汽车车身螺柱焊接参数对焊接组织与性能影响的研究分析

靳延鹏　卢文超　陆勇　季良　赵洪生　孔德群

摘 要：本文研究了汽车车身螺柱焊接工艺参数对焊接质量的影响，以0.8mm厚的CR3镀锌板为基体材料，采用3700号螺柱焊钉进行焊接试验，重点分析了不同焊接电流对焊接质量的影响。本文利用拉伸试验仪、分析了焊接后的焊接质量，利用金相显微镜对显微组织进行了分析研究。研究结果表明：在0.8mm厚的镀锌板进行螺柱焊接时，在提升高度为0.8mm情况下，最优的焊接电流为-800mA，焊接时间为50ms;其抗拉力为3.56KN。

关键词：汽车车身 螺柱焊 显微组织 力学性能

Research and Analysis of the Influence of Auto Body Stud Welding Parameters on Welding Structure and Performance

Jin Yanpeng Lu Wenchao Lu Yong Ji Liang Zhao Hongsheng Kong  Dequn

Abstract：This paper studies the influence of welding process parameters of automobile body studs on welding quality. With 0.8mm thick CR3 galvanized sheet as the base material， 3700 stud welding studs are used for welding experiments. The article focuses on the analysis of the impact of quality of different welding currents. In this paper， the tensile tester is used to analyze the welding quality after welding， and the microstructure is analyzed and researched using a metallurgical microscope. The research results show that when stud welding is performed on a 0.8mm thick galvanized sheet， when the lifting height is 0.8mm， the optimal welding current is -800mA， the welding time is 50ms， and its tensile strength is 3.56KN.

Key words：car body， stud welding， microstructure， mechanical properties

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

本次实验所用螺柱焊接板材材料为CR3镀锌钢板，板厚为0.8mm，其主要化学成分见表1;螺柱焊钉为3700钢钉。

1.2 试验参数

本实验采用正交实验方法，将焊接时间和焊接电流作为变量，对比相同电流和提升高度下，不同焊接时间对焊接质量的影响;对比相同焊接时间和提升高度下，不同焊接电流对焊接质量的影响。焊接电流由-800A到-1100A，焊接時间由30ms到50ms递增，实验参数如表2所示：

2 组织结构分析

2.1 微观组织分析

焊缝区组织相较于母材发生了很大变化，如图1所示，焊缝区组织呈板条状分布，该组织为熔融金属在焊后的快速冷却过程中形成的非平衡组织马氏体。

不同参数下，各个焊缝熔化区的组织形貌基本相似，都是板条状的马氏体，但是马氏体的分布区域相差较大。螺柱焊焊接过程中，螺钉及板材迅速升温，部分熔化，形成金属液，加热过程结束后，金属液迅速冷却，形成非平衡组织马氏体。马氏体组织的分布区域的大小及形貌差别较大，这是由于螺柱焊过程是反应剧烈，母材的形状，螺柱与板材的接触姿态，焊接过程中金属液的飞溅，都会极大地影响液态金属的分布状态，进而影响最终的焊缝状态。导致焊缝中熔融区的形貌及分布区域差别很大。焊接参数也会影响焊接过程金属的熔化量，进而影响微观组织分布。总体是焊接电流越大，焊接时间越长，焊接过程中熔融金属的量也就越多，焊缝中形成的马氏体含量越多。

但是由于螺柱焊过程受到多种因素的影响，因此焊接过程不稳定，飞溅、螺钉与板材的接触状态都会影响熔融金属的量，进而影响焊后马氏体的数量及分布。总体是飞溅越多，焊后焊点中存在的孔洞越多，马氏体的含量越少。

2.2 焊缝显微组织形貌分析

图2给出了相同焊接时间，不同焊接电流下焊缝微观组织图，对比分析可以看出：当提升高度为0.8mm，焊接时间为30ms时，不同焊接电流下的焊缝连接处呈现不同的状态，其中电流为-800A和-900A试样的焊缝组织形貌呈连续状态，焊钉与母材连接处的组织均匀与板材结合较好，没有出现孔洞等缺陷;电流为-1000A和-1100A试样的焊缝组织在中间位置存在凸起;母材融化较为严重变得非常薄，而且焊缝连接处的组织出现明显的孔洞。

短周期螺柱焊接时间较短，一般不采用气体保护，而是利用电弧引燃的瞬间产生的爆炸效应保护焊接区域，这种方法容易使空气残留在焊接区中，由于焊接能量集中，冷却速度快，进入的空气来不及逸出，就会在焊缝中形成孔洞[2]。

3 力学性能分析

3.1 拉伸性能分析

本试验利用拉伸试验设备对螺柱焊接后螺柱与板材的连接性能进行了研究分析，研究结果表明：当焊接电流为-800A时，随着焊接时间的增加，螺柱与板材的连接性能增加，当焊接时间为50ms时，连接性能最好，达到3.56KN。当焊接时间为30ms时，随着焊接电流的增大，分别为-800A、-900A、-1000A时，连接性能变差。结合图2和表3分析可知，随着电流的增大，焊接能量增加，从而对板材的热影响过大，导致板材过熔，从而降低了连接性能。当焊接电流为-1000A，焊接时间为50ms时，板材熔化严重，螺柱直接脱落。

4 结论

（1）对比分析不同焊缝的显微组织可以得知：焊接参数选取过大时，由于能量过高，焊接后焊缝容易产生不同的焊接缺陷，比如存在孔洞、裂纹等缺陷，降低了焊缝连接性能，从而使螺柱焊钉脱落。

（2）对比分析不同焊接参数的拉力性能得知：在焊接时间一定时，随着焊接电流的增加，抗拉伸性能变弱;当焊接电流一定时，在一定范围内随着焊接时间的增加而增强;从实验结果可知当焊接电流为-800A，焊接时间为50ms时，抗拉性能最好，达到3.56KN。

（4）综合以上分析可知，0.8mm的薄板进行螺柱焊时，焊接电流为-800A，焊接时间为50ms，提升高度为0.8mm时，焊接效果最好。

参考文献：

[1]Lee J S，Ryu Y S，Kim N，et al. Stud welding for fixation of cryogenic insulation of membrane tanks in LNG ship building[J]. Transaction of Nonferrous Metal Society China，2009（19）：271-275.

[2]Wu B，Zhang F，Xue T. Monocular-vision-based method for online measurement of pose parameters of weld stud[J].Measurement，2015（61）：263-269.

[3]张义. 螺柱焊技术及其应用[M]. 北京：机械工业出版社， 2003.

[4]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.