不锈钢点焊工艺研究

不锈钢点焊工艺研究（精选五篇）

不锈钢点焊工艺研究 篇1

1 SUS301L系列高强奥氏体不锈钢材料性能

对于SUS301L系列不锈钢, 通过控制压延率, 可以获得5个强度等级的材料, 分别为HT、MT、DLT、ST和LT5强度等级, 虽然它们的化学成分相同, 但机械性能差别较大。由于这种不锈钢的电阻率高、导热性差, 热敏感性强, 有较高的高温强度, 适合电阻点焊, 并且必须采用较高的电极压力, 以防止产生缩孔、裂纹等缺陷, 要采用强有力的内部和外部水冷却, 并且要准确地控制加热时间和焊接电流, 以防热影响区晶粒长大和出现间腐蚀现象。

2 电阻点焊工艺技术应用

2.1 电阻点焊焊接参数四大要素及相互之间的关系。

电阻点焊有四大要素, 分别是焊接压力、焊接电流、通电时间、点焊电极前端的形状, 对点焊的焊点拉伸强度的质量有很大的影响[1]。较薄的板组合使用低的压力和电流较好, 焊点压痕小, 板越厚压力电流也随之上升。在压力一定的情况下, 拉伸强度值随着电流与焊接周波的增加而增加。电流的增加对拉伸强度的影响要比周波对拉伸强度的影响大, 因此在考虑点焊参数焊接电流和焊接时间时, 应注意焊接电流对焊点强度的影响。对奥氏体不锈钢而言, 采用硬规范 (大电流、短时间) 是较为适合的[2]。

2.2 电阻点焊的通电形式。

生产高强不锈钢的车辆常用的通电方式有四种, 单面双点、单面单点、双面单点、迂回焊。对表面外观质量要求严格的采用单面双点, 见图1、和单面单点, 见图2的方式, 由于单面双点产生的无效分流, 适合试件2的板厚小于试件1的板厚接头形式。对单面单点方式, 用辅助电极做为负极时, 可以使用试件2的板厚大于试件1的板厚接头形式。单面单点适合各种方式焊接, 迂回焊是针对特殊形式的产品结构, 不能用其他方式焊接, 如车辆底架边梁与侧墙的点焊, 采用这种方式, 这种方式分流较大, 需要较大的焊接电流和压力。

3 电阻点焊设备应用

电阻点焊设备形式多种, 在生产高强不锈钢车辆方面, 常用的有固定式、单腿龙门式、双腿龙门式、上下电极分离式。选用不同方式是根据产品结构和厂房的面积大小决定。采用固定式点焊设备, 用于焊接结构简单的零件、如侧墙立柱与垫板、车顶弯梁与垫板等, 设备固定在地面, 采用工件移动方式。采用单腿龙门式, 主要是受场地影响, 场地狭窄, 点焊工作范围还需要保证。单腿龙门式设备的移动轨道, 其中一个轨道生根在厂房墙壁上, 另一个轨道布置地面上, 这种方式一般是手动点焊设备可以用, 自动的可编程的设备不建议采用这种方式。双腿龙门式设备的两个移动轨道分别安装在地面上, 采用自动焊接和手动焊接均可以采用这种方式, 从外观上看, 设备整体比较美观。采用上下电极分离式点焊设备, 是最近几年从欧洲发展起来的设备形式, 设备的上电极安装在上龙门上, 下电极安装在下面小车上, 上龙门和下小车同时移动, 到达可焊接位置, 这种结构复杂, 成本高, 焊接程序复杂, 但是可焊接的工作范围比较大。

4 电阻点焊作业要求

4.1 点焊开工前的焊接检验要求。

对于采用无损检验方法, 在点焊上应用比较困难。在生产中, 要求每天早上正式开工生产前, 以拉剪切的破坏性点焊小试验片的方式, 进行点焊焊接, 然后进行拉剪[3], 看看拉剪力是否满足标准要求, 对每台设备完成的产品接头形式分别做点焊试验, 每种接头试验做三组, 三组试验分别拉剪, 对三组试验的剪切力均符合要求, 可以用此焊接参数进行生产。

4.2 标准拉伸剪切力的计算方法。

在点焊开工前的焊接检验中要求试验片的拉剪力要满足标准要求, 这个标准要求的计算方法是这样要求的, 301L系列的不锈钢的每个等级的材料, 不同板厚均有相应的最小拉剪断载荷, 具体数值按照相关标准。在一个点焊接头形式, 比较2个母材的拉剪断载荷的大小, 以数值较小的为准, 乘以1.3倍, 得到的数值即是这种点焊接头的标准拉伸剪切力。

4.3 点焊日常作业标准。

电极头通常采用R100mm的形式, 焊接质量和外观状态比较好, 焊接50点后对电极进行修磨, 被焊件的表面进行除锈、灰尘、油垢。焊工在点焊时, 戴好防护眼镜等劳保用品, 防止飞溅伤害人员, 工作区周围不能存放易燃物品, 防止飞溅引起火灾。

4.4 点焊缺陷问题分析及解决方法。

常见的电阻点焊的缺陷有假焊、虚焊、焊接飞溅。产生假焊、虚焊的原因是没有压紧或压力不足下通电, 不能形成较好电路, 焊核成型不好;电极磨损太多, 电极头形式不良, 接触不到;电流小, 焊接时间短等。产生焊接飞溅原因是工件未贴严, 就通电焊接。一般的解决办法是被焊工件与电极保持垂直状态;工件不能与电极接触;电极距离工件板边不能太近;2个焊点间距不能太近;上下电极同轴;电极头形状不良, 修磨不及时。

