靜音鋼板CO2氣體保護(hù)焊接工藝

王 剛，王 光，李 賀，魏元生，靳玉濤

（長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定071000）

靜音鋼板CO2氣體保護(hù)焊接工藝

王 剛，王 光，李 賀，魏元生，靳玉濤

（長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定071000）

以靜音鋼板為研究對(duì)象，基于實(shí)車裝配需求對(duì)靜音鋼板的CO2氣體保護(hù)焊接工藝進(jìn)行研究和改善。通過對(duì)不同組合焊接試樣接頭拉伸強(qiáng)度及硬度和組織的檢測(cè)，進(jìn)行預(yù)加焊點(diǎn)新工藝的可行性驗(yàn)證，對(duì)比分析焊接工藝改進(jìn)前后接頭強(qiáng)度及斷裂模式的差異。結(jié)果表明，靜音鋼板的結(jié)構(gòu)特性是導(dǎo)致可焊性差和接頭強(qiáng)度穩(wěn)定性差的主要原因；通過對(duì)靜音鋼板預(yù)加焊點(diǎn)新工藝的對(duì)策驗(yàn)證，有效提升了靜音鋼板CO2氣體保護(hù)焊的有效性，改善了靜音鋼板底層焊接性能不良的問題，減少了接頭焊接不良問題發(fā)生概率。

靜音鋼板；CO2氣體保護(hù)焊接；拉伸試驗(yàn)；新工藝；可行性分析

0 前言

靜音鋼板為具有“三明治”結(jié)構(gòu)的復(fù)合鋼板，它由兩塊高強(qiáng)度面板和粘彈性中間阻尼層構(gòu)成，中間阻尼層厚度25～50 μm。靜音鋼板有效集成了金屬材料的加工成形特性[1-4]和高分子材料的阻尼特性，是振動(dòng)、噪聲場(chǎng)合替代金屬材料的理想環(huán)保產(chǎn)品[3-8]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 靜音鋼板結(jié)構(gòu)示意

靜音鋼板的多功能兼容性使其在飛機(jī)、鐵路、汽車行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景[2，9]。汽車行業(yè)輕量化及安全/環(huán)保等高新技術(shù)的發(fā)展，在提高汽車動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，也帶來(lái)了車身振動(dòng)增加和車內(nèi)噪聲等級(jí)特別是低頻結(jié)構(gòu)噪聲增高的劣勢(shì)。靜音鋼板作為實(shí)現(xiàn)零件高性能和系統(tǒng)減重的新材料，其車身零件的應(yīng)用對(duì)提升車身舒適性和輕量化水平具有重要的應(yīng)用價(jià)值和前景。因此針對(duì)靜音鋼板的應(yīng)用分析和技術(shù)預(yù)研，對(duì)于助推其在汽車行業(yè)的應(yīng)用具有顯著的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

1 靜音鋼板焊接工藝及驗(yàn)證

靜音鋼板的車身目標(biāo)應(yīng)用零件（如前圍板和輪罩等）一般需進(jìn)行焊裝工藝加工。針對(duì)靜音鋼板的主要焊接工藝——電阻點(diǎn)焊，國(guó)內(nèi)主要OEM也進(jìn)行了相關(guān)研究。金泉軍對(duì)靜音鋼板的電阻點(diǎn)焊性能研究得出，靜音鋼板可焊性良好，且接頭強(qiáng)度強(qiáng)韌性良好，通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)對(duì)點(diǎn)焊工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化[10]。但車身零件除應(yīng)用點(diǎn)焊外，還往往通過簡(jiǎn)單有效的CO2氣體保護(hù)焊接（簡(jiǎn)稱二保焊）進(jìn)行局部加強(qiáng)。因此基于前期研究?jī)?nèi)容和車身裝配的實(shí)際工藝，以某廠家靜音鋼板為研究對(duì)象，以新工藝技術(shù)可行性為驗(yàn)證目的，通過焊接試樣的拉伸試驗(yàn)及接頭硬度和組織分析，開展靜音鋼板二保焊的工藝分析及新對(duì)策的驗(yàn)證，為完善靜音鋼板焊接技術(shù)和促進(jìn)其應(yīng)用和推廣進(jìn)行技術(shù)預(yù)研。

