浙江至德鋼業(yè)有限公司從接頭的拉剪力、熔核的微觀組織、動態(tài)電阻曲線和焊接性范圍4個方面,對比分析雙相鋼透膠膠焊和電阻點焊的接頭性能.結果表明,膠焊熔核開始形成時間提前于點焊,使得在小電流情況下膠焊的焊點拉剪力要普遍高于點焊;膠焊在中等電流情況下便會產(chǎn)生嚴重飛濺,使得在大電流情況下點焊焊點拉剪力要更高些。因此,在制定膠焊的焊接工藝參數(shù)時應選擇比電阻點焊偏低的焊接電流,而適度增加焊接過程的電極力有利于抑制飛濺產(chǎn)生。

 現(xiàn)代汽車車身的輕量化需求,使得汽車板的主要發(fā)展趨勢是以雙相鋼為代表的先進高強度鋼板的大量使用。點焊一直以來都是車身焊接中運用最為廣泛的焊接技術.然而,在使用傳統(tǒng)點焊焊接先進高強鋼時出現(xiàn)了種種問題.例如,高強鋼點焊時易出現(xiàn)飛濺、焊接性范圍較窄和界面撕裂等問題;還有點焊本身的缺點,如焊點處存在很大的應力集中,嚴重影響了焊接接頭的疲勞性能。NVH(noise,vibrationandharshness)技術的迅速發(fā)展和環(huán)氧基結構膠的出現(xiàn),使得膠粘技術在汽車領域開始逐步獲得應用.膠粘技術具有連接處應力分布均勻、疲勞壽命增加、減重和易于任意材料和復雜結構的板材連接等特點.但環(huán)氧基結構膠的脆性較大,在沖擊載荷作用下易發(fā)生斷裂失效,低溫下靜載強度顯著下降,使得膠粘技術的普及受到了諸多限制。

 綜合以上兩種連接技術的優(yōu)點,出現(xiàn)了膠焊技術(膠粘和電阻點焊相結合的一種復合連接技術),已經(jīng)在航空航天和汽車制造等工業(yè)領域獲得了廣泛應用.對于汽車制造來說,膠層的存在,克服了點焊的缺點,其應力分布均勻,疲勞強度高,減小了界面撕裂,減震能力強,無需密封工藝。焊點的存在,克服了膠粘的缺點,其抗沖擊能力強,低溫、潮濕環(huán)境下仍有較高的靜載強度。它適合于各種有機涂層或金屬涂層低碳鋼、高強鋼、鋁合金和復合材料等之間的連接。根據(jù)工藝順序不同,可把膠焊工藝分為兩種類型:毛細作用膠焊(先點焊,后塞膠,最后固化)和透膠膠焊(先涂膠,后點焊,最后固化)。研究了毛細作用膠焊和透膠膠焊兩種工藝下試樣(1.5mm低碳鋼,低聚物環(huán)氧基結構膠)的微觀結構和焊接質(zhì)量,提出毛細作用膠焊工藝比透膠膠焊具有更好的微觀結構,且更經(jīng)濟。但毛細作用膠焊技術對工藝要求高,不易實現(xiàn)自動化,同時由于它僅僅是點焊和膠粘技術的疊加,無法改善高強鋼點焊的問題.因此,目前透膠膠焊應用最為廣泛.但是由于鋼板搭接面上絕緣膠層的存在,使得鋼板間的接觸狀態(tài)和焊接的導電性和傳熱性均發(fā)生變化,因此透膠膠焊中的點焊要不同于普通點焊.為了使透膠膠焊技術獲得廣泛應用,必須要深入分析膠焊接頭性能相對于普通點焊的不同點.文中從接頭的拉剪強度、熔核的微觀組織、動態(tài)電阻曲線和焊接性范圍4個方面,深入對比分析雙相鋼透膠膠焊(以下簡稱膠焊)和電阻點焊的接頭性能,為膠焊技術的焊接工藝參數(shù)制定提供了參考。

一、試驗方法

 試驗采用厚度為0.75mm的雙相鋼DP600,屬于先進高強鋼,其化學成分為:碳：0.11%、錳：1.53%、硅：0.201%、鋁：0.031%、鈦：0.018%、硫：0.010%、磷：0.12% ，試驗分別對這種鋼板進行等厚鋼板的膠焊和點焊,使用相同的焊接工藝參數(shù)，膠焊工藝中使用的膠粘劑是環(huán)氧樹脂結構膠.焊件尺寸及搭接長度見圖。

 膠焊的工藝方法主要有兩種: 毛細作用膠焊和透膠膠焊.前者是先點焊后塞膠最后固化膠層,后者是先涂膠再點焊最后固化膠層。毛細作用膠焊僅僅是點焊和膠粘的疊加,其焊接過程與點焊一致，目前常用的透膠膠焊,由于在點焊之前鋼板搭接面上已經(jīng)有膠層,所以其焊接過程明顯不同于點焊.在此,為深入分析膠層對焊接強度的影響,采用的是透膠膠焊工藝。同時為便于對比分析膠焊接頭的焊接強度與點焊接頭的不同,焊后直接對膠焊試樣進行拉伸試驗,取消了膠層固化工藝，拉伸試驗下的膠焊接頭如圖所示。