5 结论

本文分析了高强奥氏体301L系列不锈钢的机械性能, 分析了采用应用电阻点焊生产高强奥氏体不锈钢的车辆的工艺特点、对应用点焊设备的性能分析、开工前的焊接检验要求分析、标准拉伸剪切力的计算方法、日常作业标准、点焊缺陷问题分析和解决方法, 本文研究的这套技术, 在采用点焊工艺的不锈钢车辆制造中, 发挥较大的作用, 是可靠的实际应用技术.该项技术对采用点焊工艺的车辆生产上具有较大的借鉴应用。

摘要：通过对SUS301L系列高强奥氏体不锈钢材料性能、电阻点焊工艺技术、电阻点焊设备的研究, 摸索出生产高强不锈钢材料的车辆, 应用电阻点焊技术的工艺技术的操作要求、设备应用要求, 生产开工前的焊接检验要求、标准拉伸剪切力的计算方法、日常焊接作业标准、点焊缺陷问题分析和解决方法。

关键词：高强不锈钢,点焊,应用

参考文献

[1]中国机械工程学会焊接学会.焊接手册1焊接方法及设备[M].北京:机械工业出版社, 1992.

[2]赵熹华.压力焊[M].北京:机械工业出版社, 1992.

我国不锈钢焊接工艺研究现状及进展 篇2

【关键词】不锈钢工艺；现状；进展

0.前言

众所周知，我国的各种技术在改革开放以后得到了很大的进步，不锈钢也不例外，他的需求以超乎人们想象的速度高速发展。它不仅仅在家居方面发挥着重大的作用，同样发挥作用的还有船舶方面，可是对于不锈钢而言不可忽视的问题就是他的焊接问题，因为他的焊接问题直接涉及到他的使用情况，本文对于不锈钢的焊接情况也将作出一定程度的介绍。

1.几种不锈钢的简介与特点

1.1关于奥氏体不锈钢

奥氏体不锈钢是几种不锈钢的合称，其中高铬镍钢及高铬锰氮钢均属此类，奥氏不锈钢是所有种类的不锈钢中应用比较广泛的一种 同时也占据着比较重要的地位。他在我国很多重大的工程例如石油方面有着比较重要的应用，这主要是因为奥氏不锈钢在各个方面的稳定性都是比较突出的，加之在耐腐蚀性以及加工性能方面的优良表现使得奥氏不锈钢得到很多领域的青睐。当然，即使再优良的材料也存在一定的缺点，奥氏不锈钢存在的缺陷就是接头的刀状腐蚀和应力腐蚀开裂， 以及含镍较高的单相奥氏体钢接头热裂问题， 有时也会有接头热强性和再热裂纹问题。首先我们介绍一下在奥氏不锈钢的热裂纹的现象。通过多年的经验可以发现一种不锈钢的裂纹出现的程度与不锈钢中存在的镍的多少有关，并且随着镍的增多，裂纹的情况也会更加明显。而相对应的结晶（凝固）裂纹是在凝固后期产生的。奥氏体不锈钢导热系数小，线膨胀系数大，使得焊缝在结晶过程中产生较大的收缩变形和拉伸应力，在凝固期间存在较大拉应力是产生凝固裂纹的必要条件。接下来涉及的还有奥氏不锈钢的耐腐蚀性。不锈钢的出现是因为我们平时所应用的钢铁耐腐蚀性太差才应运而生的，即使不锈钢的耐腐蚀性得到了很大程度的提高，但是他依然存在这这方面的问题。我们通常所说的腐蚀包括三个方面的腐蚀为晶间腐蚀、应力腐蚀和孔蚀。其中晶间腐蚀我们采取的办法是减少碳的存在，碳含量的减少大大减少晶间腐蚀，而应力腐蚀则与各种力的作用和种种化合物的作用有关，孔蚀则是非金属的作用产生的。

1.2关于马氏体不锈钢

以铬的同位素铬12铬13为主的不锈钢是马氏体不锈钢的主要组成。不可否认的是，马氏体不锈钢同样存在着一些不如人意的地方。马氏体不锈钢主要存在的问题在接头方面，是接头的冷裂与脆化的问题。马氏体含有较高的奥氏体形成元素碳。这类钢中高温下存在的奥氏体在通常不太慢的冷却条件下会发生奥氏体到马氏体的转变， 属于淬硬组织的钢种。不锈钢在使用的时候必须接受的一种方式变化便是焊接，由于温度的影响，在完成焊接以后，马氏体不锈钢会变得比较坚硬，我们通过日常的知识可以得出，如果，变成坚硬的固体经常会出现裂纹，并且，以前使用的经验也说明，这种裂纹与碳的含量息息相关，碳的含量越多，出现的裂纹就会越大。在焊接的时候会面临着冷却的阶段，这也是出现问题比较多的一个阶段，如果冷却的速度比较慢的话，会出现较大的一些晶粒，柔韧性会受到一定的影响，但是与此相反的，如果冷却的速度过大的话，同样会对柔韧性产生比较大的影响，所以这就对于技术人员提出比较高的要求。