1.1 靜音鋼板焊接試樣材料信息

靜音鋼板焊接試樣規(guī)格見表1，其中靜音鋼板厚度為基板厚度。靜音鋼板厚度由兩層基板與中間阻尼層厚度構(gòu)成，阻尼層厚度0.025～0.05 mm。

與表1對(duì)應(yīng)的材料性能指標(biāo)如表2所示，其中4＃為同牌號(hào)鋼板標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 焊接試樣規(guī)格信息

表2 焊接材料機(jī)械性能指標(biāo)

1.2 靜音鋼板焊接工藝驗(yàn)證

本次試驗(yàn)靜音鋼板焊接試樣接頭形式為對(duì)接，通過二保焊焊接工藝分析，排查主要工藝問題和提出改善方法。通過對(duì)比新工藝（預(yù)加焊點(diǎn)+二保焊）與傳統(tǒng)工藝，分析新工藝的可行性和對(duì)焊接試樣變形特性的影響，評(píng)價(jià)有無(wú)焊點(diǎn)及其間距大小對(duì)焊接強(qiáng)度和斷裂模式的影響，并進(jìn)行失效機(jī)理分析。焊接試樣制備在長(zhǎng)城汽車試制部進(jìn)行，電焊設(shè)備采用自適應(yīng)移動(dòng)式電焊機(jī)，焊接電流8.5 kA，電流增量20％。為保證二保焊焊接接頭質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性，減少熱變形對(duì)薄板試樣的影響，采用分段式對(duì)稱焊接，且每段焊道長(zhǎng)度大于24 mm（焊接檢測(cè)試樣平行部分寬度為12 mm）。靜音鋼板二保焊試樣如圖2所示，圖2b中L為焊點(diǎn)中心的平均間距；預(yù)加點(diǎn)焊后靜音鋼板實(shí)物如圖3所示。

圖2 靜音鋼板焊接工藝示意

圖3 預(yù)加點(diǎn)焊后靜音鋼板

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

焊接完成后以滿足實(shí)際工藝品質(zhì)為目的，對(duì)焊接外觀質(zhì)量進(jìn)行目測(cè)評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化。焊接試樣的拉伸檢測(cè)結(jié)果如表3所示，焊縫強(qiáng)韌性評(píng)價(jià)指標(biāo)為最大載荷與斷裂位置。表3中“單層焊縫斷裂#”形式為試樣先在靜音鋼板底層基板焊縫處斷裂，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，試樣上層單獨(dú)塑性變形直至斷裂。通過不同搭配組合及不同材料規(guī)格試驗(yàn)設(shè)定檢測(cè)，分析傳統(tǒng)二保焊工藝對(duì)靜音鋼板的適應(yīng)性及存在的主要問題；然后開展預(yù)加焊點(diǎn)新工藝可行性驗(yàn)證，闡述產(chǎn)生單層焊縫斷裂的機(jī)理和預(yù)加焊點(diǎn)的功效，總結(jié)靜音鋼板二保焊的關(guān)鍵影響因素。本次試驗(yàn)在長(zhǎng)城汽車股份有限公司試驗(yàn)中心機(jī)械性能室進(jìn)行，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為《GB/T 228.1-2010-金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》。

表3 靜音鋼板焊接驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

2.2 拉伸實(shí)驗(yàn)分析

2.2.1 未預(yù)加焊點(diǎn)接頭的強(qiáng)韌性分析

根據(jù)表3的試驗(yàn)結(jié)果選取典型試樣進(jìn)行變形規(guī)律特征分析，3＃試樣的載荷-位移曲線如圖4所示，試樣未預(yù)加焊點(diǎn)。由圖4可知，試樣在加載過程中主要經(jīng)歷彈性變形、塑性變形階段直至斷裂，其最大載荷3.005 kN，斷裂位移約為30 mm，如1號(hào)、2號(hào)曲線；但3號(hào)、4號(hào)試樣在塑性變形階段，加載位移約為18 mm、12 mm時(shí)，載荷呈腰斬式臺(tái)階狀急劇下降，然后隨著位移的增大，載荷緩慢下降直至斷裂，最終斷裂位移約為20 mm。結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象可知，1號(hào)、2號(hào)試樣斷裂處為母材，3號(hào)、4號(hào)試樣隨著位移的增大試樣發(fā)生變形，當(dāng)載荷達(dá)2.84 kN時(shí)，靜音鋼板底層焊縫發(fā)生斷裂，試樣載荷-位移曲線發(fā)生腰斬式下降，此時(shí)的載荷為試樣最大承受載荷；然后隨著位移的增大，試樣上層單獨(dú)承載直至斷裂，斷裂位置為靜音鋼板上層基板母材處。通過對(duì)比1號(hào)、2號(hào)兩條曲線可知，單層焊縫斷裂的發(fā)生及載荷的大小受底層焊縫實(shí)際焊接質(zhì)量的影響。

