不銹鋼單側(cè)磁控電阻點焊工藝研究

徐 野 祁 麟 韓曉輝 葉結(jié)和 李永兵

1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，青島，2661112.上海交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室，上海，2002403.上海交通大學(xué)上海市復(fù)雜薄板結(jié)構(gòu)數(shù)字化制造重點實驗室，上海，200240

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快，軌道交通已成為完善城市建設(shè)、推動經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要保障。不銹鋼材料因其具有良好的抗腐蝕性能、機(jī)械性能及外觀美觀等優(yōu)點，在現(xiàn)有軌道車輛車體中得到廣泛應(yīng)用[1]。電阻點焊工藝具有熱輸入量較小、成本低、工藝適應(yīng)性好、焊接質(zhì)量可靠等優(yōu)點，是目前各類不銹鋼車體中最主要的點連接工藝，平均每輛不銹鋼車體焊點總數(shù)可達(dá)30 000個。然而，不銹鋼具有電阻率大、熱導(dǎo)率小、熱膨脹系數(shù)大、高溫強度高等特性，在焊接過程中容易產(chǎn)生裂紋、縮孔、晶間腐蝕、晶粒粗大等焊接缺陷[2-4]。生產(chǎn)過程中常通過增大電極壓力、增大焊接電流等方法來增加總體熱輸入量，或者采取焊后熱處理(如焊后回火)的方式來改善熔核內(nèi)部組織，提升接頭焊接質(zhì)量[5]。然而這類方法需要消耗更多能量，增加焊接工序，加速電極帽磨損，最終拖慢生產(chǎn)進(jìn)度從而增加生產(chǎn)成本。

磁控電阻點焊是一種基于傳統(tǒng)電阻點焊工藝，通過外加磁場對熔核中液態(tài)金屬進(jìn)行電磁攪拌的一種新型電阻點焊工藝方法。沈琦等[6]通過研發(fā)一種上下對稱布置的圓柱形軸向充磁永磁體裝置，研究了外加磁場對高強鋼DP590/780/980等材料的接頭性能影響規(guī)律，驗證了外加磁場可以通過非接觸式攪拌對焊核的形核過程產(chǎn)生影響，從而達(dá)到增大熔核直徑、細(xì)化晶粒組織、提升接頭力學(xué)性能的目的。羅震等[7]設(shè)計了一種大直徑上下對稱布置的圓柱形軸向充磁永磁體裝置，研究了外加磁場作用下鎂合金、鋁合金的焊接過程。實驗表明，外加磁場對輕質(zhì)金屬的熔核直徑、力學(xué)性能具有顯著的提升作用。

然而在實際生產(chǎn)中，車體的側(cè)墻、底架等大量焊接工位采用單側(cè)電阻點焊機(jī)而非雙側(cè)電阻點焊機(jī)，現(xiàn)有技術(shù)成果中的雙側(cè)磁控裝置均采用軸向充磁方式，需要在上下電極桿對稱布置磁控裝置以通過軸向互斥作用生成徑向有效磁場，不適用于單側(cè)電阻點焊設(shè)備的焊接工況。因此本實驗通過開發(fā)適用于單側(cè)電阻點焊機(jī)的徑向充磁磁控裝置，研究外加磁場對不銹鋼焊接接頭宏觀、微觀和力學(xué)性能的影響規(guī)律，最終對磁控效果進(jìn)行評估。

1 實驗方法

1.1 實驗材料與設(shè)備

本實驗采用不銹鋼板301L為研究對象，選用實際生產(chǎn)過程中常用的1.5 mm+2.5 mm差厚板組合進(jìn)行實驗。實驗前，將整張板材預(yù)裁剪為150 mm×50 mm的試片，便于進(jìn)行金相試樣制備及力學(xué)性能試驗。不銹鋼301L的化學(xué)成分如表1所示，物理屬性如表2所示，可以看出不銹鋼301L與普通低碳鋼相比具有電阻率大、熱導(dǎo)率小、線膨脹系數(shù)大以及高溫強度高的冶金特點，因此在焊接過程中容易形成焊透率低、縮孔、飛濺、晶粒粗大等常見焊接缺陷，對焊接工藝提出更高要求。