2.关于不锈钢的工艺特点以及不足

2.1关于奥氏不锈钢的工艺特点以及存在的不足

关于在焊接方面的问题仍然是我们不得不提的一个问题，但是前面我们提过奥氏不锈钢是应用比较广泛的一种不锈钢，也就是说他在某些方面有着其他的不锈钢无法比拟的特点。奥氏不锈钢的焊接技术还是比较成熟的，经过多年的发展，只要我们应用比较合理的方法，就可以避免我们一直无法解决的问题。奥氏不锈钢对于焊接技术的要求并不是十分的苛刻。其中在焊接的方法方面使用最多的是焊条电弧焊和气体保护焊， 以机械化快速焊为好。即使奥氏不锈钢在焊接方面的应用比较多，但是仍然有几个方面的问题是不可忽视的。为了防止在焊接的过程中出现一些裂纹，影响奥氏不锈钢的使用的性能，我们一般尽可能地采取U型与X型的坡口，这种焊接的形状应该时刻注意。在进行焊接的时候，应该采取一定的措施进行固定，不锈钢越薄就越应该采取固定措施，不然就会出现角焊接的现象，焊接的顺序同样是我们不可忽视的问题，在多年的摸索过程中我们发现，先中间后两头，或者分段进行焊接的方式，能够让不锈钢发挥最大的效力。在进行焊接的时候由于焊丝的电阻率大、导热系数小， 所以熔化系数大， 焊丝伸出长度要短一些。 尽量采用短弧焊并不做摆动， 以防止合金元素不必要的烧损。在焊接的时候我们应该控制好气体的作用，这样可以避免气孔的产生。同样的奥氏不锈钢在焊接的时候，我们应该注意采用比较小的电流进行焊接，因为奥氏不锈钢比较容易熔化，在进行焊接的时候我们也不用采取预热，但是如果奥氏不锈钢中铁素比较少或者根本不存在的时候预热就必不可少了，在焊接过后，我们也要采取一定的护理。常规碳含量不锈钢结构需要进行固溶处理；含稳定化元素的和超低碳的不锈钢结构需进行稳定化和消除应力热处理。

2.2关于马氏体不锈钢的工艺特点以及不足

不得不承认，马氏体不锈钢在焊接方面的不足还是比较多的。前面我们提到，在焊接的过程中会出现一定奥氏体转向马氏体的趋向，最重要的在转变的过程中，体积也会发生一定带个变化，会使性能也随之改变，并且会出现比较强烈的淬硬倾向。母材含碳量越高， 淬硬倾向就越大。并且在焊接的焊缝中各种应力的作用也会出现各种裂纹，所以在焊接马氏体不锈钢中，我们总结了一些比较可行的方式来避免这些不足。控制焊缝金属的化学成分。焊缝金属的化学成分主要取决于焊接材料， 最好是用与母材金属成分相同或相接近的焊接材料。在这个过程部分区域会出现硬化的现象，需要将硫，磷以及硅的含量控制在一定的范围之内，并且与此同时，添加一些铝，氮更好的控制硬化的现象，但是在裂缝里添加了这么多的外来的物质，与原先的不锈钢在很多元素的组成方面有了区别，如果存在着比较大的差异的话会弄巧成拙。在奥氏不锈钢中我们提到不需要预热，与奥氏不锈钢相反马氏体不锈钢的预热是不可或缺的一个程序，材料越容易出现硬化的现象在预热的时候我们就应该采取越高的温度，在焊接完成之后的处理同样是比较重要的，焊接后的处理得到最大的改善的是柔韧性。

3.结语

关于不锈钢消费逐年增加的现象从另一个侧面反映出了我国经济的不断发展，人们对于生活质量的要求不断地提高，对于不锈钢的要求也不断提高。目前我国在不锈钢方面仍然存在着一些不足，我们要做的是不断地改善不锈钢的品质满足人们的要求。不断地培养起一批这方面的专业人才，提高他们的素质，为我国的不锈钢产业做出贡献。而且，不可忽视的是我国的发展水平与发达国家仍然存在着一定的差距，我们应该努力缩小这种差距，达到国际先进水平。 [科]

【参考文献】

[1]林企曾，李成.迅速发展的中国不锈钢工业[J].钢铁，2006，41（12）：1.

[2]张其枢，堵耀庭.不锈钢焊接[M].北京：机械工业出版社，2004.

不锈钢点焊工艺研究 篇3

异种材料间的有效连接不仅能够充分利用材料各自特性, 达到“材尽其长”之效果, 还可以为结构设计提供新思路。钢与铝合金作为最常见的两种结构材料, 它们之间的连接将是不可缺少的。然而, 由于铝合金和钢的熔点等物理性能差异很大, 且两者之间的的固溶度较低, 容易在界面生成脆性的金属间化合物[1,2], 所以这两材料之间的连接还存在一些问题。国内外许多学者分别采用摩擦焊[3]、扩散焊[4]以及搅拌摩擦焊[5]等固态连接方法对铝合金与钢异种材料进行了焊接, 并对接头组织、性能进行深入研究, 获得了较好的效果。虽然采用固态焊接可有效地控制金属间化合物的生长, 但由于受接头形式、工件尺度、作业气氛、柔性度及效率等方面的限制, 上述固态焊接技术迄今尚未应用到汽车车身实际生产中, 因此, 铝/钢异种材料的熔钎焊最近得到了广泛研究[6,7,8]。熔钎焊是利用铝合金和钢熔点的差异, 采用电弧或激光加热并精确控制焊接热输入, 在保证高熔点的钢不发生熔化的前提下使低熔点的铝合金熔化, 熔化的铝合金及填充金属与固态的钢实现钎焊连接。这种新型连接技术提升了铝/钢异种金属连接的应用空间, 它在汽车车身工程化应用方面的研究也正在展开。