針對(duì)相同試驗(yàn)現(xiàn)象，選取6＃試樣進(jìn)行分析，其載荷-位移曲線如圖5所示。雖然靜音鋼板厚度不同，但由曲線的變化規(guī)律可知3＃與6＃試樣變形機(jī)理基本相同；差異在于底層焊縫斷裂所處的曲線變形階段，3＃試樣單層焊縫斷裂處于塑性變形階段，6＃試樣1號(hào)、4號(hào)底層焊縫則于試樣彈性變形階段即發(fā)生斷裂，因此導(dǎo)致其最大載荷為2.167 kN，約為焊接質(zhì)量良好的試樣最大載荷4.284 kN的50％。

圖4 3＃試樣載荷-位移曲線

圖5 6＃試樣載荷-位移曲線

由圖5中發(fā)生斷裂的1號(hào)、4號(hào)兩條曲線的變化規(guī)律可知，4號(hào)曲線的上層焊接斷裂位移約為30mm，與未發(fā)生單層斷裂的試樣斷裂位移相當(dāng)。1號(hào)曲線斷裂位移接近20 mm；對(duì)比圖4中3號(hào)、4號(hào)曲線的斷裂位移約為20 mm可知，試樣最終斷裂位移受靜音鋼板厚度（單層基板厚度）和焊接質(zhì)量綜合影響。

2.2.2 預(yù)加焊點(diǎn)對(duì)接頭強(qiáng)韌性的影響

由5＃試樣檢測(cè)結(jié)果可知，經(jīng)二保焊新工藝改善后，靜音鋼板接頭強(qiáng)韌性穩(wěn)定，無(wú)焊接接頭低強(qiáng)度問題產(chǎn)生，焊接有效性提高。選取5＃和6＃典型試樣對(duì)比分析，其載荷-位移曲線如圖6所示。兩種試樣載荷-位移曲線相同，最大載荷分別為4.307 kN和4.284 kN，且試樣斷裂位置均為母材，因此在實(shí)現(xiàn)焊接良好的前提下，是否預(yù)加焊點(diǎn)對(duì)焊縫強(qiáng)度無(wú)影響。

圖6 有無(wú)預(yù)加焊點(diǎn)試樣載荷-位移曲線

通過對(duì)比表3試驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合上述分析可得，預(yù)加焊點(diǎn)可有效地降低靜音鋼板二保焊焊接質(zhì)量問題，提高焊接有效性，對(duì)接頭強(qiáng)度值無(wú)影響；同時(shí)焊點(diǎn)間的平均間距僅對(duì)焊接工藝參數(shù)有影響，對(duì)接頭強(qiáng)度無(wú)增強(qiáng)作用。由于受焊接設(shè)備和試驗(yàn)次數(shù)等條件的影響，本研究未進(jìn)行焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化分析，后期根據(jù)生產(chǎn)需求開展大樣本線上工藝參數(shù)的優(yōu)化驗(yàn)證。

