双相钢电阻点焊动态电阻规律研究
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摘 要：利用数据采集系统采集双相钢电阻点焊过程中的主要焊接参数，对双相钢电阻点焊过程中动态电阻曲线进行了研究。结果表明，双相钢点焊过程中材料的微观组织变化和焊接参数的变化对焊接过程中动态电阻有重要影响，且具有一定的规律性。发生焊接喷溅时动态电阻出现突降，这为焊接喷溅的识别提供了依据。掌握焊接过程动态电阻的变化规律可以预测焊接熔核的形成过程，实现对焊点质量的监测。
关键词：动态电阻；电阻点焊；双相钢；质量监控
中图分类号：TG453.9文献标文献标识码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2014.05.07
Abstract：The welding parameters in the resistance spot welding （RSW） process of dual phase steel were collected by the data acquisition system. The results show that both the change of welding parameters and microstructure of material have important impact on the welding dynamic resistance and the impact obeys a certain regularity. A sharp drop in dynamic resistance can be used to identify the occurrence of welding spatter. So the regularity of the welding dynamic resistance can be used to forecast the process of forming the welding nugget and to monitor the quality of welding joints.
Key words：dynamic resistance； resistance spot welding； dual phase steel； quality monitoring
双相高强度钢由于将马氏体引入到高延性的铁素体中，从而使其具有低屈强比、高初始加工硬化速率、良好强度和延性的配合等优点，已成为现代汽车轻量化发展的主要车身制造用板材之一[1]。电阻点焊作为一种重要的焊接方法，其生产效率高、操作简单且易于实现自动化，广泛应用于汽车、航天航空、电子技术等部门中。电阻点焊焊接过程中，动态电阻在一定程度上反映了熔核的生长情况，与焊接质量密切相关。Dickinson等人搭建了低碳钢点焊参数采集系统，指出动态电阻与熔核的形成过程有很大的相关性，动态电阻曲线与焊接电流、电极压力和焊件材料有关[2]。李桂中等人对低碳钢点焊过程中动态电阻曲线进行了修正，得到最优动态电阻特性[3]。文静等人通过研究指出不锈钢动态电阻曲线的拐点时间及终点值分别与熔核出现时间和最终熔核尺寸有很强的相关性[4]。万晓慧等人研究了分流和翘曲变形影响下的不锈钢点焊动态电阻曲线，指出不锈钢动态电阻曲线的准稳态电阻值与熔核直径呈现近似的指数曲线变化[5]。本文针对新型双相高强度钢的电阻点焊，通过采集其焊接过程中的动态电阻曲线，研究双相钢电阻点焊过程中动态电阻的变化规律，为焊接过程质量监控提供依据。
1 动态电阻测试试验
采用YR―350SB2HGE型单相交流电阻焊机，由电流传感器、积分放大电路以及示波器组成数据采集系统获取焊接电流，通过连接在点焊机上下电极间的导线直接测量电压信号，如图1所示。为了屏蔽点焊过程中大电流带来的磁场干扰，引出导线采用双绞线形式。
试验试件为1.7 mm厚的DP600双相钢。将试件切割成120 mm×40 mm两两搭接，在其搭接中心处焊接，如图2所示。电极材料为铬锆铜，端面直径6 mm。试验过程中预压时间与保压时间均为10周波（1周波为0.02 s）。
试验中焊接电流、电极间电压的波形采用示波器输出。为了减小系统噪声以及测量过程中外界的干扰，将测得的信号采用Matlab编程降噪、滤波。滤波后的噪声基本上已经去除，满足精度要求。根据滤波后的电流与电压信号，提取电流信号的峰值I与相应时刻电压信号值U，根据欧姆定律可求得相应时刻的电阻。取峰值时刻的电流值计算电阻的目的在于消除交流电的电感。描述不同时刻的电阻值与时间的关系，便可得到双相钢点焊过程中的动态电阻曲线。
2 试验结果与讨论
2.1 双相钢电阻点焊动态电阻的变化规律