电阻点焊具有生产效率高、操作简便、不需填充材料、易于实现自动化等优点, 是现代汽车车身焊装的主要焊接方法。据统计, 每辆汽车车身焊点数高达5000余个。为了节能减排, 汽车工业在追求高安全性、外观靓丽、乘用舒适型车身设计的同时将关注的目光投向了车身轻量化。以铝合金取代传统的钢铁材料用于汽车车身结构是汽车轻量化的最主要途径, 而不锈钢的采用可以增加车身外露覆盖件的美观性。然而, 关于铝合金与不锈钢异种材料电阻点焊的研究报道迄今仍很鲜见。为此, 本研究采用热补偿工艺垫片电阻点焊法焊接铝合金与不锈钢, 利用电子显微镜观察分析接合界面反应物的形貌与分布, 在对其接头性能进行分析的基础上, 探讨界面反应物对接头性能的影响。

1 试验材料与方法

试验材料为1.0mm厚的A5052铝合金和SUS304不锈钢, 其化学成分如表1所示。

%

如图1所示, 制作两种试样分别用于抗剪和抗拉试验。由于铝合金导电、导热性能好, 所以焊接时在铝合金板上附加一枚工艺垫片对其进行热补偿以获得对称的熔核。热补偿垫片选择的主要依据是:决定热补偿效果的材料电导率、热导率、比热容, 决定焊后剥离的材料线性膨胀系数以及经济性。虽然与铝合金线性膨胀系数相差较大的材质有利于焊后剥离, 但也增大了接头的裂纹倾向性。作为基础研究, 本文在考虑热补偿效果和经济性的基础上选择低碳钢 (厚度1.0mm) 作为工艺垫片。热补偿工艺垫片电阻点焊的详细报道见文献[9]。

焊接前, 被焊材料和热补偿工艺垫片表面用无水乙醇清洗干净后烘干。在交流固定式点焊机上, 使用直径为6mm的球面型电极头进行点焊。焊接工艺条件如表2所示。焊接后, 在室温条件下以1.7×10-5m/s的速率对接头进行拉伸试验。对部分接头进行断面观察试验。垂直于接合界面沿焊点直径横切焊接接头, 研磨、抛光其断面。用扫描电子显微镜 (SEM, JEOL JSM-6300) 沿接合面观察界面区的微观形貌。

为了对比, 本研究也对铝合金A5052的同种材料接头进行了性能试验, 这种情况的焊接是将两铝合金板夹于两枚工艺垫片之间进行的。

2 试验结果与分析

2.1 界面组织

图2显示了在焊接电流I=10kA条件下焊接接头的SEM图像。用扫描电镜沿接合界面A5052/SUS304进行了观察, 图3显示了界面区SEM图像, 可以看出, 在焊点外缘处观察到零星分布的不连续反应物 (图3a) , 随着向焊点中央的靠近, 界面反应物逐渐呈层状, 其厚度也逐渐变厚。反应层在界面呈“锯齿状”, 也就是说, 在铝合金侧有针状反应物向铝合金内生长。这是因为同样温度下Fe在Al中的扩散系数远大于Al在Fe中的扩散系数。通过成分分析和衍射斑点解析得知, 界面反应物主要由Fe2Al5、FeAl3和少量的FeAl2金属间化合物构成, 其详细结果见文献[10]。

图4显示了I=10kA下获得的接头界面反应层厚度在界面上的分布, 图中, r为焊点半径, w为非连续反应层宽度。反应层厚度测量方法如下:沿界面每隔100μm取一个30μm×30μm的视野, 在每一视野上测量5点取其平均值作为该视野的反应层厚度。如图4所示, 反应层厚度在焊点中心处最大, 随着距焊点中心距离的增大而逐渐减小, 至焊点外周沿处已呈非连续分布。反应层厚度在界面的这种分布被认为与焊接过程中的温度场有关。众所周知, 反应层厚度X是反应时间t和温度T的函数, 即X= (2 Kt) 0.5, 而K=K0exp (Q/ (RT) ) (K为成长系数, K0为系数, R为气体常数, Q为反应层成长活化能) [11]。点焊时, 由于被焊材料的传导散热作用, 焊接区外围的温度低于焊接中心区的温度, 且焊接区外围高温反应时间也比中心区的高温反应时间短[12], 因此, 反应层厚度呈中心高周围低的“山”状分布。

观察结果表明:不同焊接电流条件下焊接接头的界面反应层厚度以及非连续反应层宽度w也不同;焊点中心反应层厚度随焊接电流的增大而变厚, 而非连续反应层宽度却随着焊接电流的增大而减小。

2.2 接头力学性能

图5显示了A5052/SUS304、A5052/A5052两类接头的熔核直径、抗剪载荷与焊接电流的关系。这里的熔核直径是从接头断口测出的, 图中数据是7件试样的平均值。如图5所示, 对于异种材料接头A5052/SUS304与同种材料接头A5052/A5052两类试样, 其熔核直径都是随焊接电流的增大而增大。根据焦耳定律可知, 焊接电流是影响电阻热的主要因素, 随焊接电流的增大, 产生的电阻热增大, 因而能够生成较大的熔核。从图5中可以看出, 在相同的焊接电流条件下, A5052/SUS304接头的熔核尺寸与A5052/A5052相比略有增大。虽然焊接同种材料A5052/A5052接头时有4层材料 (工艺垫片+A5052+A5052+工艺垫片) , 与异种材料接头A5052/SUS304 (工艺垫片+A5052+SUS304) 相比多了一层铝合金板, 但是由于铝合金电阻率较小, 焊接时产热较少, 且异种材料接头中的不锈钢SUS304的电阻率大于低碳钢材质的工艺垫片的电阻率, 其产热的效果较好, 所以, A5052/SUS304接头熔核尺寸略有增大。

