一種火工品電容儲(chǔ)能焊接頭力學(xué)性能匹配研究

王 窈，付秋菠，王 猛，只永發(fā)，郭 菲

（中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽，621900）

隨著武器系統(tǒng)使用環(huán)境、貯存環(huán)境的多樣性變化，對(duì)其內(nèi)部的火工品也提出了越來越高的要求，不僅要求其在惡劣環(huán)境中具有高可靠性，而且要求其具有一定的密封性能。目前使用的火工品均是采用灌膠的方式實(shí)現(xiàn)其密封性，這種封裝方法無法滿足現(xiàn)行國軍標(biāo)對(duì)火工品密封性指標(biāo)的要求（1×10-6Pa·m3·s-1），在惡劣環(huán)境下使用有可能造成火工品的失效；而且采用人工刷膠的方式制備火工品，存在固化時(shí)間長、制備效率低、成本較高的問題，因此需要探索和發(fā)展火工品裝配的新方法以實(shí)現(xiàn)其密封。

目前，電容儲(chǔ)能焊具有焊接時(shí)間短（毫秒級(jí)）、熱影響區(qū)窄、焊接變形和殘余應(yīng)力小等優(yōu)點(diǎn)，冷卻速度高達(dá) 106K·s-1，易獲得組織細(xì)小、致密的高質(zhì)量焊接接頭[1-3]。這一焊接方法已被廣泛地應(yīng)用于電子元器件、通訊器材、醫(yī)療器械、計(jì)算機(jī)設(shè)備等金屬小零件的連接上[4]。因此，應(yīng)該可以利用儲(chǔ)能焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)火工品的密封。

目前，對(duì)于儲(chǔ)能焊接的研究主要在于點(diǎn)焊研究，探索其連接機(jī)理和力學(xué)性能，而對(duì)凸焊研究較少，并且材料主要以 TiNi形狀記憶合金、鋁合金和 0Cr18 Ni9Ti為主[5-8]。凸焊由于凸點(diǎn)的存在改變了電流場和溫度場的形態(tài)，而且在其壓潰過程中使焊接區(qū)產(chǎn)生很大的塑性變形，使焊接過程比點(diǎn)焊過程復(fù)雜。

為此，本文采用 NTE儲(chǔ)能焊機(jī)對(duì)火工品常見材料 1Cr18Ni9Ti、4J29可伐合金進(jìn)行快速凝固凸焊連接，對(duì)焊接接頭的力學(xué)性能進(jìn)行了匹配分析；同時(shí)對(duì)可伐合金樣件摻雜金后進(jìn)行焊接，研究金添加元素對(duì)焊接接頭力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)材料為1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼、4J29可伐合金和4J29可伐合金（摻雜金），經(jīng)酒精清洗和烘干后，按圖1所示裝配搭接接頭，在NTE電容儲(chǔ)能焊機(jī)上進(jìn)行快速凸焊連接。固定焊接電極壓力，調(diào)節(jié)儲(chǔ)能焊機(jī)的電壓（250V、300V、330V和360V），分別焊接4J29/1Cr18Ni9Ti、4J29/4J29、4J29（摻雜金）/1Cr18Ni9Ti、4J29（摻雜金）/4J29（摻雜金），制備焊接接頭。焊接后的焊接接頭用CT觀察其焊接缺陷；用英斯特朗材料試驗(yàn)機(jī)5582對(duì)焊接接頭進(jìn)行拉伸強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)；對(duì)拉伸完的焊件用非接觸式三坐標(biāo)測量機(jī)Scope check 322測量斷口的寬度。

圖1 儲(chǔ)能焊實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Sketch map of capacitor discharge welding experiment device

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)儲(chǔ)能焊接接頭進(jìn)行拉伸強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，測量拉斷后的樣品的斷口寬度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 焊接接頭的儲(chǔ)能電壓與破壞力實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 The results of capacitor discharge welding voltage and destroying force

整體上分析，焊接材料和儲(chǔ)能電壓的確會(huì)影響焊接接頭的破壞力值和斷口寬度，而且焊接接頭出現(xiàn)寬窄不一的現(xiàn)象，通過CT檢測圖片也得到了這一結(jié)論，如圖2所示。

