汽车用镀锌钢板点焊质量控制的研究

作者：东风汽车股份有限公司 耿化联

欢迎访问e展厅 展厅 9 焊接设备/切割机展厅 交流电焊机, 直流电焊机, 气体保护焊机, 埋弧焊机, 高频焊接机, ... 摘要：本文从镀锌层特性、电极材料和形状、工艺参数优化、控制方法等四个方面综述了国内外汽车用镀锌钢板点焊质量控制的研究现状和发展趋势。 关键词：镀锌钢板 点焊 质量控制 1 引言 近十年来，我国汽车工业发展迅速，随之而来的汽车车体防蚀问题也日渐突出。据有关调查表明，一般国产新车运行一年即出现腐蚀斑点，3 至4 年即出现腐蚀穿透，为此全国年维修费用达数十亿元人民币［1］。因此，为了提高车体使用寿命和增强车体材料的抗腐性能，表面带镀层的低碳钢板被广泛使用，但目前用得最多的是镀锌钢板，欧美国家汽车用镀锌钢板占整个车体材料的60%左右，日本则更多［2、3］。我国也早就制订了相关政策鼓励汽车制造业推广使用国产镀锌钢板，还曾把镀锌薄板的焊接列入国家基金项目。 镀锌钢板虽然具有较好的抗腐蚀性能，但在国内外汽车车体制造中，大量采用的都是电阻点焊方法，与无镀层钢板相比，镀锌钢板的点焊过程中存在以下问题：先于钢板熔化的锌层形成锌环而分流，致使焊接电流密度减小；锌层表面烧损、粘连、污染电极而使电极寿命降低；锌层电阻率低，接触电阻小；容易产生焊接飞溅、裂纹、气孔或组织软化等缺陷。 正是由于镀锌钢板的点焊存在上述问题，因而引起国内外相关领域的广泛关注，并做了大量的研究工作。目前对于镀锌钢板点焊工作的研究主要从四个方面着手：一是镀锌板的点焊焊接性，二是电极材料和形状的正确选择，三是主要工艺参数对点焊质量的影响，四是点焊质量控制的模式和方法。 2 镀锌方式和厚度对点焊的影响 根据镀锌工艺的不同，镀锌钢板大致可分为电镀锌钢板和热镀锌钢板，还有一种合金化渗锌钢板，是在热浸锌后保温在450ºC 以上进行合金化处理。这三者相比较而言，电镀锌板镀层薄，焊接性相对较好，但造价高；热镀锌钢板镀层厚，耐蚀性好，但焊接性差；合金化渗锌钢板的焊接性相对热镀锌钢板则有所改善；在锌层厚度相同的情况下，热镀锌板比电镀锌板具有更优良的焊接性。 锌层对于钢板来说厚度虽然非常小，但对于焊接性的影响却很大。一般认为，随着锌层厚度的增加，所需焊接电流越大，但程轩挺等［4］通过试验比较，发现在一定镀层厚度范围内，锌层越厚，所需电流越大；但当锌层达到一定厚度时，则所需电流反面减小。而美国金属学会主编的有关资料［5］则明确提出，镀锌钢板在镀层厚度增加时（锌层厚度在0.005～0.025mm 范围内），焊接性降低，但锌层厚度在1.52mm 以上时，焊接性不受镀层厚度的影响。在国内外汽车车体制造中，使用的电镀锌板镀层厚度一般为20 ～90g/m2(0.003～0.013mm)，热镀锌钢板镀层厚度为40～180g/m2 (0.006～0.025mm)，可见汽车用镀锌钢板的点焊需要合理选择工艺参数以保证焊接质量。但笔者工厂实践证明，尽管有锌层的存在，但只要选择适当的设备、工艺等，镀锌钢板的电阻点焊质量完全可以达到车体制造的技术要求。所以镀锌钢板本身的镀锌方式或锌层厚度，并不是影响车体点焊质量好坏的决定因素。 3 电极材质及形状的选择与设计 在镀锌板的点焊研究中，电极材料是一个注目的焦点，研究主要集中在现有电极与镀层之间的相互作用特点分析， 以及开发新的电极材料。国外镀锌板点焊用电极材料主要有Cu— Cr(0.8%Cr) 、Cu— Zr(0.15%Zr)、Cu— Cr— Zr ，以及含Al3O2 粒子的弥散强化铜(简称DSC)。美国有人采用铬铜上嵌钨电极头的复合电极做实验，结果证明这种电极使用寿命很长，但因钨极的导热性差，只能采用低电流的焊接规范，故难以在车体制造业推广使用［6］。