如图5所示, 与铝合金的同种材料接头A5052/A5052一样, A5052/SUS304异种材料接头抗剪载荷随焊接电流的增大而增大。这是因为随焊接电流的增大, 所生成的熔核尺寸较大, 其承载能力也随之增大。在本研究中, 具有6.0kN的最大抗剪力的接头是在I=12kA条件下获得的, 这时的熔核直径达9.8mm, 也完全满足点焊标准所要求的直径d>4h1/2 (h为板厚) 的要求。Oikawa等[13]采用铝/钢轧制复合板作为中间夹层焊接铝合金与钢, 结果表明:焊接电流为12kA时获得最大接头抗剪载荷为4kN。相比之下, 采用热补偿电阻点焊法获得的接头具有较大的熔核及较高的抗剪力, 从而证明了热补偿电阻点焊法对焊接铝合金是有效的。

从图5中可以看出:当焊接电流较小 (5~8kA) 时, 同样焊接电流下A5052/SUS304异种材料接头的抗剪载荷大于A5052/A5052同种材料接头的抗剪载荷;当焊接电流较大 (8~12kA) 时, A5052/SUS304异种材料接头的抗剪载荷略小于A5052/A5052同种材料接头的抗剪载荷。从抗剪试验结果得知, 较小的焊接电流 (5~8kA) 获得的接头在抗剪试验时呈界面撕裂, 较大焊接电流 (8~10kA) 获得的接头在抗剪试验时呈“钮扣”式破坏。由于在界面撕裂破坏模式下焊点直径是影响接头抗剪载荷的主要因素[14], 因此, 焊接电流较小时A5052/ASUS304接头熔核直径较大, 致使其抗剪载荷也大。而对于“钮扣”式破坏的接头, 其强度的主要影响因素是熔核直径和焊点厚度[14]。由于电极压痕的影响, 当焊接电流较高时焊接处变得较薄, 尽管这时接头熔核直径也比较大, 但其抗剪载荷还是略小于同条件下A5052/A5052接头的抗剪载荷。

但是, 从总的情况来看, 在相同焊接条件下, A5052/ASUS304异种材料接头与A5052/A5052同种材料接头的熔核直径、抗剪载荷相差较小。无论接头呈界面撕裂破坏还是呈“钮扣”式破坏, 其抗剪强度都是抗剪载荷和熔核直径的函数[14]。因此, 总体上来说, A5052/ASUS304异种材料接头与同种条件下获得的5052/A5052同种材料接头具有同种程度的抗剪强度。这一结果说明, 生成于A5052/ASUS304界面的反应层对其接头抗剪强度影响不明显。

为调查界面反应层对接头抗拉强度的影响, 对A5052/SUS304异种材料接头进行了十字抗拉试验, 结果显示所有接头均为界面撕裂破坏。本文利用接头抗拉载荷与断口面积对接头强度进行了计算, 其值与焊接电流的关系如图6所示。可以看出, 随焊接电流的增大接头抗拉强度减小。在较高焊接电流条件下获得的接头有较大的熔核, 其抗拉强度却较小, 这说明生成于A5052/ASUS304界面的反应层对其接头抗拉强度有明显的影响。通过对A5052/ASUS304异种材料接头的断口进行分析, 并对照反应层厚度在界面上的分布, 得出接头抗拉强度与非连续反应层线度分数w/r有一定的关系。如图6所示, 随着焊接电流的增大, 非连续反应层线度分数减小, 且其减小趋势与接头抗拉强度的减小趋势也较为一致。由于生成于界面的硬脆反应层和两种母材的弹塑性系数存在明显差异, 致使异种材料连接界面力学性能失配[15], 在垂直于界面的应力作用下容易发生界面剥离, 这被认为是界面反应层对接头抗拉强度存在影响。

3 结论

(1) 观察到铝合金/不锈钢的电阻点焊接合界面反应层生成, 反应层厚度随其在界面上的位置的变化而变化。 (2) A5052/SUS304接头熔核直径、抗剪载荷随焊接电流的增大而增大。 (3) A5052/SUS304界面反应层对接头抗剪强度的影响不明显, 但能减弱接头抗拉强度。接头抗拉强度与界面非连续反应层线度分数有关。

摘要：采用热补偿工艺垫片电阻点焊法对铝合金A5052与不锈钢SUS304异种材料进行了焊接。探讨了焊接参数对接头的抗剪与抗拉性能的影响, 并通过电子显微镜对接合界面区进行了观察, 分析了界面反应物形貌及厚度分布等微观特性。研究结果显示:一锯齿状反应层在接合界面生成, 其厚度随焊接电流以及界面上位置的变化而变化, 界面反应层对接头抗剪强度无影响, 但能减弱接头抗拉强度。

不锈钢点焊工艺研究 篇4

我国改革开放的不断深入, 经济的快速发展, 铁路事业迈向了新的台阶。随着航空航天、电子、车辆等工业的发展, 电阻焊这种焊接方式越来越受到大家的重视。同时, 对电阻焊的焊接质量也提出了更高层次的要求。但令人欣喜的是目前我国已经生产了性能良好、且实用性更强的次级整流焊机, 它的控制箱是由集成电路和微型计算机构成的, 增加了焊机的精确度与稳定性。恒流、动态电阻, 热膨胀等先进的闭环监控技术也已经开始生产推广应用。这一切都将有利于提高电阻焊质量, 并扩大其应用领域。

