螺母凸焊焊点断口形貌分析

易明辉，余 进，罗 滏，余群锋，刘 超，严 恺

（1.南京威迩德汽车零部件有限公司，江苏南京211100；2.南京理工大学材料科学与工程学院，江苏南京210094）

螺母凸焊焊点断口形貌分析

易明辉1，余 进2，罗 滏2，余群锋1，刘 超2，严 恺2

（1.南京威迩德汽车零部件有限公司，江苏南京211100；2.南京理工大学材料科学与工程学院，江苏南京210094）

分析常规螺母材料10B21与H260PD+Z镀锌钢板凸焊焊点的断裂方式。对工件进行破坏性试验，通过SEM观察焊点的断口形貌，结合焊点内部金相组织，发现螺母凸焊焊点的断裂方式分为两种：当断裂发生在熔合区时，断裂为脆性断裂；当断裂发生在板材的热影响区时，为韧性断裂和脆性断裂的混合断裂方式。结合理论分析和实际生产发现，当断裂发生在板材的热影响区时，断口具有一定的韧性，这样的断裂方式对螺母凸焊更为安全。

螺母；凸焊焊点；SEM；断口形貌

0 前言

螺母凸焊一般采用扭力值检测其强度。实际焊接过程会出现扭力满足螺母焊接的标准，但仍然出现螺母脱落的现象[1-3]。为此，某汽车零部件生产商提出螺母凸焊不仅要满足扭力的要求，还需要满足破坏试验，即螺母凸点需要拉破板材，以此来保证螺母不会脱落。本研究针对厚大螺母与镀锌钢板的凸焊结果，研究螺母在拉破板材情况下的断裂方式。

1 材料和设备

（1）试验材料。螺母材料为10B21，板材为镀锌钢板H260PD+Z，材料成分见表1和表2，螺母与板材零件形状如图1所示，螺母为带法兰的M10圆螺母，三个凸点均匀分布在法兰下表面，凸点总长度占圆周的1/2，板材厚度2.5 mm。

表1 10B21的化学成分Table 1 Chemical constituent of 10B21%

（2）焊接设备：小原DB-220固定式逆变点焊机。

表2 H260PD+Z的化学成分Table 2 Chemical constituent of H260PD+Z %

图1 螺母形状与螺母凸点分布Fig.1 Shape of nut and the distribution of protruding points

2 试验结果分析

在生产车间现场，对工件进行破坏试验时会出现两种情况，如图2所示。1#是焊点撕裂板材从熔合区断裂，2#是焊点拉破板材从板材的热影响区断裂。

图2 典型的两种断裂方式Fig.2 Two typical frature modes

2.1 焊点内部金相组织

螺母凸焊焊点内部各区域金相组织如图3所示。图3a为板材热影响区组织，板材热影响区受热后晶粒长大，形成块状的铁素体，在晶界上有少量珠光体，与焊前相比，晶粒明显长大，没有新相产生。图3b为熔合线附近的组织，熔合线两侧组织差异明显，熔合线下方为板材热影响区，熔合线上方为焊核，熔合线附近的熔核晶粒成条状分布，并且与熔合线垂直，具有一定的方向性。图3c为熔核内部的金相组织，可以看出，螺母凸焊熔核内部晶粒没有像点焊一样具有很强的方向性，内部的晶粒成条状、块状分布，这是因为螺母较厚，凸焊时螺母侧的温度高于板材侧，散热较慢，使得锻压冷却阶段电极的冷却作用不能使熔核内部金属较快地凝固结晶。图3d为螺母热影响区的金相组织，该区域为针状和条状组织，晶粒较粗大，硬度达到500 HV，说明热影响区内很可能产生了少量马氏体，这是因为螺母受到电极压力的作用，螺母法兰在高温下受压产生了较大的应变，应变诱导了奥氏体向马氏体转变[4-6]，也有可能在螺母热影响区内形成了下贝氏体组织，为针状的α-Fe和Fe3C的复相组织。

2.2 焊点断口形貌分析

断裂发生在熔合区的断口形貌如图4所示。图4a为螺母从熔合区断裂的零件外观，三个凸点撕裂板材，其中A位置为凸点的根部，断裂发生在螺母侧；B位置为断口的表面，断裂发生在板材的熔合区。图4b为图4a中圆圈内的断口400倍状态下的形貌，图4b中的A、B对应图4a中的A、B。图4c为图4b中A区域的局部放大的断口形貌，图4c中能够清晰的看到晶粒轮廓，并且平整光滑，此区域的断裂方式为沿晶断裂，该区域的晶粒结合强度不高，主要原因是该区域属于螺母侧的焊核部分，晶粒粗大，在整个断口中所占比例较小，很少发生。图4d为图4b中的B区域，该区域面积较大，在熔合区断裂时，多数为该种情况，从图4d的断口形貌可以看出，断口上有典型的解理台阶，该种断裂方式为解理断裂，发生这种断裂方式的原因是该区域的晶粒较大和受到正应力的作用。由此说明，当断裂发生在熔合区时，凸点处螺母侧撕裂，断裂类型为脆性断裂，是沿晶断裂和解理断裂的混合断裂方式；当在只存在板侧撕裂时，断裂类型为解理断裂。