當(dāng)焊接材料為可伐合金（摻雜金）/可伐合金（摻雜金），在 360V電壓下獲得最大的破壞力（3.213 0kN）。

2.2 焊接電壓對(duì)力學(xué)性能的影響

根據(jù)表1對(duì)焊接電壓、破壞力和斷口寬度值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，見圖3。

圖2 4J29/1Cr18Ni9Ti在330V，500Ib條件下焊接后的CT檢測圖片F(xiàn)ig.2 The detecting picture of 4J29/1Cr18Ni9Ti welding sample in 330V, 500Ib

圖3 焊接電壓對(duì)焊接接頭拉伸強(qiáng)度、斷口寬度的影響Fig.3 Effect of the welding voltage on tensile strength and fractured surface width of the welding joint

圖3的曲線呈上升趨勢，表明可伐/可伐、可伐/不銹鋼、可伐（摻雜金）/可伐（摻雜金）和可伐（摻雜金）/不銹鋼的焊接接頭隨著焊接電壓的上升，破壞力變大，而且斷口的寬度變大。凸焊分為3個(gè)階段，即預(yù)壓階段、通電加熱階段和冷卻結(jié)晶階段。首先，在電極壓力作用下凸點(diǎn)產(chǎn)生變形，壓力達(dá)到設(shè)定值以后，凸點(diǎn)高度下降約一半以上，這是預(yù)壓階段。本文采取的焊接壓力和材料一定，所以在預(yù)壓階段焊接截面下降的高度應(yīng)該一致。隨著焊接電源的接通，凸點(diǎn)由于焦耳熱產(chǎn)生熱量，個(gè)別接觸點(diǎn)的熔化逐步擴(kuò)大，形成足夠尺寸的熔化核心和塑性區(qū)。通電結(jié)束后，溶核在壓力作用下迅速冷卻結(jié)晶，形成焊接接頭。在接頭形成的過程中，焊接電壓主要影響通電加熱階段，焊接電壓增加，產(chǎn)生的焦耳熱增加，熔化的金屬多，通電結(jié)束后，結(jié)晶的寬度加大，需要的破壞力變大。所以，焊接電壓的加大，有利于提高焊接接頭的拉伸性能。

2.3 焊接材料對(duì)力學(xué)性能的影響

圖4為焊接接頭拉伸強(qiáng)度、斷口寬度與焊接電壓和材料的關(guān)系。由圖4可明顯地看出，焊接材料的確影響焊接接頭的拉伸強(qiáng)度，在相同的焊接電壓下，4J29/4J29焊接接頭的拉伸性能明顯優(yōu)于 4J29/1Cr18 Ni9Ti接頭，但是4J29/4J29焊接接頭的斷面寬度卻小于4J29/1Cr18Ni9Ti的接頭斷面。材料一樣的條件下，焊接接頭的寬度越寬，需要的破壞力就越大，證明焊接接頭的拉伸性能不僅與接頭的寬度有關(guān)，而且與焊接材料也有著緊密的關(guān)系。

圖4 焊接材料對(duì)焊接接頭拉伸強(qiáng)度、斷口寬度的影響Fig.4 Effect of the material on tensile strength and fractured surface width of the welding joint

首先，在壓力下焊接凸點(diǎn)產(chǎn)生變形，高度下降，這個(gè)過程由于不銹鋼硬度比4J29大，使4J29凸點(diǎn)下壓的高度較多，故焊接接頭面積大。通電加熱后，由于可伐合金的電阻小（接觸面積大）、產(chǎn)熱少，熔化的金屬隨之少，故冷卻后焊接接頭的寬度比不銹鋼的窄。金屬焊接接頭的連接形式取決于金屬組元間的原子尺寸、負(fù)電性、電子濃度和晶體結(jié)構(gòu)等因素。只有當(dāng)兩組元的原子半徑相對(duì)小于14%時(shí)[5]，才有可能形成固溶體。同種金屬焊接時(shí)，固溶度大于異種金屬，在焊接中較容易形成金屬間化合物，在結(jié)合面上形成共同晶粒而得到焊接接頭，故結(jié)合力較好，導(dǎo)致4J29/4J29材料焊接形成的焊接接頭的拉伸性能優(yōu)于4J29/1Cr18Ni9Ti，提高了拉伸性能。

