SUS304不銹鋼板點(diǎn)焊接頭超聲成像及力學(xué)性能

張　龍,曾　凱,何曉聰,邢保英,孫鑫宇,胡　偉

(昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，昆明 650500)

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SUS304不銹鋼板點(diǎn)焊接頭超聲成像及力學(xué)性能

張龍,曾凱,何曉聰,邢保英,孫鑫宇,胡偉

(昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，昆明 650500)

利用超聲波水浸聚焦入射法，對1mm厚的SUS304奧氏體不銹鋼板點(diǎn)焊接頭進(jìn)行超聲C掃描成像檢測，研究不同焊接工藝參數(shù)下接頭的C掃描圖像特征，檢測分析點(diǎn)焊的熔核直徑，并對點(diǎn)焊接頭進(jìn)行拉伸-剪切實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：超聲波水浸聚焦C掃描成像法能夠有效檢測點(diǎn)焊熔核直徑，為4.76～5.25mm，比金相實(shí)測值大2.6%～5.3%；隨著焊接電流的增加(4～8kA)，接頭的失效載荷均值從7116.8N增加到9707.1N，能量吸收均值從66.3J增加到196J，同時反映在C掃描圖像上的熔核直徑也從4.76mm增加到5.11mm；當(dāng)焊接電流增加至9kA時，接頭的失效載荷均值下降至6799.5N，能量吸收均值下降至41.3J，此時在C掃描圖像上反映出飛濺、焊穿等典型的焊接缺陷。

不銹鋼點(diǎn)焊；超聲波C掃描；拉伸-剪切實(shí)驗(yàn)；熔核直徑；能量吸收

由于生產(chǎn)效率高、易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模自動化加工，電阻點(diǎn)焊已成為航空、航天和汽車制造領(lǐng)域中的主導(dǎo)加工工藝[1，2]。而不銹鋼材料外表美觀，具有良好的焊接性、耐磨性和耐腐蝕性[3，4]，所以地鐵、城市輕軌車輛的不銹鋼車體板材多使用點(diǎn)焊作為主要連接形式[5，6]。點(diǎn)焊接頭的力學(xué)性能決定了焊件的使用壽命，因此，生產(chǎn)中常把焊件的力學(xué)性能作為評定質(zhì)量的主要指標(biāo)之一[7]。目前，國內(nèi)外針對電阻點(diǎn)焊力學(xué)性能的研究范疇主要集中在破壞性實(shí)驗(yàn)、拉伸剪切實(shí)驗(yàn)、應(yīng)變硬化行為和顯微組織上。Reverdy等[8，9]對抽查的點(diǎn)焊產(chǎn)品構(gòu)件和點(diǎn)焊實(shí)驗(yàn)片進(jìn)行了破壞性實(shí)驗(yàn)，來檢測熔核直徑用以評估接頭質(zhì)量。傅延安等[10]通過拉伸剪切實(shí)驗(yàn)對冷軋熱鍍鋅雙相高強(qiáng)鋼電阻點(diǎn)焊性能進(jìn)行了評估, 得到合適的焊接工藝范圍及相應(yīng)的力學(xué)性能，并分析比較了鍍層對焊點(diǎn)力學(xué)性能的影響。劉偉等[11]對冷軋奧氏體不銹鋼進(jìn)行了研究，對比了國產(chǎn)和進(jìn)口301LN冷軋奧氏體不銹鋼板的應(yīng)變硬化行為和電阻點(diǎn)焊區(qū)域的組織。陳益平等[12]和王亞榮等[13]通過金相顯微鏡觀察了接頭的顯微組織特征，通過分析點(diǎn)焊接頭的顯微組織，研究了點(diǎn)焊接頭力學(xué)性能的變化規(guī)律。近年來，點(diǎn)焊接頭質(zhì)量評價方面正逐步融入新的檢測手段。國內(nèi)外學(xué)者[14-16]通過分析超聲波C掃描圖像特征和A掃描信號來測量點(diǎn)焊熔核直徑，與金相截面尺寸對比來確定超聲波C掃描的可行性。 Liu等[17]對不銹鋼板點(diǎn)焊接頭進(jìn)行超聲波C掃描檢測，通過在時域和頻域上的特征信號分析來獲得超聲波C掃描圖像，并利用當(dāng)量直徑算法程序計算熔核直徑。

本工作借助于超聲掃描顯微鏡，分析研究不同點(diǎn)焊工藝參數(shù)下的熔核內(nèi)部超聲波C掃描圖像特征；并借助于電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)，對試件進(jìn)行拉伸-剪切實(shí)驗(yàn)，從接頭的失效載荷、失效形式及能量吸收等方面分析點(diǎn)焊接頭的力學(xué)性能。

