汽车用高强钢、热成形钢和镀锌钢电阻点焊工艺分析及设计原则

摘要：叙述汽车用高强度钢、热成型钢和镀锌钢的组织、力学性能及影响电阻点焊的因素，分析高强度钢、热成型钢和镀锌钢的电阻点焊工艺，明确其工艺设计原则。高强度钢焊接适用于软规格，应适当延长焊接时间，采用平端和球端电极，以达到更宽的焊接范围。镀锌钢焊接适用于强规格，应适当增大焊接电流和焊接压力，应采用球面电极，增加打磨频率，优先采用Cu-Al2O3电极。在设备方面，均推荐采用中频伺服焊接技术。

关键词：高强钢；点焊；软规范；中频伺服

前言

随着能源危机和环境问题的日益严重，节能、安全已成为汽车制造业的主要发展方向。在降低油耗、降低排放的诸多措施中，效果最明显的莫过于车身轻量化，车身重量减轻10%，可节省燃油3%~7%。为在保证车身安全性、防腐性等质量指标的同时减轻车身重量，近年来，世界各大主机厂纷纷逐步提高高强度钢、热成型钢、镀锌钢等特种钢在其轿车中的使用比例。

我公司特种钢应用也显著提升，新产品中高强钢应用比例达到60%以上，镀锌板应用比例达到30%以上。高强钢、热成型钢、镀锌钢等特种钢在车身上的大量应用给焊接技术带来了新的挑战，传统工频焊接设备难以保证焊接质量，以往的焊接工艺无法满足新产品投产的需要。本文针对特种钢焊接难的现象，分析焊接难的原因，探讨其焊接方法，为后续项目中车身特种钢的焊接提供参考。

汽车车身专用钢

2.1 高强度钢

在汽车车身用钢领域，强度是产品最重要的性能指标，一般将抗拉强度≥270MPa的钢称为高强度钢，将抗拉强度≥700MPa的钢称为超高强度钢。

高强度钢分为常规高强度钢和先进高强度钢。常规高强度钢以铁素体为主要组织，通过析出、固溶等强化方式，强度一般在600MPa以下。在常规高强度钢的基础上，引入马氏体、贝氏体等高强度相组织，利用这些高强度相的强化作用，在成分体系不发生明显改变的情况下，材料的性能得到大幅度提高。这类以相变强化为主要强化机制的高强度钢称为先进高强度钢（AHSS），强度级别可覆盖450~1700MPa，包括双相钢（DP钢）、相变诱导塑性钢（TRIP钢）和马氏体钢（M钢或Mart钢）[1]。

DP钢组织为铁素体+少量马氏体，具有高强度、高韧性、高屈强比等特点，主要应用于汽车保险杠、车门、车轮、车身纵横梁等各类安全部件。TRIP钢组织为多相组织，主要由铁素体、贝氏体、残余奥氏体和少量马氏体组成，具有高强度、高伸长率、高碰撞吸收性能，常用于汽车保险杠、底盘等防撞部件。马氏体钢组织几乎完全为板条马氏体组织，抗拉强度高（可达1600MPa），通常用于车门保险杠等成形要求不高的部件。先进高强钢组织如图1所示。

图1 先进高强度钢的显微组织

2.2 热成型钢

热成型钢技术是指将钢材加热到950℃并一次成型，然后快速冷却的工艺，从而全面提高钢材的强度，屈服强度超过1000MPa，意味着每平方厘米可承受10t以上的压力。由于热成型钢的特殊性质以及加热后成型的特点，使得普通冷冲压需要多道工序才能成型的复杂形状，在一道工序内即可完成。材料成型精度好，可消除材料回弹的影响，实现复杂形状。由于热成型钢板具有超高的强度和极高的机械安全性，主要应用于前后保险杠骨架及A柱、B柱、前包围等关键部位。在发生碰撞时，特别是正面和侧面碰撞时，可有效减少座舱变形，保护驾乘人员的安全。

2.3 镀锌钢

镀锌钢板是在钢板表面镀上一层薄而致密的锌金属层，以防止钢板腐蚀，从而延长钢板的使用寿命。根据镀锌钢板的生产工艺和深加工方法的不同，镀锌钢板主要分为热镀锌钢板和电镀锌钢板。目前，汽车上普遍采用热镀锌钢板，根据涂装方式不同，又可分为纯锌镀层（GI）和锌铁合金镀层（GA）。镀锌钢板因其成型性能和防腐性能优良，主要用于侧围、翼子板、车门外饰等外部覆盖件，提高车身的耐腐蚀性能。