二、試驗結果與對比分析

 1. 拉剪力對比

  不同焊接時間下,膠焊和點焊的焊點拉剪力與焊接電流的關系曲線見圖。在此,拉剪力定義為試樣在拉剪試驗中的載荷-位移曲線所對應的峰值載荷.當焊接電流不斷增加時,膠焊與點焊的焊點拉剪力均顯著增加.并且點焊拉剪力的增加速率要明顯高于點焊。從相同焊接工藝參數(shù)下的膠焊和點焊的拉剪力對比可看出,在小電流情況下,膠焊的拉剪力要普遍高于點焊,且隨著焊接時間的延長,其差值有所增加.這是因為鋼板搭接面上絕緣性的膠層阻礙了電極力作用下兩鋼板之間的接觸面積,增加了焊接時的電流密度,使得膠焊在小電流情況下相對于點焊容易產(chǎn)生更多的熱量,便于熔核的快速形成.相反,在大電流情況下點焊的拉剪力比膠焊要高.由于膠焊的熱量積聚過于迅速,在中等電流情況下就已經(jīng)會產(chǎn)生嚴重的焊接飛濺,破壞了熔核的生長.而點焊要在更大的電流情況下才會發(fā)生一定程度的飛濺。因此,在相同的焊接時間下,必然存在一個電流值使得膠焊與點焊的拉剪力恰好相等，即圖中交叉點對應的電流值.此電流值是隨著焊接時間的延長而逐漸減小的。

 2. 焊接性范圍對比

  依據(jù)上節(jié)膠焊、點焊工藝中的焊接電流和焊接時間與拉剪力的關系曲線,可分別確定以焊接電流與焊接時間為變量的DP600膠焊與點焊的焊接性范圍,如圖4所示.其中,焊接性范圍的左邊界是以8kN拉剪力的等強度線為標準確定的,如果焊接參數(shù)的選擇小于左邊界,則焊點拉剪力達不到要求.焊接性范圍右邊界是以產(chǎn)生飛濺為標準來確定的.如果焊接參數(shù)的選擇大于右邊界,則認為飛濺程度過大,拉剪力將下降。至德鋼業(yè)通過膠焊與點焊的焊接性范圍對比可發(fā)現(xiàn):一方面,膠焊的左邊界要比點焊向左邊偏移,即在小電流情況下,膠焊相對于點焊更易獲得較大的焊點拉剪力;另一方面,膠焊的右邊界亦向左偏移,即在較高的焊接電流下,膠焊更易產(chǎn)生飛濺現(xiàn)象.

 3. 焊接過程動態(tài)電阻曲線對比

 膠焊和點焊焊點拉剪力的對比結果,可以通過其對應焊接過程中的動態(tài)電阻曲線進行分析闡述。由圖可見,由于不導電的膠層存在,使得膠焊在焊接初始階段的電阻值要明顯高于點焊,因此在小電流情況下膠焊焊接過程中的熱量積聚較快,進而鋼板的升溫時間、局部熔化(熔核開始形成)時間要提前于點焊.另一方面,當焊接電流較大時,如圖所示。膠焊的熱量非常大,在焊接的后半階段,極易產(chǎn)生嚴重的飛濺,液態(tài)金屬的噴濺導致焊點拉剪力的明顯下降,最終,使得點焊的拉剪力反而會高于膠焊。

 4. 熔核微觀組織對比

  從小電流和大電流兩種情況下膠焊和點焊焊點的熔核微觀組織中可看出: 在8kA焊接電流下膠焊的熔核尺寸為4.96mm,而點焊熔核內(nèi)部有氣孔,且尺寸只有4.33mm,如圖6a,b所示;在10kA電流下膠焊的熔核尺寸與點焊熔核尺寸相當,達到5.36mm,如圖6c,d所示.但是由于10kA電流下膠焊已經(jīng)發(fā)生嚴重飛濺,熔核周圍的部分膠和金屬噴濺出來,且壓痕較深,鋼板變薄,最終使得點焊的接頭強度反而高于膠焊接頭。

三、結論

 1. 由于膠焊焊接雙相鋼過程中的熱量積聚較快,熔核開始形成時間提前于點焊,使得在小電流情況下膠焊的焊點拉剪力要普遍高于點焊。

 2. 由于膠焊的熱量積聚過于迅速,在中等電流情況下就已經(jīng)會產(chǎn)生嚴重的焊接飛濺,破壞了熔核的生長,而點焊要在更大的電流情況下才會發(fā)生一定程度的飛濺。使得在大電流情況下點焊焊點拉剪力要更高些。

 3. 在制定膠焊的焊接雙相鋼工藝參數(shù)時應選擇比電阻點焊偏低的焊接電流,而適度增加預壓階段的電極力能有效降低雙相鋼板間接觸電阻,保證焊接質(zhì)量穩(wěn)定,而增大焊接過程后半階段的電極力,則有利于抑制飛濺產(chǎn)生。