2.4 添加金元素對(duì)力學(xué)性能的影響

圖5的曲線表現(xiàn)了焊接接頭拉伸強(qiáng)度與金摻雜元素的關(guān)系。

圖5 金添加元素對(duì)焊接接頭拉伸強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of gold additive on tensile strength of the welding joint

當(dāng)焊接材料摻雜金后，只要焊接電壓高于300V，那么形成的焊接接頭的破壞力值大于不摻雜金的可伐合金。表 1中當(dāng)焊接材料選用 4J29（摻雜金）/1Cr18Ni9Ti時(shí)，焊接電壓為300V時(shí)得到的焊接接頭的拉伸性能仍然優(yōu)于不摻雜金處理的接頭。綜上所述，4J29材料摻雜金后的確會(huì)提高焊接接頭的拉伸性能，焊接電壓越大，這種現(xiàn)象越明顯。在金屬焊接學(xué)中，改善焊縫金屬凝固組織有效方法之一就是向焊縫中添加某些合金元素，起固溶強(qiáng)化和變質(zhì)處理的作用。根據(jù)目的和要求的不同，可加入不同的元素，以改變凝固組織的形態(tài)，從而提高焊縫金屬的力學(xué)性能，例如，在低碳鋼和低合金鋼焊縫中加入Mn和Si元素，一方面可使焊縫金屬充分脫氧，另一方面可提高焊縫的抗拉強(qiáng)度（屬于固溶強(qiáng)化）[9]。在這里加入了金元素有可能也是改變了凝固組織的形態(tài)，提高了焊接接頭的拉伸性能，具體影響需要進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論

（1）本文采用電容儲(chǔ)能焊接方法實(shí)現(xiàn)了火工品常見材料4J29可伐合金和1Cr18Ni9Ti不銹鋼的凸焊快速凝固連接。

（2）當(dāng)焊接材料為4J29（摻雜金）/4J29（摻雜金），焊接電壓為360V的條件下獲得的焊接接頭需要的破壞力最大，可達(dá)3. 213 0kN。

（3）選定材料后，焊接電壓越大，焊接接頭的寬度越大，需要的破壞力越大，拉伸性能更優(yōu)。

（4）當(dāng)焊接電壓一定時(shí)，4J29/4J29焊接后形成的焊接接頭的拉伸性能優(yōu)于4J29/1Cr18Ni9Ti焊接后的焊接接頭。

（5）將4J29材料摻雜金后，可以提高焊接接頭的拉伸性能。

[1]Xu Jin-feng, Zhai Qiu-ya, Yuan Sen. Energy-storage welding connection characteristics of AZ91D magnesium alloy rapid solidification ribbons[J]. Journal of Materials Science and Technology, 2004, 20(4): 431-433.

[2]雷鳴,翟秋亞,徐錦鋒,等. Al2O3F/ADC12 復(fù)合材料儲(chǔ)能焊接頭組織形成規(guī)律[J].焊接學(xué)報(bào),2007(4):101-104.

[3]徐峰.0Cr18Ni9 奧氏體不銹鋼儲(chǔ)能焊接頭微觀組織分析[J].熱加工工藝,2009(3):114-118.

[4]徐峰.鋁合金儲(chǔ)能焊快速凝固接頭組織分析[J].金屬鑄鍛焊技術(shù),2010(39):148-150.

[5]王雅生,蔡洪能,張慶,薛小懷. 異種金屬電容儲(chǔ)能沖擊焊規(guī)范參數(shù)優(yōu)化及接頭連接機(jī)理分析[J].焊接,2000(11):14-16.

[6]徐峰.不銹鋼薄板儲(chǔ)能點(diǎn)焊接頭的顯微組織與力學(xué)性能[J].機(jī)械工程材料,2010,34(6):64-66.

[7]KOLUDISA S. The effect of the welding temperature on the weld ability in diffusion welding of martensite stainless steel with ductile cast iron[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2007(186): 33-35.

[8]楊立軍.材料連接設(shè)備及工藝[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

[9]杜則裕.材料連接原理[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.