DP600短周期螺柱焊焊接接头组织与性能研究

张景璋，包晔峰，张金辉，廖海龙

（河海大学机电工程学院，江苏常州213022）

DP600短周期螺柱焊焊接接头组织与性能研究

张景璋，包晔峰，张金辉，廖海龙

（河海大学机电工程学院，江苏常州213022）

采用正交试验法，选取焊接时间、焊接电流和螺柱提升高度三种因素，分别设置三种水平进行植焊，通过目视检验和扭矩测试判断焊接质量，并对质量不合格的焊接接头进行分析。观察焊接接头的金相组织，并测量焊接区显微硬度，获得硬度变化曲线。结果表明，焊接时间和提升高度是影响焊接质量最主要的因素。6 mm螺柱植焊的最佳参数为：焊接电流720 A，焊接时间40 ms以及提升高度2.5 mm。在此参数下，焊缝区组织为马氏体与粒状贝氏体，硬度较高，而两侧热影响区硬度差别较大。

DP600；短周期螺柱植焊；焊接时间；焊接电流；螺柱提升高度

0 前言

短周期螺柱焊植焊一个螺柱的时间小于100ms。与瓷环保护螺柱焊相比，短周期螺柱焊焊接时间短，可以植焊小直径螺柱，并且可以在厚涂层薄钢板上植焊[1]；与电容储能式螺柱焊相比，短周期螺柱焊焊接时间较长，所以焊接输入能量较高，能够获得较大的熔深，因此短周期螺柱焊植焊的焊件厚度和螺柱直径大于电容储能式螺柱焊，焊接接头的可靠性也更高。短周期螺柱焊焊接时间短，可植焊范围较广，因此被广泛应用于汽车制造领域。

DP600双相高强钢是在汽车制造领域广泛应用的一种先进高强钢（AHSS），其相由铁素体和少量的马氏体组成，一般马氏体含量小于20%。DP600双相高强钢表面镀锌，能够有效防锈防腐蚀，并且具有质量轻、强度高、成型性能好等优点，用在汽车车身上能够降低车身质量、减少油耗、增加耐久度，越来越多的汽车制造商将其应用在汽车的车身制造上[2]。但是由于镀锌板的焊接性比一般碳钢要差，而螺柱焊接质量的好坏直接影响到后序的装配和车身质量[3]，因此对DP600螺柱焊焊接接头的性能就提出了更高的要求。本研究采用直径为6 mm的08钢螺柱，以目视检验和扭矩测试为评价方法，对焊接时间、焊接电流、提升高度3个因素进行正交设计，得出最佳参数组合，并研究DP600螺柱焊焊接接头的组织和性能。

1 实验材料和方法

1.1 实验材料

焊接螺柱材料为08钢，尺寸M6×25 mm，螺柱底部有法兰，法兰直径7 mm，表面镀铜。母材为DP600双相高强钢，板厚1.5 mm，DP600双相钢的相组成为铁素体和马氏体，表面有镀锌层，镀锌层厚度小于25 μg/mm3。焊前对工件表面进行除油处理，保证焊接时母材表面清洁。

1.2 试验参数

试验焊机为常州市开创焊接技术公司生产的ASW-850型焊机，可以调整焊接时间和焊接电流。焊枪可调节螺柱提升高度和伸出长度，在实验过程中，设定伸出长度为1 mm。根据经验公式选取焊接时间和焊接电流，短周期螺柱焊焊接电流Iw=（95~115）d，焊接时间tw=（4～5）d（d为螺柱直径，单位mm）。对于镀锌板，在先导弧阶段，增大先导电流可以将表面镀锌层熔化、汽化，逸出电弧空间，因此选取的焊接电流要比经验值多20%。根据以上条件，分别选取三种电流参数、焊接时间以及提升高度，采用正交试验方法，每组参数植焊5个螺柱。正交试验参数如表1所示。

表1 正交试验因素水平表Table 1 Factors and levels of the Orthogonal experiment

1.3 试验方法

焊接结束后，对每组5个焊接接头分别进行处理。首先进行目视检验，观察每个试样的焊缝形状。采用YD型测试扭力扳手（表盘指针式）测试扭矩。打磨抛光试样剖面，用4%硝酸酒精溶液腐蚀表面，采用XJG-500卧式显微镜观察金相组织，采用HXD-1000TMC显微硬度计测试焊缝区的显微硬度。

1.4 扭矩测试方法

测试扭矩时，根据ASME SectionⅨ2013标准，需在螺柱周围垫上垫圈，再将定制的高螺母旋在垫圈的上方。用扭矩扳手扭动螺母，带动螺柱转动，直至产生断裂，测得扭矩。扭矩测试示意如图1所示。

图1 扭矩测试示意Fig.1 Schematic diagram of torque test

2 试验结果

2.1 目视检验结果

对所焊试样进行目视检验，观察焊缝成形，结果如表2所示。

表2 目视检验结果Table 2 Results of visual test

经过观察，第2、4、5、6组试样均出现了不同程度的焊缝余高不规则的现象。9组试样均未出现焊缝不完整的情况，也没有出现焊透等缺陷；第2组试样植焊时，产生了较大的飞溅。

