楊洪剛

(上海電機(jī)學(xué)院汽車學(xué)院，上海 200245)

隨著汽車輕量化進(jìn)程的日益推進(jìn)，高強(qiáng)度鋼和管件液壓成形技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)與制造中的比例不斷增大，被廣泛應(yīng)用于汽車車身、底盤、懸架和轉(zhuǎn)向等零部件上［1］。采用高強(qiáng)鋼液壓成形管不僅可以有效降低汽車重量，還能顯著提高汽車零部件整合和安全性能。

由于缺少連接法蘭，制造過(guò)程中液壓成形管與其他零部件的連接只能采用單面焊接方法，目前較普遍的工藝是管板單面電阻點(diǎn)焊工藝［2－4］。然而，由于液壓成形管特殊的結(jié)構(gòu)形式，焊接過(guò)程中往往產(chǎn)生焊接變形。當(dāng)焊接變形較大時(shí)，焊接工件表面會(huì)出現(xiàn)微裂紋，影響焊接質(zhì)量。而且，高強(qiáng)鋼材料焊接性能的特殊性和復(fù)雜性進(jìn)一步降低了焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性。因此針對(duì)高強(qiáng)鋼管板單面電阻點(diǎn)焊工藝，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，揭示了焊接工藝和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)焊接變形與拉剪強(qiáng)度的影響規(guī)律，為焊接質(zhì)量的監(jiān)控方法研究提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)所用焊接設(shè)備為FANUC公司生產(chǎn)的AC型伺服焊槍，并將其集成在6自由度機(jī)器人上，以實(shí)現(xiàn)焊接位置的精確定位。焊接控制器為日本小原公司的T25型控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)焊接過(guò)程的自動(dòng)控制。

為了分析焊接變形過(guò)程并提取變形量，采用OMLON非接觸式激光位移傳感器，實(shí)時(shí)采集焊接過(guò)程中的電極位移信號(hào)，經(jīng)濾波整流后存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)。電極位移傳感器測(cè)量精度為0.25 μm，響應(yīng)時(shí)間為0.3 ms。

拉剪強(qiáng)度是評(píng)價(jià)焊接質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，焊接試樣的拉剪強(qiáng)度由KDW－20型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)管材和板材均為熱鍍鋅雙向鋼DP600，板材厚度1.0 mm，管材厚度1.4 mm。為了簡(jiǎn)化管材制備和夾具設(shè)計(jì)，管材采用半圓形結(jié)構(gòu)形式，半徑分別為15 mm、25 mm和35 mm，試樣寬度均為38 mm。電極采用球面平頭銅電極，端面直徑5 mm。焊接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 熔核形態(tài)分析

在管板單面電阻點(diǎn)焊過(guò)程中，由于管的內(nèi)部缺乏有效支撐，在電極壓力作用下，管板容易出現(xiàn)焊接變形，使得熔核形態(tài)不再是傳統(tǒng)的紐扣型。管板間初始接觸狀態(tài)為線接觸，隨著焊接變形的增大，接觸狀態(tài)逐漸演變成為環(huán)狀接觸，從而生成環(huán)狀熔核。而且，由于整體結(jié)構(gòu)并非軸對(duì)稱，管板縱、橫截面上的焊接變形量不一致，導(dǎo)致生成的熔核還有一定橢圓度。在管板縱截面上熔核長(zhǎng)度較長(zhǎng)，而管板橫截面上熔核寬度較小。

2.2 焊接電流對(duì)焊接質(zhì)量的影響分析

焊接電流是影響焊接熱量的主要因素，其大小對(duì)焊接質(zhì)量起著決定性的作用。在管板單面點(diǎn)焊過(guò)程中，焊接電流與焊接變形和拉剪強(qiáng)度的關(guān)系如圖2所示。其中，電極壓力和焊接時(shí)間分別固定為2.4 kN和13周波。

隨著焊接電流的升高，焊接熱量逐漸增多，使得焊接變形量基本上呈線性增大。然而，拉剪強(qiáng)度并未隨焊接電流的遞增而線性增強(qiáng)。當(dāng)焊接電流超過(guò)一定數(shù)值后，拉剪強(qiáng)度卻有所下降。其原因主要是由于輸入能量增多，熔核產(chǎn)生的熱膨脹力較大，容易發(fā)生飛濺，從而降低接頭的拉剪強(qiáng)度。而且隨著焊接熱量的增多，材料軟化程度迅速上升，焊接變形進(jìn)一步加大，使得熔核形態(tài)發(fā)生變化，從而對(duì)焊點(diǎn)拉剪強(qiáng)度造成一定的影響。