汽车车身专用钢焊接工艺研究

3.1电阻焊及影响焊接质量的因素

（1）电阻焊电阻焊又称接触焊，属于压力焊范畴，是利用电阻热作为能源的一类焊接方法。电阻焊是将工件置于一定的电极压力之下，利用电流通过工件时产生的电阻热，使两工件之间的接触面熔化，从而实现连接的焊接方法。电阻焊一般包括点焊、缝焊、凸焊和对焊。

电阻焊时电流产生的热量可以用以下公式计算：

其中Q是电极之间产生的热量（J）；

I——焊接电流（A）；

R——电阻（Ω）；

t——焊接时间（s）。

焊接质量可通过控制参数I、R、t来实现，其中I和t可由焊接控制器设定；R主要由板材本身的材料性质和施加的压力决定，可表示为R=R1（材料电阻）+R2（工件接触电阻）。材料确定后，R1保持不变，R2与接触压力的关系可表示为：

式中KC是与接触材料、表面状况、接触方式有关的系数，通常通过实验获得；

F——接触压力（N）；

m为与接触形式有关的系数，对于点接触，线接触，面接触分别为0.5，0.7，1。

可以得出实际工件电阻焊过程中产生的热量计算如下：

（2）影响点焊质量的因素影响点焊质量的因素主要分为材料因素、设备因素和电极因素。

1）材料因素。影响点焊质量的材料因素有母材成分、镀层种类、镀层厚度、钢板厚度等。通常，母材成分的变化可以通过将钢中各种合金元素换算成C当量来衡量。C当量越高，焊接越困难。C当量值可简单换算为Ceq=wC+wSi/30+wMn/20+2wP+4wS。C当量较小时，不需要预热（板厚过大时需预热）。C当量较大时，冷裂纹敏感性会增加，焊接时一般需预热。不同钢材的C当量值分布及断口形态如图2所示。从图2可以看出，高强度钢的C当量一般较大，且C当量随板材强度的提高而增大。 图2中C当量值在红线范围内的材料焊接质量相对较好，在撕裂试验过程中能形成扣式断裂。相反，超出该范围的材料焊接困难，一般呈现界面断裂，且难以形成扣式断裂。

图2 不同钢种C当量值分布及断裂形态

镀层种类及厚度影响点焊质量。钢板上添加镀层将使焊接变得困难，焊接窗口变窄，需要更大的电流。与锌铁合金镀层（GA）相比，纯锌镀层（GI）需要的焊接电流较大，但焊接窗口略宽。在其他因素不变的情况下，镀层越厚，焊接窗口越窄。镀层变化对其焊接性能的影响如图3所示。

图3 涂层变化对焊接性能的影响

2）设备因素。影响点焊质量的设备因素主要指焊机和焊钳。焊机一般有中频直流和工频交流。前者三相平衡输入，直流输出，参数稳定，频率可达1000Hz，响应速度1ms，二次电流输出能力强，波形平直，熔核尺寸稳定范围宽，几乎无飞溅，且焊接初期电流自然增加，焊缝表面质量好。焊钳一般有气动焊钳和伺服焊钳。气动焊钳的电极压力由气缸驱动，无法精确控制和保证；伺服焊钳采用伺服电机驱动电极，这样可以精确控制电极压力，实现软接触，消除冲击变形，提高焊接质量[2]。 中频直流、工频交流、气动、伺服焊接技术对比如图4所示。研究表明，中频焊机+伺服焊钳能有效解决高强钢焊接难题，提高焊接质量，扩大可焊性范围，减少电极头磨损。随着轻量化高强钢在车身的应用越来越广泛，伺服焊枪、中频直流焊机必然会取代传统的气动焊枪和工频交流焊机，成为车身生产线上的主要焊接设备[2]。

图4 技术比较

3）电极因素。影响点焊质量的电极因素主要有电极材料、电极端面形状等，实际焊接过程还与电极表面的清洁度、对口度有关。常用的点焊电极材料分为三类，第I类为电阻率较高、硬度中等的铜及铜合金，如纯铜、锆铌铜等，适用于制作铝及铝合金的电极，也可用于镀层钢板的点焊，但性能不如第II类。第II类的导电率比第I类高，硬度也比第I类高，如铬铜、铬锆铜等，是最常见的电极材料，广泛用于低碳钢、低合金钢、不锈钢及镀层钢的点焊；第III类为电阻率比第I类和第II类低、硬度比第II类高的铜合金，如铍钴铜等。 适用于不锈钢、高温合金等电阻率大、高温强度高的材料的点焊。另外，氧化铝弥散强化铜电极（Cu-Al2O3）是一种新型的高强度电极材料，可大大减少电极的蘑菇形变形，用于镀锌钢、普通碳钢的点焊，电极寿命可达Ⅱ类电极的4～10倍，但成本较高。