表1不銹鋼301L的合金元素含量

Tab.1Alloyelementcontentofstainlesssteel301L%

w(C)w(Mn)w(Si)w(P)w(S)w(Cr)w(Ni)w(N)≤0.03≤2.00≤1.00≤0.030≤0.04516.0～18.06.0～8.0≤0.20

表2 不銹鋼301L與普通低碳鋼物理屬性對比

實驗中焊接設(shè)備為型號為NM-CC3的單側(cè)電阻點焊機(jī)，如圖1所示。該焊機(jī)所能提供的最大電流為20 kA，最大焊接壓力為15 kN，電極桿直徑為16 mm，電極帽為平電極帽，其端面直徑為16 mm。

圖1 NM-CC3單側(cè)電阻點焊機(jī)Fig.1 NM-CC3 single-side resistance spot welding machine

1.2 單側(cè)磁控電阻點焊裝置設(shè)計

為適應(yīng)單側(cè)電阻點焊機(jī)實際生產(chǎn)過程，本研究改變了傳統(tǒng)研究中永磁體的充磁方向，設(shè)計出單側(cè)磁控電阻點焊裝置。如圖 2a所示，該裝置將外加磁場施加模式從軸向充磁通過上下對稱布置以產(chǎn)生徑向有效磁場改為進(jìn)行徑向充磁直接產(chǎn)生徑向有效磁場，因此本磁控裝置僅需要通過單側(cè)布置即可實現(xiàn)為熔核區(qū)提供有效的徑向磁場來完成磁控電阻點焊過程。永磁體材料為釹鐵硼N52，永磁體如圖 2b 所示，其中永磁體高度為15 mm，厚度為5 mm，采用四瓣式設(shè)計，每一瓣弧度為90°。為準(zhǔn)確裝夾永磁體并將永磁體固定在電極桿上，實驗設(shè)計了如圖2c所示的永磁體夾具，其內(nèi)徑為17 mm，外徑為24 mm，夾具上端預(yù)制螺紋孔，通過緊固螺絲將磁控裝置固定在電極桿下端，電極帽下端面凸出永磁體下端面1 mm，以避免工作中永磁體與工件之間發(fā)生干涉。

(a)磁控裝置 (b)徑向充磁永磁體 (c)永磁體夾具圖2 磁控電阻點焊裝置示意圖Fig.2 Diagram of magnetic resistance spot welding device

1.3 焊接時序與工藝參數(shù)確定

焊接時序采用現(xiàn)場應(yīng)用的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)——《軌道車輛不銹鋼電阻焊通則》，該標(biāo)準(zhǔn)的焊接時序如圖3所示，包括預(yù)壓階段、多脈沖焊接階段和保壓階段。依據(jù)軌道車輛現(xiàn)行制造標(biāo)準(zhǔn)，1.5 mm+2.5 mm組合的差厚板最小熔核直徑為5.6 mm。實驗前，測出無外加磁場條件下達(dá)到最小熔核直徑所需要的電流為9.5 kA，此時熔核直徑為5.72 mm，滿足標(biāo)準(zhǔn)。為驗證外加磁場條件下不同焊接參數(shù)對熔核直徑、力學(xué)性能的影響，本實驗基于現(xiàn)行制造標(biāo)準(zhǔn)中的工藝規(guī)定，設(shè)計了三種不同的電流參數(shù)對有無外加磁場的焊接過程進(jìn)行了對比實驗，具體參數(shù)如表3所示。

圖3 焊接時序圖Fig.3 Welding sequence diagram

電流(kA)壓力(kN)預(yù)壓時間(ms)脈沖數(shù)單段脈沖時間(ms)冷卻時間(ms)保壓時間(ms)9.0/9.5/10.010.51 5003110201 500

