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镀锌钢板点焊的工艺性能


镀锌钢板点焊的工艺性能
王 敏, 唐逸民, 周 萍 上海交通大学材料科学与工程学院 摘 要:为提高镀锌钢板点焊接头的质量,对普通冷轧钢板、电镀锌钢板和两种镀锌层

厚度不同的热镀锌钢板进行了一组点焊工艺及接点强度试验, 并对试验结果进行了计算机回

归分析, 分别得出了这几种材料在不同的焊接电流、 焊接时间下的点焊熔核直径或接头拉



强度变化曲线以及点焊飞溅临界曲线.根据对上述试验结果的分析和比较,提出了锌镀钢板

点焊时焊接电流、 焊接时间和电极压力等参数的选用原则, 并对几种镀锌钢板给出了相应的

点焊规范范围.

关键词: 关键词:镀锌钢板;点焊工艺;接头拉剪强度 Spot Welding Technology of Zinc-Coated Steels Wang Min, Tang Yimin, Zhou Pin

School of Materials Science and Engineering, Shanghai Jiaotong University, China

Abstract: A series of spot welding technology and joint tensile-shear tests for uncoated low : carbon, electroplated and two kinds of hot dipped zinc-coated steels were made to improve the quality of spot welding joint for zinc-coated steels. The test results were analyzed with computer regressive method. The effects of welding current or time on nugget diameter or joint tensile-shear strength and critical curves in splash generation for spot welding were obtained. By analyzing and comparing the above test results, the special demands for welding current and time and pressure in the spot welding of zinc-coated steels were put forward. The relevant spot welding parameters for every kind of zinc-coated steels were proposed. Key words: zinc-coated steels; spot welding technology; joint tensile-shear strength

在当前的汽车制造业中,为了提高产品的使用寿命,增强材料的抗腐性能,常采用镀锌

钢板.而在这些产品的装配和制造中,往往会用到电阻点焊方法,由于镀锌钢板表面锌层的
[1]

熔点很低、硬度也低,给点焊带来一定的困难

.为了在需点焊加工的产品上推广使用镀锌

钢板,并保证其焊接质量,本文对普通冷轧钢板、电镀锌钢板和两种不同锌层厚度的热镀锌

钢板进行了一系列点焊工艺及力学性能试验, 并通过对试验结果的数据处理和理论分析, 找

出了几种材料点焊工艺性能上的差异,得出了一套合适的点焊焊接规范范围.

1 试验和结果

1.1 材料

本试验选用的材料如表 1 所示,试样尺寸为 100mm×25mm×0.8mm.

表 1 试验材料

Tab.1 Materials for test

. -2

材料(代号) 普通冷轧钢板(A) 电镀锌钢板(B) 热镀锌钢板(C) 热镀锌钢板(D) 1.2 仪器及设备

镀锌层厚度/(g m ) 正拉强度/MPa 20 100 140 225.0 287.5 284.0 290.0

试验用 SO462 型点焊机, PERTRON TIM-400 型微电脑电阻焊控制器, 配 测电流用 MM-316A

型焊接监控仪.

1.3 焊接电流变化对点焊接头性能影响试验

首先,保持通电时间 tw 和焊接压力 Fw 不变(tw=0.2 s,Fw=2.0 kN),改变焊接电流 I 大小,

分别对 A~D 4 种试样各进行了一组点焊工艺及接头拉剪试验(每一电流下 3 个或 3 个以上试

样),测得不同焊接电流下焊点的熔核直径 d 及拉剪断裂载荷 Ft,并在计算机上对试验数据

进行非线性回归分析,得出了每种材料的 d-I 及 Ft/F-I 拟合曲线,如图 1 和图 2 所示(由于

4 种试验材料的母材强度不同,为便于比较,曲线纵坐标用焊点拉剪断裂载荷与母材试样拉

伸断裂载荷的比值 Ft/F 来表示).