2 不锈钢的分类

不锈钢的种类有很多, 按照国际上通用的分类方法, 按钢的化学成分分类为2个系列, 即:CR系列、CR-NI系列, 如按金相组织划分为5类, 即:奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、双相不锈钢 (奥氏体-铁素体不锈钢) 、马氏体不锈钢和沉淀硬化不锈钢。

3 奥氏体不锈钢的优点

奥氏体不锈钢:含铬大于18%, 还含有8%左右的镍及少量的钼、钛、氮等元素、综合性能好, 可耐多种介质腐蚀, 这类钢中含有大量的Ni和Cr, 使钢在室温下呈奥氏体状态。这类钢具有良好的塑性、韧性、焊接性和耐蚀性能, 在氧化性和还原性介质中耐蚀性均较好, 由于奥氏体不锈钢电阻率较高 (为低碳钢5-6倍) , 热导率低 (为碳钢的1/3) 以及不存在淬硬倾向和不带磁性 (由于电阻焊这种焊接方式本身会产生磁场, 故应选择不带磁性的母材) , 因此奥氏体不锈钢的电焊焊接性良好, 所以我厂的产品大部分选用奥氏体不锈钢, 电阻点焊的接头强度直接影响电阻点焊的产品质量, 而接头的强度主要取决于熔核尺寸 (直径和焊透率) 、熔核本身及其热影响区的金属显微组织及缺陷情况。通过对我厂不锈钢电阻焊试片进行分析, 发现奥氏体不锈钢采用电阻点焊这种焊接方式, 焊缝及热影响区的强度损失小, 焊接接头塑性降低较小, 缩松、裂纹产生的倾向小。

4 奥氏体不锈钢的焊接参数

合适的焊接规范参数是实现优质焊接的重要条件。奥氏体不锈钢电阻点焊规范参数的选择主要取决于该种材料的板厚及设备的特点。主要的焊接规范参数有:焊接电流、焊接时间、电极压力及电极头端面尺寸。

由于奥氏体不锈钢的电阻率高、导热性差, 因此与低碳钢相比, 可采用较小的焊接电流和较短的焊接时间。这类材料有较高的高温强度, 必须采用较高的电极压力, 以防止产生裂纹、缩孔等缺陷。不锈钢的热敏感性强, 通常采用较短的焊接时间、强有力的内部和外部水冷却, 并且要准确的控制加热时间和焊接电流, 以防热影响区晶粒长大和出现晶间腐蚀现象。

根据对不锈钢电阻焊试片进行分析, 在可控范围内适当的增加电极压力的同时, 适当增加焊接时间或焊接电流, 用来维持焊接区域的受热程度在相同的温度范围内, 可消除由于焊件装配存在间隙、焊缝刚性不均匀等因素所引起的焊接区域所受力波动对焊点强度的不良影响。此时不仅使焊点强度维持不变, 稳定性亦可大为提高。

电极头端面尺寸D或R:电极头是指电焊时与焊件表面相接处的电极端头部分。其中D为锥台形电极头端面直径, R为球面形电极头球面半径。

根据对不锈钢电阻焊试片进行分析, 电极头端面尺寸增大时, 由于接触面积增大、电流密度减小、散热效果增强, 均会使焊接区域加热程度减弱, 因而熔核尺寸减小, 使焊点承载能力下降。

5 电阻点焊时分流的影响及避免分流的措施

电阻点焊时, 分流会使焊接电流分散, 从而影响焊件的质量, 因此分流在电阻点焊时应尽量避免。

电阻点焊时分流的影响因素有以下几点:

(1) 由于焊接顺序所造成的影响:已焊点分布在两侧时, 向两侧分流比仅在一侧时分流效果明显。

(2) 由于焊点间距所造成的影响:连续点焊时, 板材越厚, 焊点间距越小, 分流效果越明显。

(3) 由于焊件表面状态所造成的影响:表面不整洁、干净时, 料件表面的油污和氧化膜等会使接触电阻增大, 因而导致焊接区电阻剧增, 就会使分流效果明显。

(4) 焊件装配不良或装配过紧由于非焊接部位的过分紧密接触而引起较大的分流。

分流现象产生后, 会有以下不良影响:

(1) 使焊点强度降低, 焊点间距过小引起的分流使焊接区的电流密度减小, 因而加热不足, 熔核焊透率与直径随之降低, 焊点承载能力下降, 严重时会产生未焊透。

(2) 单面点焊产生局部接触表面过热和喷溅, 单面点焊由于分流严重会使电极与工件局部接触表面 (偏向分流方向的部位) 过热, 甚至融化, 严重时形成表面喷溅。这不仅恶化了劳动条件, 增加电极磨损, 而且为了取出喷溅遗留下的毛刺, 常常不得不增加一道令人厌烦的打磨毛刺工序。

根据目前掌握的方法, 消除和减少分流可有以下措施:

(1) 选择合适的焊点间距在电阻点焊接头设计时, 应在保证强度的前提下尽量加大焊点间距。

(2) 将焊接工件表面处理干净。

(3) 设计焊缝时要着重考虑结构的布局以保证焊接合理性, 分流过大的结构必须改变设计。

(4) 如出现连续点焊的情况, 应适当增大焊接电流, 对于不锈钢可增大5-10%。

6 不锈钢电阻点焊的焊接要求

(1) 由于工件上附有灰尘、油污等杂质, 需用纱布打磨等方法进行表面清理。

(2) 采用硬规范, 强烈的内部和外部水冷却, 可显著提高生产率和焊接质量。

(3) 由于塑性变形困难、高温强度大, 应选用较高的电极压力, 以避免产生裂纹和喷溅、缩孔等缺陷。

(4) 为保证不锈钢电阻点焊的焊点强度, 需对焊点的熔核直径进行控制。

7 电阻点焊焊接接头质量及检验

目前在不锈钢车现有的电阻点焊技术完全可以得到高质量焊接接头。但由于电阻点焊过程中受到众多偶然因素的干扰 (表面状态不良、电极磨损、装配间隙的变化、分流等工艺因素的随机波动、电极压力的减弱等焊接规范参数的随机波动) , 要想杜绝生产中个别焊接接头质量的降低、以及废品的出现还是有一定的困难的。所以在现车生产前需要用和现车材质及板厚相同的试片进行试验, 因此必须对电阻点焊产品的生命全过程进行监督和检验, 即进行全面的质量管理。电阻点焊接头的质量要求体现在接头应具有一定的强度, 我们可从不锈钢试件中总结出电阻点焊常见的质量问题, 详见表1。

8 焊接接头的检验方法及允许存在的缺陷

目前常见的焊接接头检验方法有两种, 第一种是破坏性检测, 包括拉伸试验、弯曲试验、金相检验、断口分析、冲击试验 (开V型坡口或是开U型坡口的) 、机械性能试验, 第二类是无损探伤, 包括目视检验 (VT) ) 、磁粉探伤 (MT) 、渗透探伤 (PT) 、密封性检验、射线探伤、超声检验、涡流探伤、在不锈钢试验车主要采用了撕破检验、断口分析、机械性能试验及目视检验对焊接接头进行试验 (上述是对试片的检验)

电阻点焊允许存在的缺陷分为三级, 在不锈钢车生产过程中, 我们采取了要求较高的第二级, 这一级要求不允许有外部飞溅、脱焊、熔核过小、外部裂纹、板边涨裂、烧穿、烧伤、内部裂纹及气孔等缺陷, 但焊点压痕可控制在10%以内, 内部飞溅可控制在5%以内。

9 结束语

根据以上论述并对不锈钢产品生产过程中产生的问题进行分析, 可得到以下结论:

(1) 奥氏体不锈钢完全可以采用电阻点焊这种焊接方式进行焊接, 并可以获得较好的焊接质量。

不锈钢点焊工艺研究 篇5

随着航空工业的不断发展, 对材料的疲劳和断裂性能的要求越来越高, 高纯化是保证这些性能的有效措施。7075铝合金通过对铁和硅等杂质元素的控制, 从而提高其疲劳和断裂等性能, 因此7075铝合金强度高、塑性好, 广泛用于航空领域, 可制造各种类型飞机的主要受力构件, 如蒙皮、隔框、翼肋、翼梁、骨架等零部件[1~4]。对于这种高强度铝合金薄板焊接, 电阻点焊、冲压铆接、铆接和自钻孔紧固是迄今为止所采用的主要方法, 对于连接强度要求高的地方一般都采用铆接或点焊的方法。但铆接的强度往往低于点焊。同时这种超硬铝合金焊接性较差, 焊接过程中易产生气孔, 易变形, 熔池周围形成陷坑, 影响焊接质量[5], 这些都限制了7075高强铝合金的进一步应用。针对这种超硬铝合金的焊接, 国内外进行了大量研究, 但大多集中在搅拌摩擦焊领域, 对于传统的点焊, 铆接等方法研究较少。本文拟对7075铝合金薄板采用一种基于点焊基础上改进的新工艺方法进行焊接, 即先对7075铝合金薄板用直径3mm铝铆钉进行铆接, 然后在铆点处进行点焊, 并对其焊接接头的力学性能和微观组织进行测试和分析, 为类似7075铝合金的超硬铝合金的焊接提供一种新的思路和方法。

1 实验材料及过程

实验用材为T4态7075铝合金薄板, 其化学成分如表1所示。

其σb=487MPa, σ0.2=420MPa, δ=9.5%。焊接试件尺寸为100mm×30mm×1mm如图1所示。首先对焊接试件进行同板搭接铆接, 如图2所示, 其中搭接部分长度为30mm。

所用铆机为上海格路泊机械设备有限公司生产JZXM-10气压铆机, 铆钉为直径3mm5系列铝铆钉, 预钻孔直径为3.2mm。对铝合金表面进行去氧化膜处理。采用DN-80点焊机进行焊接, 焊点位于铆钉头处, 电极头直径6mm, 覆盖铆钉头。实验参数选取前期研究中测得的最佳参数, 点焊电流1.6kA, 焊接时间400ms, 电极压力0.2Mpa。焊接后试件如图3所示。

拉伸试验机为长春实验机研究所CSS-44100电子万能实验机, 按GB/T 228-2002——《金属材料室温拉伸试验方法》对试件进行拉伸试验。同时对铆接试件和同参数点焊试件进行拉伸试验作为对比。

对试件接头进行磨样, 抛光, 腐蚀, 采用OLYMPUS GX-51F金相显微镜观察其微观组织并拍照, 同时对同参数点焊试件接头也进行金相制备并观察作为对比。

2 试验结果及分析

2.1 拉伸试验接头静强度分析

拉伸试验是静强度分析中最基本的试验, 也是研究板料连接接头质量最重要的试验项目之一。本文采用长春实验机研究所CSS-44100电子万能实验机, 测验速度为0.5mm/min, 试验数据如表2所示。