3.2 高强钢焊接技术研究

（1）高强钢的焊接难点高强钢的显著特点是强度高、C当量大，与普通钢相比，其焊接主要存在以下几点困难。

1）高强钢的焊接窗口比低碳钢的焊接窗口窄，图5为相同板厚的普通钢与高强钢的焊接窗口对比。

图5 普通钢与高强钢焊接窗口

2）高强钢的强度较高，要求电极压力较大，选择焊钳时应保证最大输出压力。

3）高强钢成型后回弹较大，回弹引起的装配间隙将对点焊产生很大的负面影响，调试过程中需要重点关注板材的搭接情况。

4）随着母材强度的提高，焊点强度也增大，界面断裂的趋势也增大。焊点形成纽扣状较困难，但即使界面断裂，仍具有良好的承载能力。

5）高强钢焊接区硬度较高，但在1000MPa以上可能出现热影响区软化现象。

对于高强钢焊接，随着钢强度的提高，母材、热影响区、焊核的硬度和强度都呈现整体上升的趋势。当强度超过一定值后，热影响区的硬度趋于低于母材，热影响区出现软化现象，如图6所示。

图6 高强钢热影响区软化现象

（2）高强钢焊接性能分析试验时以DP1180高强钢为例，分析其焊接性能。根据DP1180的成分及前文所述的配方，其Ceq较高，且位于图2中窗口处的界面断裂区域，不易形成纽扣状。图7为单脉冲焊接工艺形成的组织，焊接电流为4.8kA，焊接时间为360ms，电极压力为4kN，电极为球形。可以看出，板材表面压痕较深，熔芯位置钢板间间隙较大，焊接过程中存在明显的裂纹，且裂纹穿透塑性环深入到熔芯内部，易发生界面断裂。

图7 单脉冲焊接过程的显微组织

采用多脉冲焊接工艺，研究了不同回火电流、回火时间、电极形式下的焊接质量及焊接窗口，获得的组织如图8所示。从图8可以看出，采用多脉冲焊接工艺与单脉冲相比焊接裂纹有明显改善，但并未消除，且随着回火电流的增大和回火时间的增加，焊接裂纹有所改善，但效果不明显。采用扁平电极代替球形电极，可明显提高焊接质量，焊接裂纹消失，无焊接压痕。球形电极和扁平电极的焊接窗口如图9所示。从图9可以看出，采用扁平电极或带端面的球形电极，焊接窗口由1.0kA提高到2.8kA。

图8 多脉冲焊接工艺下不同回火电流、回火时间和电极形式的组织

图9 球形电极与平板电极焊接窗口

（3）高强钢焊接措施综合考虑高强钢的特点、焊接难点及相关分析，相对于软钢，高强钢点焊工艺制定的原则为：高强钢适宜小参数焊接；增加焊接时间、采用多脉冲，根据材料屈服强度提高电极压力20%以上；增大电极工作面直径，改变电极类型，采用带端面的球形电极或扁平电极进行焊接。考虑到高强钢实际焊接特点，特别是当Ceq高到一定程度时，容易形成界面端面，不易形成钮扣，但在这种情况下，仍然具有良好的焊接强度。可以考虑调整点焊质量标准，接受熔核直径的减小，不以钮扣作为评价标准。

3.3热成型钢焊接工艺研究

热成型钢是高强度钢的一种，强度较高，一般强度>1000MPa。热成型钢具有以下特点。

1）热成型型钢点焊热影响区有明显软化现象。焊接热成型型钢时，应留有足够的焊缝余量，焊缝芯到零件边缘应保持足够的距离，否则零件在受到外力作用时，容易从热影响区处开裂；在保证接头强度的前提下，采用尽可能小的热输入，减小热影响区的宽度。

2）热成型钢点焊前必须清除热冲压过程中形成的氧化皮，否则将严重影响焊接质量。

3)热成型钢强度很高，需要较大的焊接压力。

3.4 镀锌钢焊接工艺研究

（1）镀锌钢的焊接困难镀锌钢最显著的特点是在钢板表面增加了一层锌镀层，与普通钢材相比，它的焊接主要有以下几个困难。

1）需增大焊接电流：点焊时，锌层首先熔化，降低接触电阻；首先，熔融的镀层在电极压力作用下被挤出焊接区，在熔融芯区外侧形成锌环，增大焊接区接触面积，降低流过焊接区的电流密度。