图 1 点焊熔核直径与焊接电流关系的拟合曲线

Fig.1 Effects of welding current on nugget diameter

图 2 点焊接头拉剪强度与焊接电流关系的拟合曲线

Fig.2 Effects of welding current on joint tensile-shear strength 试验中,每种材料焊接电流的上、下限如表 2 所示,其下限是不产生焊点拉开(此时点 焊接头拉剪断裂都是在熔核外 HAZ 处)的最大电流,上限为产生内部飞溅的最小电流.

表 2 点焊焊接电流上、下限及对应的熔核尺寸、接头强度

Tab.2 Maximum and minimum spot welding current and corresponding nugget diameter

and joint tensile-shear strength

材料 Imin/kA

dmin /mm
min

Imax /kA 0.2 0.36

dmax /mm
max

A B

5.5 7.7

3.2 5.7

8.1 5.7 10.3 6.9

0.47 0.57

C D

9.3 9.3

5.75 6.1

0.48 0.52

11.3 11.8

7.1 7.4

0.66 0.66

1.4 飞溅临界曲线测定

图 3 是在改变焊接电流和电极压力情况下,进行点焊工艺

试验后测得的 A~D 材料的飞溅临界曲线.

图 3 点焊飞溅临界曲线

Fig.3 Critical curves in splash generation for spot welding

1.5 焊接时间变化对点焊接头性能影响试验

为了了解焊接时间 tw 对各种材料点焊接头强度的影响,在焊接电流和焊接压力基本不

变的条件下,进行点焊工艺及接头强度试验,其结果见图 4.

图 4 点焊接头抗剪强度与焊接时间的关系

Fig.4

Effects of welding time on joint tensile-shearstrength

2

结果分析与讨论

2.1 点焊熔核尺寸和接头强度随焊接电流变化的规律 从图 1 和图 2 可见,材料 A~D 点焊接头拉剪强度随焊接电流变化的规律及熔核尺寸随 焊接电流变化的规律都存在明显的差别.对于材料 A 和 B,当焊接电流从最小值开始增加时, 曲线经过快速上升和平稳上升两个阶段后达到最大值, 即随着焊接电流的增加, 熔核直径不 断增加,接头拉剪强度也不断提高,但当焊接电流达到一定值后,由于加热膨胀,在焊接压 力作用下金属塑性变形形成密封熔核的塑性环, 且熔核以外工件发生翘离, 从而使熔核直径 [2] 趋于稳定,基本保持不变 ;而接头拉剪强度则不同,当它达到最大值后,再增加焊接电 流.由于熔核金属过热会产生飞溅或压痕过深, 使接头强度反而下降.由图可见: 这两种材料 的 d-I 及 Ft/F-I 曲线近似于抛物线型.材料 C 和材料 D 的 d-I 及 Ft/F-I 曲线为单调上升的对 数曲线,即随着焊接电流的增加,熔核直径及接头拉剪强度几乎呈线性增加,即使在产生飞 溅后再增加焊接电流,熔核直径和接头强度随焊接电流的上升速率并无减缓,不像材料 A 或材料 B 那样有一个趋于稳定或下降趋势.分析表明: 这是由于热镀锌钢板表面的锌层较厚, 在点焊电流和压力作用下,一部分低熔点、低硬度的锌或锌铁合金首先被挤到熔核外缘,而 此时低碳钢基体的塑性变形量并不很大,形成的塑性环不能密封熔核,在一定的电流、压力 下就会产生飞溅.当电流进一步增大时,工件接触面直径可进一步扩大,熔核直径也继续增 大,接头强度也随之增大.

2.2 点焊时合适的电流范围 若以表 2 中的电流上、 下限间的值为可用的焊接电流范围, 则材料 A 和 B 的可用电流范 围略大于材料 C 和 D 的范围.在点焊时,一般以不产生飞溅的最大电流或稍低于此值的电流 为最佳焊接电流.根据表 2 中列出的 4 种材料在 tw=0.2 s、Fw=2.0 kN 条件下的电流上限值, 可得出此时的最佳焊接电流范围为:材料 A 为 7.5~8.0 kA;B 为 9.5~10.0 kA;C 为 10.5~ 11.0 kA;D 为 10.5~11.5 kA.同时可估算出 B、C、D 3 种镀锌钢板焊接时所采用的最佳电流 应比冷轧钢板 A 分别增加约 27%、40%及 46%. 另外,从图 1 和图 2 看出,得到同样的熔核尺寸和接头强度所需的焊接电流是:热镀锌 板最大,电镀锌板次之,普通冷轧钢板最小.其原因是:镀锌钢板焊接时挤到熔核边缘的锌 增加了通电面积且镀锌钢板与电极贴合好增加了散热热量, 故在同样条件下所需的焊接电流 就大.