三种连接方法, 新工艺方法接头能承受最大载荷为1350.30N, 铆接为662.50N, 点焊为1050.00N。可以看出新工艺方法的接头的抗拉强度明显好于点焊和铆接。铆接都属于机械连接、冷连接, 整个过程没有热量交换, 其连接质量完全取决于机械自锁强度大小和被铆接材料性能, 铝硬度强度较低, 因此用铝钉铆接的拉伸强度远低于点焊和新工艺方法。对于新工艺方法和点焊, 高温使得板材之间形成了近似原子间的结合, 因此它们的强度远高于铆接的强度。

2.2 接头失效形态分析

图4 (a) 、 (b) 、 (c) 分别对应铆接、点焊、新工艺方法接头的拉伸失效图。

图4 (a) 中铆接接头松动脱落, 图4 (b) 点焊接头发生结合面断裂, 采用新工艺方法发生类似点焊纽扣断裂的断裂模式。铆接由于靠材料冷塑性变形使板材结合, 铝由于强度较低, 承受大载荷时易产生变形使得焊点松动失效。点焊接头出现结合面断裂, 主要是受到熔核内结晶裂纹的影响, 由于铝的线膨胀系数大, 在冷凝过程中易产生气孔和裂纹, 这也是铝合金焊接中的一个难题。新工艺方法整个焊点从上板剥离出来, 这是由于焊点处上下板主要是靠铆钉与上下板的结合而连接的。因此在失效的时候会出现整个焊点从一个板上剥离出来的形式。

2.3 焊接区域的微观形貌观察和分析

图5 (a) 和 (b) 分别是点焊和新工艺方法的接头金相试样在体式显微镜下的宏观形貌。

在点焊的熔核区域可以观察到裂纹, 同时新工艺方法的接头熔核较小, 这是由于上下铆钉头有1mm的厚度, 焊接时中心区域的热输入较同参数下点焊的热输入小。同时铆钉头在焊接过程中会融化来补充铝合金冷凝时由于体积收缩产生的气孔和裂纹, 因此在焊接区域观察不到明显的气孔和裂纹。

图6 (a) 、 (b) 、 (c) 分别是点焊接头母材、热影响区、熔核的微观组织。

可以观察到在母材区域, 晶粒粗大, 热影响区晶粒较为细小, 这是由于在焊接过程中这个区域发生动态再结晶, 使得晶粒细化且大小比较均匀。在熔核区, 温度达到液相线, 晶粒更为细小且大小均匀, 但由于铝的线膨胀系数大, 在冷凝时体积收缩可达6.4%, 因此在这个区域容易出现气孔裂纹等, 如图5 (a) 中所示。点焊板材的连接主要是靠接头熔核和热影响区使上下板材之间产生原子间的结合, 但由于铝合金的熔核容易出现裂纹气孔等缺陷, 这些缺陷是连接的薄弱部分, 断裂往往从这些区域发生。

图7 (a) 、 (b) 、 (c) 、 (d) 分别是新工艺方法焊接接头母材, 热影响区, 熔核, 热影响区与母材连接区域的微观组织图。

新工艺方法的微观组织同点焊接头一样, 但由于其熔核较小, 同时铆钉可以提供足够的填充物, 因此其熔核区域观察不到明显的气孔和裂纹。根据断裂形式分析, 我们认为用新工艺方法焊接, 铆钉与上下板材之间形成连接, 从而将两块板材连接到一起。铆钉与板材之间的相互作用集中在热影响区, 通过观察这个区域的组织, 由于温度达不到液相线, 这个区域只发生再结晶, 同时在电极压力的作用下, 铆钉与板材之间形成了类似搅拌摩擦焊的固相连接机制, 这个区域晶粒细小均匀, 同时由于没有像熔核区域一样发生凝固过程, 缺陷较少, 因此采用新工艺方法焊接的接头的强度要好于点焊接头。

3 结论

通过对7075铝合金薄板进行点焊, 铆接以及新工艺方法即在铆接之后于铆钉处进行点焊, 对它们进行拉伸测试, 失效形式分析, 宏观观察, 微观观察我们得出以下结论:

1) 采用新工艺方法进行焊接的7075铝合金薄板的拉伸强度高于同参数下焊接的点焊试件, 同时它的强度是铆接强度的两倍。它的接头断裂模式类似于纽扣断裂。

2) 通过宏观和微观分析, 我们认为采用新工艺方法焊接的板材的连接机制是通过铆钉与母材之间在电极压力与热能的综合作用下形成固相连接从而连接上下板材。

3) 通过对微观组织分析, 新工艺方法焊接接头的焊接质量较点焊好, 没有明显的裂纹和气孔, 这也是它抗拉剪强度高的主要原因。

参考文献

[1]蹇海根, 姜锋, 徐忠艳, 等.空用高韧Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的研究进展[J].热加工工艺, 2006, 35 (12) :66-71.

[2]刘晓涛, 崔建忠.Al-Zn-Mg-Cu系超高强铝合金的研究进展[J].材料导报, 2005, 19 (3) :47-50.

[3]宁爱林, 曾苏民.固溶处理对高纯高强铝合金组织和性能的影响[J].金属热处理, 2004, 29 (4) :13-16.

[4]《中国航空材料手册》编辑委员会.中国航空材料手册, 第三卷, 第2版[M].北京:中国标准出版社, 2002.