图3 焊点金相组织图Fig3 Metallographic organization graphs of welding joint

图4 在熔合区断裂的断口形貌Fig.4 Fracture morphology in fusion zone

断裂发生在板材热影响区的断口形貌如图5所示，其中图5a为拉破板材后螺母的情况，A为被拉破板材的上部，B靠近凸点根部。图5b为200倍电镜下拉破凸点的断口形貌，其中A、B对应图5a中的A和B，图5c为A点1 000倍下的形貌，该区域具有剪切韧窝的特征，这是因为该区域为板材的热影响区，虽然晶粒长大但基体组织并未改变，仍然为铁素体和珠光体组织，具有一定的韧性，而且离焊核较远，离焊核越远，剪切韧窝越明显，该区域为韧性断裂和脆性断裂的混合断裂方式；图5d为B点1 000倍下的形貌，该区域没有韧窝的特征，断口形貌成舌状花样，属于解理断裂，为脆性断裂，这是因为该区域距离熔核较近，属于焊核周围的塑性环区域，经历了较大的热循环，内部组织发生了改变，晶粒粗大。并且在图5d中，C位置处出现了裂纹，说明在破坏试验时该区域有发生断裂的倾向。

图5 在板材热影响区断裂的断口形貌Fig.5 Fracture morphology in sheet HAZ

综上所述，焊点断裂为两种方式：在熔合区断裂时，断裂为脆性断裂；当断裂发生在板材热影响区时，为韧性断裂和脆性断裂的混合断裂方式。

从焊接质量上来讲，焊接接头不希望以脆性断裂的方式失效，因此，不希望该螺母凸焊从熔合区断裂，尽管焊接的螺母满足扭力要求，但仍希望在发生断裂时具有一定的韧性，让断裂发生在板材的热影响区，这样的断裂方式更为安全。

3 结论

10B21螺母与镀锌钢板进行螺母凸焊时，其焊点的断裂方式主要有两种：一是断裂在焊点熔合区的脆性断裂方式，二是断裂在板材热影响区的脆性断裂和韧性断裂的混合断裂方式。从安全和焊接质量上考虑，凸焊螺母时应尽可能使螺母凸焊的焊点能拉破板材，使其断裂时具有一定的韧性。

[1]张志惠.凸焊螺母的焊接工艺研究[J].燕山大学学报，2001，25（3）：245-247.

[2]李娜，衣海明.螺母凸焊工艺参数优化[J].焊接学报，2001，45（11）：37-38.

[3]张永强，王威，贾松青，等.合金元素表面富集对高强钢螺母凸焊性能的影响[J].电焊机，2014，44（9）：112-114.

[4]王建泳.奥氏体钢应变诱发马氏体的试验研究[J].锅炉技术，2013，44（3）：48-51.

[5]刘春成，姚可夫，高国峰，等.应力应变对马氏体相变动力学及相变塑性影响的研究[J].金属学报，1999，35（11）：1125-1127.

[6]卢志鹏，祝文军.压力作用下铁bcc—hcp马氏体相变的微观机制[J].高能密度物理，2013（1）：7-10.

Analysis of fracture morphology of projection welding weld for nut

YI Minghui1，YU Jin2，LUO Fu2，YU Qunfeng1，LIU Chao2，YAN Kai2
（1.Nanjing Weld Automobile Parts Co.，Ltd，Nanjing 211100，China；2.School of Materials Science and Engineering，Nanjing University of Science&Technology，Nanjing 210094，China）

In this paper,the fracture modes of projection welding weld of both conventional nut 10B21 and galvanized steel sheets are analyzed.After destructive test，through observing the weld's fracture morphology by SEM and considering its internal microstructure，it is found that there are two kinds of weld fracture modes of projection welding weld for nut：Brittle fracture in fusion zone and mixed fracture of brittle fracture and ductile fracture in sheet HAZ.Theoretical analysis and practical experience reveals that fracture shows some toughness when fracture occurs in sheet HAZ，and this fracture mode is safer for nut projection welding.

nut；projection welding weld；SEM；fracture morphology

TG409

B

1001-2303（2017）04-00

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.04.

献

郭吉昌，朱志明，闫国瑞，等.基于UG的弧焊机器人离线编程系统开发[J].电焊机，2017，47（01）：1-6.

2015-10-21；

：2017-04-05

易明辉（1965—），男，江苏南京人，教授级高工，主要从事汽车整车及零部件设计开发、汽车制造工艺技术开发、工厂设计与规划等研究工作。