可达6 000N，机器人无报警。

图3所示为改造后焊钳示意图。

步骤二:焊机由三相交流变频焊机替代中频直流焊机。

图4是改造前、后焊接控制原理图。

图5—7是三种焊接控制器的二次电流波形比较。

三相交流变频焊机的工作原理是50/60 Hz电源输入，经整流、滤波变成平滑的直流电，以IGBT/K1作开关器件产生交替的电压输出，通过调整高频 (5 kHz)工作的IGBT/K2的开通脉冲宽度实现设定的焊接电流输出。

三相交流变频焊机特点是:三相电源输入，用电平衡;功率因数大;对电流的快速响应控制提高了焊点的质量;飞溅少;对相同的焊接工件，焊接时间缩短，节省用电;焊接稳定区加大;电极寿命增长。

与三相交流变频焊机相比较，中频直流焊机在焊接过程中无冷却，持续加热，使得热成型零件的高温耐热钢因热量过大而引起飞溅和毛刺。

4 结论

经过焊接设备改造，某车型热成型焊接总成件B柱 (左/右)无虚焊及飞溅和毛刺，保证了焊接质量。焊后无需打磨，打磨人工和打磨辅料按E12车型B柱总纲领结算可节省80万。中频交流变压器及中频交流控制箱设备与中频直流变压器及中频直流控制箱设备费用比较，节省了15万。零件总成表面镀层未破坏，保证了零件表面质量。车间无焊接粉尘和打磨粉层，满足了环保要求。

【1】中国机械工程学会焊接学会.焊接手册［M］.北京:机械工业出版社，2001.

【2】压焊工艺与设备［M］.中国工业出版社，1961.