也有人主张在电极表面喷涂一层高熔点材料，如钴、氧化钛、铑等，或在镀锌板间预置氧化铝粉末，以增加接触电阻，缩短焊接时间，从而提高电极寿命。国内研究大都是通过试验研究上述几种材质电极的使用性能，大量实验证明，在焊接条件不太理想的情况下，无论是价格较便宜的Cu— Cr、Cu— Zr 合金电极，还是较贵的DSC 电极，其使用情况相近，但工厂经验表明，在实际生产的某些情况下，使用DSC 20 级合金电极时，电极粘着性减小。 至于电极的形状及端面尺寸方面，圆锥台形被认为是最好。同时，文献［5］指出，在使用移动焊钳时，推荐采用端面半径为1～2in 的球面电极，但文献［7］却强调要避免使用这种球面电极。 国外研究者很早就认识到，对于镀锌钢板的点焊而言，电极寿命取决于电极头与熔化金属发生合金化反应的难易程度，一些合金电极可在5 周波（60Hz）时间内完成合金化过程，越容易发生合金化反应的电极其寿命越短。另外大量的点焊试验表明，电极在焊接过程中其表面温度比焊接普通钢板时有显著提高［8］。因此，电极的冷却十分重要，冷却水流必须充分，保证电极接近室温，这样才能将电极与镀层的合金反应减至最小，并防止因电极软化而产生的“凸起”或电极胀大。然而，冷却水流速度多大，温度多高才不至于引起电极端部过热，目前尚无结论。文献［7］推荐，对于直径为16 mm 的圆锥台形电极而言，水流速度不小于1 加仑/分，进水最高温度为32ºC。 4 工艺参数对镀锌板点焊过程和质量的影响 在目前缺乏可靠实用的检测或自适应控制手段的条件下，靠人工选择（输入）适宜的工艺参数是件特别困难的事情，因为对于最常用的恒流控制点焊机来讲，镀锌板点焊时可利用焊接电流的调节范围非常小，而且点焊质量还涉及到网压波动、设备特性、焊机(焊钳)回路、各种分流、电极磨损、电极压力波动、材料状态及特性、料厚组合、接头形式、冷却条件、作业方式等二十余种影响因素，而这些因素又相互作用，任何一种因素的波动或异常，都会导致设定焊接规范值与焊点实际获得值的差异，从而影响工艺参数的优化匹配。而对于企业生产来说，合理选择工艺参数则是控制焊点质量的最主要途径，所以这方面的研究工作极有实际意义。 有学者对镀锌钢板的点焊工艺进行了研究。上海交大的王晶等人［9］通过对比普通冷轧钢板、电镀锌钢板和二种不同锌层厚度的热镀锌钢板的点焊工艺及力学性能实验结果，分析认为，就熔核尺寸和接头强度随电流变化的规律而言，电镀锌钢板与普通钢板基本相同，呈抛物线型，而热镀锌钢板则为单调上升的对数曲线；镀锌钢板点焊时当电极压力大于2.0kN 后，电极压力的提高对减小飞溅并无明显作用；镀锌钢板接头强度随通电时间的变化规律同普通钢板基本相同，也是先明显增加而后趋于平缓或有所下降。这与宝钢研究院的阎启［10］从热镀锌板的点焊工艺实验中所得到的结论是相吻合的。 也有学者对镀锌钢板点焊时熔核形态进行了分析，从微观特征讨论了镀锌板工艺参数对点焊质量的影响。文献［11］认为，镀锌钢板点焊时的熔核结晶形态均为方向性很强的粗大柱状晶；增加或减小焊接电流对改善镀锌板点焊熔核结晶形态无明显作用，而增大电流反而会使柱状晶更粗大；增加通电时间和提高焊接压力可改善镀锌板点焊熔核结晶形态，前者作用最为明显，基本可形成等轴晶组织。但是有学者认为，即使焊接性好的普通钢板点焊时，在一般情况下也很难得到等轴晶组织［12］。而文献［13］也指出，即使优质普通钢板点焊接头，其熔核也是由“柱状+等轴”组成。所以，对于焊接性差的镀锌钢板来说，仅依靠工艺参数调整就可得到“等轴+柱状”晶或大量等轴晶组织，颇值得怀疑。而且，有人采用正交实验方法对08Al 镀锌钢板进行研究，得到的结论是焊接电流是接头强度的第一影响因素，其次才是通电时间［14］，这与普通钢板的点焊特性是一致的，但却与文献［11］相矛盾。 另外，尽管国内外大多权威焊接机构都推荐了镀锌钢板的点焊规范表，但相关数据并不统一。