图3是焊接电流为8.5 kA，焊接时间为14周波，电极压力为3 150 N时试验测得的双相钢点焊动态电阻图。由图3可知，焊接初始由于带有氧化膜的工件表面较为粗糙，接触电阻大，随着电极压力的施加，氧化膜被压碎，工件的接触面积增大，接触电阻急剧减小，动态电阻曲线下降。当电阻值减小到一定程度后，动态电阻曲线迅速上升。这是由于焊接开始后，随着通电时间的增加，焊接区温度不断上升，双相钢中的铁素体与马氏体开始奥氏体化，而奥氏体的电阻率高于铁素体和马氏体，电阻值随之增加。动态电阻曲线达到峰值后，呈现单调下降趋势，这是由于随着工件表面的温度升高，材料软化使弹塑性变形增大，形成电极压痕，导致通电路径变短，电阻下降。当温度升高到一定值后，因受到电极的限制，熔融金属被挤向焊件之间，使焊件之间的空隙增大，导电面积的增大受到限制，故动态电阻缓慢减小并趋于稳定[6-7]。
2.2 焊接参数对动态电阻的影响
图4是电极压力为4 700 N，焊接时间为14周波，焊接电流分别为4.5 kA、6.3 kA和8.5 kA的动态电阻曲线。由图4可知，起初动态电阻值随着焊接电流的增加而减小，这是因为焊接电流越大，产生的热量越多，温度越高，在相同的电极压力作用下焊件表面的弹塑性变形越大，接触面积越大，接触电阻越小。但是在不同焊接电流的情况下，电阻值的峰值基本上是一致的，只是到达峰值的时间随着电流的减小而延后。这是因为电阻峰值的大小主要取决于奥氏体化的程度以及温度，焊接电流越小达到相同的奥氏体化的程度和温度所需的时间越长。此外，动态电阻曲线下降阶段拐点出现的时刻随着焊接电流的增加而提前。电流越大，产生的热量越多，温度的上升速度也会越快，在其它情况相同的前提下，熔核出现的时间越早，熔核的生长直径会越大，导致电阻快速下降到相同电阻值所需要的时间越少。拐点后的下降阶段，随着电流值的增大，电阻的终值越小，这主要是在不发生喷溅的前提下，电流越大，产生的熔核也越大[8]，导电面积越大，电阻越小。
电极压力是影响电阻点焊质量的重要因素，图5是焊接电流为8.5 kA，焊接时间为14周波，电极压力分别为3 650 N、4 200 N和4 700 N的动态电阻曲线。从图中可以看出电极压力对动态电阻的影响较大，整个电阻曲线呈现出随着电极压力增大而整体下降的趋势。这是因为，在焊接初始阶段，电阻值主要由接触电阻组成，随着电极压力的增加，工件与工件之间、电极与工件之间的弹塑性变形增大，接触面积增大，较大的压力挤压工件表面的氧化膜，直到将其压碎，促使电阻值减小。在接下来的焊接过程中，由于焊接电流不变，故焊接热量一致。但是随着压力越来越大，电极压痕增大导致通电路径缩短，电阻值越小。然而由图5可知，不同电极压力下的曲线的拐点时间几乎一致，这说明动态电阻曲线拐点出现的时间不随电极压力的变化而变化。
2.3 虚焊与发生喷溅时的动态电阻变化规律
电阻点焊过程时间极短，焊接工艺参数的不合理设置或是短时波动都可能造成熔融金属的飞溅、虚焊甚至脱焊等焊接质量缺陷[9]。图6是虚焊时的动态电阻曲线图。此时焊接电流为4.3 kA，电极压力为4 700 N，焊接时间为13周波。由图6可知，电阻值的初始值较大，这主要是由于接触电阻的作用，但是在第2个阶段电阻值的上升速度很缓慢。随着温度的上升电阻值达到峰值，然而到达峰值后电阻值迅速下降。
当电流过大或电极压力偏小时，点焊往往容易发生焊接喷溅，在发生喷溅时，动态电阻会发生突降。焊接喷溅的产生会降低焊件的表面质量，影响焊件的耐腐蚀性能及疲劳强度，降低电极的使用寿命和焊件的力学性能[10]，因此在焊接过程中应避免发生喷溅。图7是当焊接电流为10 kA，焊接时间为17周波，电极压力为3 650 N发生焊接喷溅时的动态电阻曲线。由图7可知，在发生喷溅时动态电阻出现一个骤降，同时稳定电阻值减小，减小幅值达50 μΩ左右，这与没有发生喷溅时的动态电阻差别非常明显，因而可以利用动态电阻的这一规律来监测双相钢电阻点焊是否发生焊接喷溅。
3 结论
（1）双相钢电阻点焊的动态电阻与双相钢在点焊过程中的微观组织变化有着密切的关系。温度升高以及奥氏体化的发展促使动态电阻曲线迅速上升并且达到峰值，完全奥氏体化后电阻曲线为单调下降曲线且下降越来越平缓，并出现拐点。
（2）焊接电流对动态电阻曲线影响较大。当焊接电流增大时，电阻曲线的峰值与拐点提前达到，但是不同电流下的峰值变化不是很明显。电极压力的减小导致电阻曲线的整体上移，但电阻峰值点与拐点的时间不变。
（3）当电流或焊接时间过小时，焊件产生虚焊，电阻峰值点延后，并且下降段没有拐点；当焊接电流或焊接时间过大，则会出现焊接喷溅，此时电阻曲线下降段会出现突降。可见，焊接过程中动态电阻的变化规律可以较好地体现焊接质量，因而可利用动态电阻的变化情况监控双相钢电阻点焊质量。
参考文献（References）：
康永林，邝霜，尹显东，等. 汽车用双相钢板的开发与研究进展 [J]. 汽车工艺与材料，2006（5）：1-5.