2.2.3 焊接接頭可焊性分析

通過拉伸試驗(yàn)結(jié)果分析可得靜音鋼板CO2氣體保護(hù)焊接接頭的強(qiáng)度和變化規(guī)律。由表3數(shù)據(jù)可得，3＃試樣和6＃未預(yù)加焊點(diǎn)試樣底層焊縫斷裂概率分別為50％和40％，本節(jié)將針對(duì)靜音鋼板不同搭配組合和不同規(guī)格焊接影響因素及新工藝的機(jī)理進(jìn)行分析。圖7a為未預(yù)加焊點(diǎn)的SS+QS焊接接頭示意圖，圖7b為預(yù)加焊點(diǎn)的SS+QS焊接接頭示意圖。結(jié)合靜音鋼板的結(jié)構(gòu)特征可知，未預(yù)加焊點(diǎn)的靜音鋼板在焊接開始階段，上層基板受熱與普通鋼板形成熔池，底層基板因中間阻尼層的隔熱作用受熱較少；隨著熱量輸入的增加，上下兩層基板熔化形成熔核，但阻尼層碳化后的雜質(zhì)與缺陷易于在熔池結(jié)合面聚集[10]，在熔核底部形成堆積，導(dǎo)致焊縫缺陷多且不連續(xù)，影響焊接接頭的強(qiáng)韌特性，如圖8a所示。預(yù)加焊點(diǎn)后，中間阻尼層在焊點(diǎn)形成過程中被擠出，焊點(diǎn)部位雜質(zhì)較少且實(shí)現(xiàn)了兩層基板的聯(lián)通，減少了二保焊過程中雜質(zhì)和缺陷在熔池底部堆積概率，改善了焊接接頭的力學(xué)性能，提高了焊接工藝穩(wěn)定性和一致性，如圖8b所示。這就是2＃/3＃試樣和5＃/6＃試樣在不同焊接工藝條件下出現(xiàn)不同拉伸斷裂模式的原因。

圖7 SS+QS焊接接頭模型

圖8 SS+QS拉伸斷裂接頭形貌

2.3 焊縫硬度及金相組織分析

結(jié)合拉伸試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果選取存在質(zhì)量問題的試樣進(jìn)行硬度和金相組織的對(duì)比分析，2＃試樣檢測(cè)結(jié)果如表4所示。試驗(yàn)依據(jù)《GB/T13298-91金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》和《GB/T4340.1-2009金屬材料維式硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法》等工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

表4 2＃試樣的硬度和金相檢測(cè)結(jié)果

2＃試樣的金相組織照片如圖9所示，與母材相比，熱影響區(qū)晶粒明顯增大，引起組織性能變脆，但伴隨焊接后熱影響區(qū)空冷少量滲碳體的析出，熱影響區(qū)硬度略有增加，焊縫熔核區(qū)珠光體的產(chǎn)生使其硬度顯著提高。通過檢測(cè)對(duì)比其他組試樣可知，試驗(yàn)結(jié)果與2＃試驗(yàn)基本相同，由此可知焊接新工藝（點(diǎn)焊預(yù)焊+CO2氣體保護(hù)焊接）對(duì)材料硬度和金相組織無(wú)特殊影響。

圖9 2＃試樣的金相組織照片

3 結(jié)論

（1）材料結(jié)構(gòu)特性導(dǎo)致靜音鋼板CO2氣體保護(hù)焊接工藝與普通鋼板存在差異，造成其對(duì)接接頭強(qiáng)度穩(wěn)定性差，且易出現(xiàn)接頭強(qiáng)度低的質(zhì)量問題。

（2）靜音鋼板CO2氣體保護(hù)焊接新工藝（預(yù)加焊點(diǎn)+二保焊）可顯著提高焊接接頭的有效性，在原有生產(chǎn)條件下具有現(xiàn)實(shí)可行性。

（3）在靜音鋼板底層焊縫質(zhì)量良好的前提下，預(yù)加焊點(diǎn)與否及焊點(diǎn)的平均間距大小對(duì)焊接接頭強(qiáng)度無(wú)影響。

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Welding process of CO2arc welding of quiet steel

WANG Gang，WANG Guang，LI He，WEI Yuansheng，JIN Yutao
（R&D Center of Great Wall Motor Company，Automotive Engineering Technical Center of HeBei，Baoding 071000，China）

In this paper，the CO2arc welding ability of quiet steel has been studied，based on the requirement of assembly.Through the detection of mechanical and metallographic structure in different forms，the research reveals the welding feasibility of preresistance spot welding by comparison of joint strength and fracture mode between the primary process and improved process.The results show that the structure characteristic is the main factor to induce the weakness of the welding ability and poor stability of joint strength.The strategy of pre-resistance spot welding on the quiet steel improves the availability of CO2arc welding process and reduces the probability of the occurrence of unfavorable welding.

quiet steel；CO2arc welding；tensile test；new process；feasible analysis

TG444+.73

B

1001－2303（2016）12－0075-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.12.16

獻(xiàn)

王剛，王光，李賀，等.靜音鋼板CO2氣體保護(hù)焊接工藝[J].電焊機(jī)，2016，46（12）：75-79.

2015-11-23；

2016-05-13

王剛（1983—），男，山東濱州人，碩士，工程師，主要從事車身新材料新工藝的研究工作。