笔者也曾在同样点焊条件下，用同种材料去验证IIW、JIW 所推荐的焊接规范，点焊效果却均不理想。而且上述一些文献从实验中所得到的最佳规范在相同焊接条件下也多不一致。 或许，对于焊接过程复杂、影响因素很多的镀锌钢板点焊来说，这些矛盾或差异在一定的实验条件下都是合理的，这也正是工艺参数人为优化选择的难点所在。目前，已有许多研究者提出集成模糊系统(Fuzzy)、专家系统(ES)和人工神经网络(ANN)的人工智能系统及其它综合系统来优化选择点焊工艺参数，有的已在实验室里获得了成功，这将推动镀锌钢板点焊工艺参数优化研究工作的深入开展，甚至从根本上解决工艺参数优化传统方法的弊端。 5 点焊质量控制方法方面的研究现状 目前汽车车体生产中，点焊质量基本上都是靠工艺实验、目视检测和破坏性试验来检查，而缺乏方便有效可靠的质量控制手段。但是，由于电阻点焊的广泛应用和质量稳定的迫切需要，点焊质量控制始终是各国学者和设备制造商们关注的重点，并做了最为广泛的研究。 现在已经提出的质量控制方法包括电参数法、热膨胀法、红外辐射法、超声波法、声发射法以及综合控制法等，其中红外线辐射线、超声波法、声发射法由于受各方面条件的限制而难以推广应用。电参数法包括恒流、动态电阻、能量积分、电极间电压法等。虽然，这些控制方法的研究已取得了许多可喜进展，但至今尚没有一种方法可以在实际生产中补偿各种因素的影响，而且还因各自的局限性，都未在生产中得到推广应用。所以十多年前就有学者指出进一步的研究应该是发展多参数综合控制。 在AWS 国际焊接博览会上，国外某公司曾展出了一种可检测点焊过程中每个焊点的多个参数(电流、电压、动态电阻、电极位移、电极压力等)的电阻焊测温器，使用效果不错［15］。西北工大用STD 工业控制微机研制的电阻焊多参数监测仪，也可实现多个参数的检测，已在试验室条件下获得了较满意的结果［16］。曹彪等人［17］则用IBM—80286 建立的点焊过程动态参数测试系统，也能可靠地获得点焊过程的多种动态参数。这些控制方法精度虽高，但缺点是检测系统复杂，笔者认为也很难在生产中得到推广使用。 值得一提的是，逆变式电阻点焊机目前在国内汽车、电器等制造业已有推广使用之势，其工作原理是将输入的三相交流电桥式整流、滤波成直流电，再经逆变器产生中频交流电(f=600～1000Hz)，然后反馈给焊接变压器输出低电压交流电，最后经单相整流后输出脉动很小的直流电。该种控制方法原来采用脉宽调制法(PWM)，到20 世纪90 年代已趋于采用“零转换—PWM”或“零开关—PWM”变换器的方式，这样不但经济节能，而且焊接规范调节范围扩大3～4 倍［18］，这对焊接参数选择范围很小的镀锌钢板点焊来说无疑是个福音。 总体来说，点焊质量控制的发展趋势为控制模式及控制方法的综合化、过程及质量控制规律描述的数量化和控制决策的智能化。当然，任何一种控制方法要有好的市场前景，首先必须有效可靠、操作简单、成本合理。 参考文献 1 符寒光，吴建中. 汽车用镀锌钢板的现状和发展趋势. 钢铁研究. 1998，(11) ：57~60 2 Makhnenko, V.I.; Skosnyagin, Yu.A.; Romanova, I.Yu..Information support of system for designing technology of resistance spot welding .Avtomaticheskaya Svarka n 5 May 1992：3 3 Vakatov, A.V. 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文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/12/2005)