2.2 扭矩测试结果

每组试样选取3个螺柱进行扭矩测试，测试断裂扭矩，结果取3个螺柱的平均值如表3所示。

由扭矩测试结果可知，第1、2、4、6、7、9组试样的断裂位置在螺柱上，表明焊缝强度大于螺柱强度，图2a为7-2试样测试扭矩断裂后的照片。第3、5、8组试样的断裂位置均在焊缝区，图2b为5-2试样测试扭矩断裂后的照片。

表3 螺柱焊扭矩测试结果Tab.3 The results of torque test

图2 扭矩测试断裂在不同位置的试样照片Fig.2 Photos of different fracture position at the torque test

2.3 正交试验结果

正交试验结果如表4所示。

3 结果分析

3.1 正交试验结果分析

k1、k2、k3为各因素水平所对应的试验指标值总和的平均值，其数值最大所对应的水平就是该因素的最优水平。各因素的最优水平组合起来即为最优参数组合，由表4可知，试验最优组合为A1B1C2，即焊接电流720 A，焊接时间40 ms，提升高度2.5 mm。按照此工艺参数重复试验，测得扭矩为26.7N·m，断裂位置在螺柱上，验证了优化结果。极差反映了试验因素的水平变动对检测指标变动幅度的影响，极差越大，说明对应因素对指标的影响越大，也越重要。按照极差的大小，可以列出试验因素的主次顺序为焊接时间、提升高度和焊接电流。当焊接电流相差较小时，焊接时间的长短决定了焊接热输入的大小，对焊接接头的形成有着重要影响。提升高度决定了焊接电压，试验所选取提升高度的三种水平之间的梯度较大，由此引起的焊接接头强度变化明显。

表4 正交试验结果Table 4 Results of the orthogonal experiment

3.1 目视检验结果分析

根据目视检验结果，可以认为试验设置的焊接电流和焊接时间能产生形成完整焊接接头所需要的能量，主要问题是2、4、5和6组试样焊缝余高不规则。导致焊缝余高不规则的原因主要有两个，一是磁偏吹，二是螺柱焊接时不垂直于工件。测量表明，所焊试样均没有出现螺柱不垂直试板的情况，可以排除焊接螺柱与工件不垂直的原因。而且，试验时采用双地线接地，2根地线对称接在待焊区的两端，可以排除因结构不对称产生的磁偏吹[4]。分析试验参数可知，4、5、6组试样的提升高度是试验中最大的，提升高度过高，焊接时电弧偏长，容易受磁场等外界因素的影响，产生偏弧，导致焊缝余高不规则，所以认为4、5、6组试样出现的磁偏吹是由于提升高度过高引起的。第2组试样的提升高度比4、5、6组试样的小，但也出现了焊缝余高不规则的情况，而且有较大的飞溅，从表4可见，该组采用的焊接时间为45 ms，焊接电流为720 A，都是试验中最大的，这种参数组合产生的焊接热输入大，熔化金属量多，易产生飞溅以及焊缝余高形成不规则。

3.2 扭矩测试结果分析

由表3可知，3、5和8组试样的扭矩测试断在焊缝。

图2b为5-2试样扭矩测试后的断面照片，其他断裂在焊缝处试样的断面形貌与此相似。由图可见，磁偏吹现象较为严重，焊接时熔池内的熔化金属分布不均是导致焊接接头强度下降的原因之一。

由图2b还可知断面上有大量气孔存在，呈现蜂窝状，应为氮气引起的气孔，说明在焊接过程中有空气进入熔池。短周期螺柱焊焊接时间较短，一般不采用气体或者瓷环保护，而是利用电弧引燃瞬间产生的爆炸效应保护焊接区域。这种方法会使部分空气残留在焊接区中，加之焊接过程中能量输入快速集中，冷却速度较快，进入熔池的空气来不及逸出，则会在焊缝中形成气孔[5]。气孔的数量与焊接参数相关，电爆炸剧烈则保护效果好、气孔少、强度高，3、5和8组试样在焊接过程中电爆炸效应较小，焊缝中气孔多，是导致焊接接头强度下降的另一个原因。其中第3组试样的扭矩最小，产生这种结果除上述两个原因外，还与输入能量有关，第3组试样所用焊接时间为30 ms，焊接电流660 A，都是试验中最小的，实测熔深只有0.3 mm，说明该组焊接能量偏低，熔化量不足是导致焊接接头强度下降的另一原因。

3.3 微观金相组织分析

根据正交试验结果，对最佳参数组合条件下的焊接接头进行取样，试样经打磨抛光后用4%硝酸酒精腐蚀，观察金相组织。图3a为螺柱侧金相组织，可以看到螺柱侧金相为大块铁素体加少量的珠光体，为08钢的典型组织。图3b为螺柱侧热影响区，在这片区域内，只有一部分组织经历了相变重结晶过程，焊接时渗碳体在高温下分解，分解出来的碳元素向铁素体扩展，但是由于螺柱焊冷却速度较快，高温停留时间短，碳的扩散不充分，冷却时保留在铁素体里面，形成如图3b所示的形态。在图3b的下方可以看到有粒状贝氏体和少量的马氏体组织。