2.3 镀锌钢板点焊时电极压力与焊接电流的配合 比较 4 种材料的飞溅临界曲线(图 3)发现:当 Fw<1.5 kN 时,冷轧钢板的飞溅临界曲线 很陡,即 Fw 变化对产生飞溅的临界电流几乎无影响,而镀锌钢板的飞溅临界电流却随 Fw 的 增加而以较大的比例增加;当 Fw>1.5 kN 时,冷轧钢板的飞溅临界曲线斜率减小,而此时 镀锌钢板飞溅临界曲线的斜率却比低压力时增大,特别是当 Fw>2.0 kN 时,对于镀锌钢板, 飞溅临界电流随 Fw 的变化很小.镀锌钢板与普通冷轧钢板在飞溅临界曲线上的这种差别,主 要是由于在小电流、低压力情况下,镀锌钢板表面接触电阻对点焊过程的影响较大,而在大 电流、较高压力下,镀锌钢板点焊加热时接触表面的镀锌层首先熔化,两板之间就有较好的 接触,其接触电阻并不随 Fw 的增加而明显减小.所以,在 Fw>2.0 kN 时,Fw 的进一步增大对 减小飞溅并无太大的作用.

点焊时焊接时间对接头强度的影响 2.4 点焊时焊接时间对接头强度的影响 从图 4 看出,镀锌钢板与普通冷轧钢板接头强度随焊接时间的变化规律基本相同,在

tw=0.12~0.2 s,接头强度随 tw 的增加明显增加,而当 tw>0.2 s 后,接头强度随 tw 的增加 趋于平缓或有所下降.所以,选择焊接时间 tw=0.2~0.24 s 为较佳.

3 结 论

(1) 就点焊熔核尺寸和拉头强度随焊接电流变化的规律而言, 电镀锌钢板与普通低碳钢 板基本相同,呈抛物线型,而热镀锌钢板则有明显的不同,为单调上升的对数曲线. (2) 根据 d-I、Ft/F-I 曲线,在焊接压力为 2.0 kN,焊接时间为 0.2 s,以下几种材料 的最佳焊接电流范围为:材料 A 为 7.5~8.0 kA; B 为 9.5~10.0 kA;C 为 10.5~11.0 kA; D 为 10.5~11.5 kA.并且,产生相同熔核尺寸和强度的焊点,所需的焊接电流随镀锌层厚度 的增加而增加. (3) 普通冷轧钢板的飞溅临界曲线是先陡后坦, 而镀锌钢板飞溅临界曲线则是先坦后陡. 镀锌钢板点焊时当 Fw>2.0 kN 后,Fw 的提高对减小飞溅并无明显的作用. (4) 镀锌钢板与普通冷轧钢板接头强度随焊接时间的变化规律基本相同, 最佳焊接时间 为 0.2~0.24 s.

参考文献

[1] 中国机械工程学会焊接学会电阻焊(Ⅲ)专业委员会.电阻焊理论与实践.北京:机械

工业出版社,1994.

[2] 赵熹华.压力焊.北京:机械工业出版社,1989.

[3] 王 敏,唐逸民.镀锌钢板点焊时熔核结晶形态分析.焊接研究与生产,1997,6(2~

3):69~73 [4] Holliday R, Parker J D, Williams N T. Relative contribution of electrode tip growth mechanisms in spot welding zinc coated steels. Welding in the World, 1996,37(4):186~193

作者单位:王 敏, 唐逸民, 周 萍(上海交通大学材料科学与工程学院) 王 敏:女,1960 年生,副教授.邮编:200030


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