1　試件制備與實(shí)驗(yàn)方法

1.1試件制備

試件材料為SUS304奧氏體不銹鋼板，國標(biāo)為0Cr18Ni9，其化學(xué)成分如表1所示。由于母材抗拉強(qiáng)度的不同會直接影響到點(diǎn)焊工藝參數(shù)的選取，因此本實(shí)驗(yàn)選取的不銹鋼母材抗拉強(qiáng)度為820MPa，硬度為255HV。

表1　SUS304奧氏體不銹鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

采用DN-63型交流點(diǎn)焊機(jī)對SUS304奧氏體不銹鋼板進(jìn)行連接。被連接材料采用單搭點(diǎn)焊試樣，尺寸為110mm×20mm×1.0mm，其形狀及尺寸如圖1所示。將連接材料分為6組(B1～B6)，點(diǎn)焊試件工藝參數(shù)如表2所示。電極壓力為7.2kN，焊接時間為0.08s。

圖1　試件的尺寸及形狀Fig.1　The size and shape of the specimens

表2　點(diǎn)焊試件工藝參數(shù)

1.2實(shí)驗(yàn)方法

利用超聲水浸聚焦入射法對焊接好的SUS304奧氏體不銹鋼焊接接頭進(jìn)行超聲波C掃描成像檢測，掃描示意圖如圖2所示。檢測設(shè)備為超聲掃描顯微鏡，該超聲波檢測系統(tǒng)能夠較好地實(shí)現(xiàn)對點(diǎn)焊試件的超聲A掃描與C掃描、信號的采集處理以及C掃描圖像的顯示。其中，探頭的采樣頻率為30MHz，工作頻率為15MHz，分辨率為0.95μm， 焦距為19.05mm，增益為8。

采用電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)對制備好的試件進(jìn)行拉伸-剪切實(shí)驗(yàn)。為了減小拉伸-剪切過程中產(chǎn)生的附加彎矩，在試件兩端加持25mm×20mm×1.0mm墊片[18]。拉伸速率為5mm/min，對每組接頭進(jìn)行6次重復(fù)性拉伸-剪切實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，選取6次拉伸的失效載荷均值。

圖2　超聲波C掃描成像檢測Fig.2　Ultrasonic C-scan imaging detection

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1熔核直徑的測量及分析

為了更好地獲得熔核內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，探究點(diǎn)焊接頭的質(zhì)量，多次改變焊接工藝參數(shù)，并對不同工藝參數(shù)下獲得的接頭進(jìn)行評估。圖3為不同焊接工藝參數(shù)下通過C掃描獲得的點(diǎn)焊接頭典型圖樣。根據(jù)圖像中對應(yīng)波形信號的幅值、波形特征的變化，可將C掃描圖像分為3個特征區(qū)域。其中：區(qū)域1為熔核外層的黑色區(qū)域，即熱影響區(qū)；區(qū)域2為介于兩黑色區(qū)域間的、熔核向基板過渡的白色區(qū)域，即熔合區(qū)；區(qū)域3為熔核中部形狀較規(guī)則的圓形白色區(qū)域，即熔核區(qū)；最外側(cè)灰色的部分為基板區(qū)域。

觀察熔核起始位置(凹坑的斜坡部位)，分析斜坡部分來確定熔核直徑的大小。在每組的6個試件中，分別選取圖3(a)中C掃描圖像的區(qū)域1、區(qū)域2、區(qū)域3的內(nèi)邊緣作為各區(qū)域的起始點(diǎn)，測得熔核直徑如圖3(b)所示。

圖3　點(diǎn)焊熔核的C掃描圖像　(a)B1組；(b)B3組；(c)B4組；(d)B6組Fig.3　C-scan images of spot welding nugget　 (a)B1 group;(b)B3 group;(c)B4 group;(d)B6 group

對點(diǎn)焊接頭進(jìn)行金相試樣的制作，用氯化銅、鹽酸、無水乙醇、水按照1∶20∶20∶20 的比例混合成的腐蝕液腐蝕試件。試樣制備完成后通過金相顯微鏡觀察金相截面(圖4)并測量熔核直徑，與超聲波C掃描圖像測量值的對比列于表3中。