2）需增大电极压力：为了将熔锌快速挤出焊接区，并使基材有效接触，压力一般比冷板焊接提高20%~25%。

3）增加电极修磨频率：锌层容易造成电极与枪及合金的粘连，造成接触电阻大、电极发热、电极端部形状不良等，因此需增加修磨频率。

4）加强电极冷却：锌粘连导致接触电阻大，电极发热，必须降低电极温度，减少电极变形。

5）焊接窗口变窄：形成熔芯所需电流增大，且比冷轧钢更容易产生飞溅，导致焊接窗口比冷轧钢窄。镀锌钢焊条头部表面锌附着量与镀锌钢焊接窗口如图10所示。由图10可知，镀锌钢的焊接窗口比普通钢缩小了一半以上[3]。

图10：镀锌钢焊条头表面及镀锌板焊接窗口的锌附着量

（2）镀锌钢焊接性能分析

1）电极压力对镀锌板焊接的影响。选用厚度0.7mm、电弧电极的DC56+ZF镀锌板，研究其焊接窗口。经过试验验证发现，随着电极压力的增加，焊接电流的范围增大。同时由于电极压力的增加，焊接区接触面积增大，电流密度下降，所需的最小焊接电流增大，如图11所示。另外，当电极压力增大时，焊芯直径变大，可以减少缩孔，但同时压力的增加会导致电极磨损加速。同时，电极压力的增加也受到焊钳和电极强度的限制。因此，应合理选择镀锌钢焊接所需的压力，并适当增加焊接电流。

图11 电极压力对镀锌钢焊接趋势的影响

2)焊条类型对镀锌钢焊接的影响。焊条对镀锌钢焊接的影响从焊条头端面形状、材质两个方面进行分析。

首先选用厚度为0.8mm的DC53D+Z镀锌板，分别用球形电极和扁平电极进行焊接（见表1）。如图12所示，球形电极焊接电流为8.4～11.1kA，扁平电极焊接电流为12～12.9kA。球形电极焊接窗口较大，焊接电流最小。

图12 球形电极与扁平电极镀锌钢焊接窗口

表1 不同焊条形状的焊接参数

其次，选用DP800镀锌钢，板厚1.5mm，焊接压力3.6kN。分别采用CrZrCu和Cu-Al2O3电极（见表2）进行焊接，研究焊接窗口，如图13所示。从图13可以看出，CrZrCu电极的焊接窗口宽度为1.3kA，Cu-Al2O3电极的焊接窗口宽度为2.9kA。可以得出结论，使用Cu-Al2O3电极可以明显提高焊接范围。同时，Cu-Al2O3电极可以明显改善焊接过程中电极粘枪现象，提高电极的使用寿命。

表2 铬锆铜及氧化铝弥散强化铜焊条焊接电流

图13 铬锆铜及氧化铝弥散强化铜电极的焊接窗口

（3）镀锌钢焊接措施根据镀锌钢的特点、焊接难点及相关分析，镀锌钢板相对于普通钢板的点焊工艺原则为：点焊镀锌钢时，电流应比未涂装钢板增大20%～30%，电极压力增大20%，预压时间增加10%，选用多脉冲焊接工艺及电弧面电极。若不考虑成本，可采用弥散强化，增加电极修磨频率，增强电极冷却能力。对于连续生产，可选用具有焊接电流步进递增功能的焊接电源控制器。

结论

本文针对高强钢、热成型钢及镀锌钢的材料特性及焊接难点，研究其焊接特点，提出焊接工艺制定的原则和措施，为后续工程中特种钢材的应用提供指导。

综上所述，特殊钢焊接的质量保证需要从工艺角度考虑以下几个方面。

1）工艺参数。优先采用多脉冲焊接工艺，选择合适的工艺参数。小参数时适用于高强钢焊接，应适当增加焊接时间，特别是强度超过800MPa时；大参数时适用于镀锌钢焊接，焊接电流应比无涂层钢板提高20%～30%；高强钢与镀锌钢焊接时，应根据材料强度、涂层厚度增加电极压力20%以上。

2）电极类型。高强度钢适合用平板电极或带端面的球形电极，这样可以保证板材的贴合度，改善焊接压痕和焊核裂纹；镀锌钢适合用球形电极，这样可以很快地将板材表面的锌层挤出，焊接窗口比平板电极或带端面的球形电极宽。同时应增加修磨频率，以保证电极的表面质量。必要时可选用氧化铝弥散强化铜电极（Cu-Al2O3）进行焊接。

3）焊接设备：优选中频焊机+伺服焊钳，可稳定输出焊接电流和压力，保证异型钢的焊接质量。

参考：

[1] 孙浩然, 苗铁岭. 汽车用传统高强度钢与先进高强度钢[J]. 金属世界, 2010(6): 24-27。

[2]吴青云,魏庆锋,周静,等.中频直流伺服焊接技术的优势[J].现代零部件,2012(3):40-43。

[3]周静,杜昆.汽车镀锌板点焊工艺规范研究[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2007(S1):132-135.20221206