图3c和图3d为焊缝处金相组织。图3c所示靠近焊缝中心区域，组织为低碳马氏体和粒状贝氏体混合组织。图3d所示焊缝组织靠近母材，低碳马氏体的含量较图3c少，尺寸也更加细小。与母材侧焊缝相比，螺柱侧温度较高，奥氏体晶粒尺寸较大，冷却后所得的马氏体尺寸相应较大[6]。

图3e为母材侧热影响区，组织为粒状贝氏体。图3f为典型的母材DP600金相组织，由马氏体和铁素体组成。

图4为最佳参数组合条件所焊试样显微硬度测试结果。DP600高强钢母材显微维氏硬度为245HV，螺柱硬度215 HV。比较两个区域的热影响区，靠近母材一侧的热影响区硬度值较大，为370 HV，靠近螺柱一侧热影响区硬度值为316 HV，两侧热影响区马氏体的含量不同，母材侧马氏体含量要高于螺柱侧，所以硬度也较高。焊缝区域为马氏体和粒状贝氏体的混合组织，硬度值427 HV，硬度较高，与金相组织所观察到的结果相吻合。

4 结论

（1）通过正交试验结果可以得到DP600高强钢6 mm螺柱焊的最佳参数组合为：焊接电流720 A，焊接时间40 ms以及提升高度2.5 mm；在设置的三组参数中，焊接时间是影响焊接接头的强度的最主要因素，其次是提升高度和焊接电流。

（2）母材为DP600的螺柱焊焊接接头在合理参数范围内具备较高的强度，且工艺稳定。在最优参数组合条件下，焊缝处接头内部未发现气孔、裂纹、夹杂等焊接缺陷，且焊缝组织晶粒较细，接头具备较高的强度。

（3）观察金相组织，焊缝处组织为低碳马氏体和粒状贝氏体，硬度较高；焊缝两侧热影响区因马氏体含量不同，导致母材侧焊缝硬度高于螺柱侧焊缝硬度。

（4）焊接参数选取不当会产生不同的缺陷，如熔池内的熔化金属分布不均、焊缝中气孔较多以及母材和螺柱熔化量不足，最终导致焊接接头强度下降。

[1]张义.螺柱焊技术及其应用[M].北京：机械工业出版社，2003.

图3 焊接接头金相组织Fig.3 Microstructure of the welding joint

图4 最佳参数组合试样显微硬度Fig.4 Microhardness of the best parameters sample with stud welding

[2]关岚，谢翔，包晔峰，等.B550和DP600全自动CO2搭接焊工艺研究[J].机车车辆工艺，2008（6）：4-6.

[3]程猛.短周期拉弧螺柱焊及其在车身焊接中的质量控制[J].上海汽车，2008（10）：36-38.

[4]池强，张建勋，付继飞，等.拉弧式电弧螺柱焊质量影响因素[J].电焊机，2005，35（4）：6-9.

[5]Oh H S，J H Lee，C D Yoo.Simulation of capacitor discharge stud welding process and void formation[J].Science and Technology of Welding and Joining，2007，12（3）：274-281.

[6]胡立光，谢希文.钢的热处理（原理和工艺）[M].西安：西北工业大学出版社，2010.

Research on organization and performance of short circle stud welding joint of DP600 steel

ZHANG Jingzhang，BAO Yefeng，ZHANG Jinhui，LIAO Hailong
（School of Mechanical and Electrical Engineering，Hohai University，Changzhou 213022，China）

Orthogonal experiment method is carried out to optimize the technological parameters.Welding time，welding current and stud lifting height are selected as three factors，each factor setting three levels.Stud welding joint quality is judged by visual inspection and torque test，and substandard quality of welded joints will be analyzed.The microstructure of welded joints is observed the and welding zone hardness is measured to obtain a hardness trends.The results show that the most important factors affecting the quality of welding are the welding time and welding current，welding time and lift height influence the strength of welded joints.6 mm stud welding plant optimum parameters for the welding current 720 A，welding time 40 ms and lifting height of 2.5 mm.Under this argument，the weld zone structure is martensite and granular bainite，high hardness，and on both sides of the heat affected zone hardness difference is greater.

DP600；short circle stud welding；welding time；welding current；stud lifting height

TG453+.3

A

1001－2303（2017）02－0088-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.02.17

2016-08-17

收稿日期：中央高校专项业务经费（2014811614）

张景璋（1990—），男，江苏徐州人，在读硕士，主要从事螺柱焊质量控制的研究。

献

张景璋，包晔峰，张金辉，等.DP600短周期螺柱焊焊接接头组织与性能研究[J].电焊机，2017，47（02）：88-92.