Kang Yonglin，Kuang Shuang，Yin Xiandong，et al. Research on Progress and Development of Dual Phase Steel Sheet for Automobiles [J]. Automobile Technology & Material，2006（5）：1-5.（in Chinese）
DICKINSON D W，FRANKLIN J E，STANYA A. Characterization of Spot Welding Behavior by Dynamic Electrical Parameter Monitoring [J]. Welding Journal， 1980，59（6）：170-176.
李桂中，徐国成，李树槐. 低碳钢点焊动态过程的模型化控制 [J]. 焊接学报，1995，16（2）：75-80.
Li Guizhong，Xu Guocheng，Li Shuhuai. Adaptive Modelling Control During Dynamic Process of Resis-tance Spot Welding for Low-Carbon Steel Sheet [J]. Transactions of the China Welding Institution，1995， 16（2）：75-80.（in Chinese）
文静，王春生，徐国成，等. 不锈钢电阻点焊过程中的动态电阻变化规律分析 [J]. 焊接学报，2008， 29（11）：69-72.
Wen Jing，Wang Chunsheng，Xu Guocheng，et al. Analysis on Dynamic Resistance in Resistance Spot Welding of Stainless Steel [J]. Transactions of the China Welding Institution，2008，29（11）：69-72.（in Chinese）
万晓慧，杨思乾，马铁军，等. 不锈钢点焊动态电阻曲线与熔核直径的关系 [J]. 电焊机，2005，35（2）：23-25.
Wan Xiaohui，Yang Siqian，Ma Tiejun，et al. Relation-ship Between DRC and Nugget Diameter of Stainless Steel in Resistance Spot Welding[J]. Electric Welding Machine，2005，35（2）：23-25. （in Chinese）
王亚荣，张忠典，冯吉才. 电阻点焊过程中动态电阻的变化规律 [J]. 电焊机，2006，36（2）：42-44.
Wang Yarong，Zhang Zhongdian，Feng Jicai. Studies of Dynamic Resistance of Resistance Spot Welding [J].Electric Welding Machine，2006，36（2）：42-44. （in Chinese）
Tan W，Zhou Y，Kerr H W，et al. A study of dynamic resistance during small scale resistance spot welding of thin Ni sheets [J]. Journal of Physics D：Applied Physics，2004，37（14）：1998-2008.
孙庭秀.焊接电流对铝合金点焊接头组织的影响 [J]. 加热工工艺，2013，42（1）：180-182.
Sun Tingxiu. Effect of Welding Current on Microstructure of Welded Joints of Aluminium Alloy [J]. Hot Working Technology，2013，42（1）：180-182. （in Chinese）
Zhang H Y，Hu S J，SENKARA J，et al. A Sta-tistical Analysis of Expulsion Limits in Resistance Spot Welding[J]. Journal of Manufacturing Science and Engi-neering Transactions of the ASME，2000，122（3）：501-510.
王凯，李冬青，张忠典，等. 低碳钢点焊喷溅的动态电阻特征参量 [J]. 焊接学报，2006，27（7）：97-100.
Wang Kai，Li Dongqing，Zhang Zhongdian，et al. Characteristic Parameter of Dynamic Resistance for Splash in Resistance Spot Welding Low Carbon Steel [J]. Transactions of the China Welding Institution，2006， 27（7）：97-100.（in Chinese）