2.3 電極壓力對(duì)焊接質(zhì)量的影響分析

電極壓力影響點(diǎn)焊接觸電阻和焊件內(nèi)部電阻，即影響熱源的強(qiáng)度與分布，同時(shí)影響電極散熱的效果和焊接區(qū)的塑性變形，因此電極壓力對(duì)焊接質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響［5］。在管板單面點(diǎn)焊過(guò)程中電極壓力與焊接變形和拉剪強(qiáng)度的關(guān)系如圖3所示，其中焊接電流和時(shí)間分別固定為12 kA和13周波。

由于管材是中空的，整體結(jié)構(gòu)剛度較低，當(dāng)輸入焊接能量相同時(shí)，電極壓力越大，則管材自身的彎曲和焊點(diǎn)壓痕均相應(yīng)增大，因此變形量隨著電極壓力的增大而線性增大。

隨著電極壓力的增大，拉剪強(qiáng)度發(fā)生了明顯的變化。當(dāng)電極壓力較小時(shí)，不能有效地抵抗液態(tài)熔核產(chǎn)生的熱膨脹力，容易發(fā)生飛濺，使得焊點(diǎn)的拉剪強(qiáng)度較低。當(dāng)電極壓力較大時(shí)，大大降低了管板結(jié)合面間的接觸電阻，使得焊接能量減少。而且，管板產(chǎn)生較大的塑性變形，影響了熔核形態(tài)，導(dǎo)致拉剪強(qiáng)度迅速降低。

2.4 管材半徑對(duì)焊接質(zhì)量的影響分析

在不同管材半徑下，管板單面點(diǎn)焊接頭拉剪強(qiáng)度的變化規(guī)律如圖4所示。在相同的焊接工藝參數(shù)下，由于管材半徑不同，導(dǎo)致管板間接觸電阻存在差異，使得管材半徑對(duì)拉剪強(qiáng)度的影響較大。而且，隨著管材半徑的減小，焊點(diǎn)表面更容易出現(xiàn)微裂紋。

2.5 電極錯(cuò)位對(duì)焊接質(zhì)量的影響分析

由于管材具有一定弧度，在與板材接觸初期，管板間為線接觸。當(dāng)電極錯(cuò)位，即電極的中心軸線與管板的接觸線不對(duì)中時(shí)，將對(duì)焊接質(zhì)量產(chǎn)生影響。不同電極錯(cuò)位距離下接頭拉剪強(qiáng)度的變化規(guī)律如圖5所示。

由圖可見，隨著電極錯(cuò)位距離的增加，拉剪強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，而且當(dāng)錯(cuò)位距離超過(guò)3 mm時(shí)，拉剪強(qiáng)度迅速降低。電極錯(cuò)位5 mm時(shí)的焊接接頭宏觀形貌如圖6所示。當(dāng)電極錯(cuò)位達(dá)到5 mm時(shí)，已無(wú)法形成合格熔核，而且由于焊接變形較大，焊點(diǎn)表面產(chǎn)生了微裂紋。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)由于管板單面電阻點(diǎn)焊特殊的結(jié)構(gòu)形式，焊接過(guò)程中往往產(chǎn)生焊接變形，使得管板間接觸狀態(tài)發(fā)生變化，最終生成環(huán)狀熔核。

(2)焊接電流和電極壓力均對(duì)焊接質(zhì)量產(chǎn)生重要影響，焊接變形呈現(xiàn)線性增大的趨勢(shì);而當(dāng)焊接電流和電極壓力超過(guò)一定數(shù)值后，拉剪強(qiáng)度則有所下降。

(3)由于接觸電阻不同，管材半徑對(duì)焊接質(zhì)量產(chǎn)生較大影響。當(dāng)管材半徑減小時(shí)，塑性變形增大，使得接頭表面更容易出現(xiàn)焊接裂紋。

(4)為了保證焊接質(zhì)量，電極軸線應(yīng)與管板接觸線對(duì)中。當(dāng)電極錯(cuò)位超過(guò)3 mm時(shí)，接頭拉剪強(qiáng)度迅速降低。

［1］駱銳，王艷，吳沁.汽車輕量化前沿制造技術(shù)的研究進(jìn)展［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2010(10):142－145.

［2］Poss MG，Lendway IV.Closed tubular automobile parts demand innovative welding methods［J］.Welding Journal，1997，76(10):55s－58s.

［3］Yang H G.，Hu S J，Zhang Y S，et al.Experimental study of single －sided sheet－ to － tube resistance spot welding［J］，Science and Technology of Welding＆ Joining，2007(12):530－535.

［4］楊洪剛，張延松，來(lái)新民，等.伺服焊槍在板管單面電阻點(diǎn)焊中的應(yīng)用［J］.焊接學(xué)報(bào)，2007，28(9):71－74.

［5］中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì)電阻焊(Ш)專業(yè)委員會(huì).電阻焊理論與實(shí)踐［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1994.