圖4　點(diǎn)焊熔核的金相圖Fig.4　Metallographic image of spot welding nugget

分析表明，基于C掃描圖像的點(diǎn)焊熔核直徑測量值比實(shí)測值大2.6%～5.3%。點(diǎn)焊接頭金相試樣制作完成后，熔核區(qū)(區(qū)域3)的形貌特征會明顯得顯現(xiàn)出來，熔合區(qū)(區(qū)域2)和熱影響區(qū)(區(qū)域1)的形貌特征顯現(xiàn)得并不明顯，通過金相顯微鏡觀察金相截面并測量出的熔核直徑實(shí)際應(yīng)為熔核區(qū)(區(qū)域3)的直徑；而在C掃描圖像中熔核區(qū)的分界線不明顯，基于C掃描圖像熔核直徑的測量是采用以區(qū)域3中內(nèi)緣作為起始點(diǎn)，其測量出的點(diǎn)焊熔核直徑將大于金相檢測中熔核區(qū)的直徑；并且，考慮所用探頭的分辨率為95μm，C掃描測量中也會引入測量誤差。

表3　點(diǎn)焊熔核直徑C掃描測量值與實(shí)測值對比

2.2失效載荷及失效形式

對6組點(diǎn)焊接頭進(jìn)行重復(fù)性拉伸-剪切實(shí)驗(yàn)后，所得到的接頭載荷-位移曲線如圖5所示。首先對接頭進(jìn)行強(qiáng)度分布特征分析，結(jié)果表明，各組接頭的抗拉強(qiáng)度均服從正態(tài)分布；再進(jìn)行分布參數(shù)估計(見表4)，各組接頭靜失效載荷數(shù)據(jù)有效，無異常值。

圖5　拉伸-剪切實(shí)驗(yàn)后接頭載荷-位移曲線(a)B1組；(b)B2組；(c)B3組；(d)B4組；(e)B5組；(f)B6組Fig.5　Load-displacement curves of joints with tensile-shear test(a)B1 group;(b)B2 group;(c)B3 group;(d)B4 group;(e)B5 group;(f)B6 group

表4　各組接頭正態(tài)分布參數(shù)估計值(N)

對于SUS304奧氏體不銹鋼板點(diǎn)焊接頭，隨著焊接電流的不斷增大(4～9kA)，點(diǎn)焊熔核直徑呈不斷增大趨勢(見表3)。而隨著焊接電流的增加(4～8kA),失效載荷均值從7116.8N增加到9707.1N;當(dāng)焊接電流為9kA時，失效載荷均值急劇下降至6799.5N(見表4),此時在C掃描圖像上反映出飛濺、焊穿等典型的焊接缺陷。即當(dāng)點(diǎn)焊接頭不存在焊接缺陷時(圖3(a)～(c))，隨著熔核直徑的增大，點(diǎn)焊接頭失效載荷呈上升趨勢；當(dāng)接頭出現(xiàn)焊接缺陷時(圖3(d))，即使熔核直徑繼續(xù)增加，失效載荷也會產(chǎn)生急劇下降的情況。

6組接頭經(jīng)過重復(fù)性拉伸-剪切實(shí)驗(yàn)后，所得到的失效形式如圖6所示。B1～B5組中主要失效形式為基板撕裂失效，在拉伸-剪切過程中，隨著位移的增大，載荷急劇增加，接頭和基板發(fā)生彈塑性變形。而隨著位移的進(jìn)一步增大，當(dāng)載荷達(dá)到最大值后，在一個較小的位移內(nèi)載荷急劇下降，接頭邊緣處出現(xiàn)裂紋。當(dāng)載荷隨著位移的增加而出現(xiàn)平穩(wěn)并有所上升時，開始進(jìn)入漫長的基板撕裂過程，最終為基板撕裂失效。這是由于接頭強(qiáng)度比較高，帶動基板出現(xiàn)撕裂直至撕斷基板，這種失效形式基板產(chǎn)生明顯變形。少數(shù)試件為接頭斷裂失效或混合失效(基板未完全撕裂而接頭斷裂失效)，接頭邊緣處出現(xiàn)裂紋后，載荷并沒有隨著位移的增加而出現(xiàn)平穩(wěn)，或出現(xiàn)短暫平穩(wěn)階段后，接頭開始斷裂失效。這是由于接頭強(qiáng)度不足而無法帶動基板撕裂或無法帶動基板撕裂完成，在這兩種失效形式下，基板產(chǎn)生的變形程度不明顯。在B6組中，隨著位移的增大，載荷急劇增加，當(dāng)載荷達(dá)到最大值后，在一個較小的位移內(nèi)載荷急劇下降，接頭開始出現(xiàn)斷裂失效。

圖6　接頭的失效形式(a)B1組;(b)B2組;(c)B3組;(d)B4組;(e)B5組;(f)B6組Fig.6　The failure modes of joints(a)B1 group;(b)B2 group;(c)B3 group;(d)B4 group;(e)B5 group;(f)B6 group

因此，當(dāng)點(diǎn)焊接頭不存在焊接缺陷時(圖3(a)，(b)，(c))，試件主要失效形式為基板撕裂失效，少數(shù)試件為接頭斷裂失效或混合失效；當(dāng)接頭出現(xiàn)焊接缺陷時(圖3(d))，試件失效形式為接頭斷裂失效。

2.3能量吸收

點(diǎn)焊接頭能量吸收值能夠反映接頭的緩沖吸震能力，6組接頭各自的能量吸收均值如圖7所示?？梢钥闯觯S焊接電流的增加(4～8kA)，前5組能量吸收均值逐漸增大(從66.3J增加到196J)，而第6組相對于第5組迅速減小，為41.3J。這是因?yàn)锽6組出現(xiàn)焊接缺陷導(dǎo)致點(diǎn)焊接頭強(qiáng)度不足，而使接頭能量吸收能力變小。因此，在不出現(xiàn)焊接缺陷的前提下，點(diǎn)焊接頭的能量吸收能力隨著熔核直徑的增加而增大，較大的熔核直徑在保證較高承載能力的前提下有更良好的能量吸收能力，此不僅符合高強(qiáng)度接頭質(zhì)量的要求，在緩沖吸震方面也有較好的效果。

圖7　接頭的能量吸收均值Fig.7　Average energy absorption value of joints

3　結(jié)論

(1)超聲波水浸聚焦C掃描成像法能夠有效檢測點(diǎn)焊熔核直徑，為4.76～5.25mm，比金相實(shí)測值大2.6%～5.3%。

(2)隨著焊接電流的增加(4～8kA)，接頭的失效載荷增值及能量吸收均值不斷增大，接頭在拉伸-剪切實(shí)驗(yàn)中所能承受的最大失效載荷均值可達(dá)9707.1N，所能承受的最大能量吸收均值可達(dá)196J。同時反映在C掃描圖像上的熔核直徑也是逐漸增大的。

(3)當(dāng)焊接電流增加至9kA時，接頭的失效載荷均值及能量吸收均值急劇下降，此時在C掃描圖像上反映出焊穿、飛濺等典型的焊接缺陷。

(4)當(dāng)點(diǎn)焊接頭不存在焊接缺陷時，試件主要失效形式為基板撕裂失效，少數(shù)試件為接頭斷裂失效或混合失效；當(dāng)接頭出現(xiàn)焊接缺陷時，試件失效形式為接頭斷裂失效。

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Ultrasonic Imaging and Mechanical Properties of Spot Welds Joint on SUS304 Stainless Steel

ZHANG Long，ZENG Kai，HE Xiao-cong，XING Bao-ying，SUN Xin-yu，HU Wei

(Faculty of Mechanical and Electrical Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，China)

The quality of spot welding joint in 1mm SUS304 austenitic stainless steel sheet was evaluated by using ultrasonic water immersion focusing method. The features of the ultrasonic C-scan image and nugget diameters were analyzed under different welding process parameters. Furthermore, the tensile-shear tests were carried out to examine the mechanical behavior of sport welding joint.The results show that the C-scan image can effectively get nugget diameter from the inner pattern of the spot welding joint based on ultrasonic water immersion focusing C-scan method. The measured nugget diameter is range from 4.76mm to 5.25mm, and it is 2.6%-5.3% larger than inspection diameter. When the welding current is changed from 4kA to 8kA, the failure load average increases from 7116.8N to 9707.1N and energy absorption value increases from 66.3J to 196J. And the nugget diameter of the ultrasonic C-scan image increases from 4.76mm to 5.11mm, too. When the welding current is added to 9kA, the failure strength decreases to 6799.5N and energy absorption value decreases to 41.3J rapidly, it can get the information which includes splash, solder to wear and other weld defects from the ultrasonic C-scan image.

stainless steel spot welding；ultrasonic C-scan；tensile-shear test；nugget diameter；energy ab-sorption

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(5565022，5565023)

2015-07-28;

2016-01-15

曾凱(1976—)，男，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事材料連接及質(zhì)量檢測分析、結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計等方面研究工作，聯(lián)系地址：云南省昆明市呈貢區(qū)昆明理工大學(xué)機(jī)電樓320室(650500)，E-mail:kmzk201109@163.com

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.04.005

TG115.28

A

1001-4381(2016)04-0026-06