2 實驗與分析

2.1 熔核宏觀分析

傳統(tǒng)電阻點焊與磁控電阻點焊熔核宏觀金相對比如圖4所示，本文通過金相制樣對兩種工藝得到的焊點進(jìn)行宏觀形貌分析。研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)點焊熔核呈扁橢圓狀，而外加磁場下的熔核形貌呈現(xiàn)兩端厚、中間薄的花生殼形狀。表明采用徑向充磁的永磁體在單側(cè)施加外加磁場，可以在有效焊接區(qū)域產(chǎn)生徑向磁場，從而改變?nèi)酆藘?nèi)部金屬的流動規(guī)律。通過外加磁場與電流的交互作用，產(chǎn)生的周向洛倫茲攪拌力，推動熔融金屬在熔核內(nèi)部做高速旋轉(zhuǎn)運動，從而將熱量從熔核中心帶到熔核邊緣處，使得邊緣加厚，中心處減薄。

(a)I=9.0 kA(傳統(tǒng)電阻點焊)

(c)I=9.5 kA(傳統(tǒng)電阻點焊)

(e)I=10.0 kA(傳統(tǒng)電阻點焊)

(f)I=10.0 kA(磁控電阻點焊)圖4 傳統(tǒng)電阻點焊與磁控電阻點焊熔核宏觀金相對比Fig.4 Macroscopic contrast diagram of nugget in traditional resistance spot welding and magnetic assisted resistance spot welding

在電流分別為9.0 kA、9.5 kA和10.0 kA條件下，磁控電阻點焊接頭的熔核直徑較傳統(tǒng)接頭直徑分別增大9.96 %、6.09 % 和5.48 %，可見該徑向單側(cè)充磁磁控裝置可以有效增大熔核直徑，且電流越小提升效果越顯著。在電流為9.0 kA條件下，傳統(tǒng)點焊熔核直徑為5.52 mm，不滿足軌道車輛最小熔核直徑標(biāo)準(zhǔn)尺寸，而在外加磁場作用下，熔核直徑為6.07 mm，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。因此，磁控電阻點焊可以有效保障接頭焊接質(zhì)量。隨著焊接電流的逐漸增大，磁控效果相對減弱，這是由于大電流條件下熔核直徑已經(jīng)足夠大，而且電極帽的端面直徑限制了熔核尺寸的進(jìn)一步增大，強電磁攪拌會誘發(fā)飛濺發(fā)生，因此大電流條件下無法采用磁控裝置有效增大熔核直徑，導(dǎo)致接頭強度磁控效果減弱。綜上，新型徑向充磁的磁控裝置可以僅通過在焊槍單側(cè)布置磁場，實現(xiàn)對熔核區(qū)的有效電磁攪拌，且效果顯著。

2.2 微觀組織分析

電阻點焊接頭的晶粒尺寸、微觀組織和顯微硬度等特性主要取決于焊接過程中熔核內(nèi)溫度場的梯度分布情況以及冷卻速度。因此，外加徑向磁場的作用從機(jī)理上改變了熔核內(nèi)部的溫度分布情況。圖5、圖6列出了電流為9.5 kA條件下傳統(tǒng)電阻點焊和磁控電阻點焊微觀組織對比圖。通過圖5b可以看出，傳統(tǒng)電阻點焊得到的焊點在邊緣處呈現(xiàn)大量枝狀晶，晶粒的方向沿中心到邊緣的溫度梯度分布，由此可見，傳統(tǒng)電阻點焊的熔核兩側(cè)熔化時溫度遠(yuǎn)高于其他部分熔化時的溫度，因此在凝固結(jié)晶過程中，這一區(qū)域由于溫度梯度較大，形成了粗大的晶粒。圖6b展示了磁控電阻點焊接頭在焊核邊緣處的微觀形貌，可以看出熔核邊緣處粗大枝狀晶得到細(xì)化，方向性也有所減弱。其原理是在焊接階段，熔融金屬在電磁力攪拌作用下做高速周向旋轉(zhuǎn)運動，使得熔核在增大的同時，熔核內(nèi)溫度梯度顯著降低；在冷卻凝固階段，電磁攪拌力伴隨焊接電流消失，但在初始階段液態(tài)金屬在慣性力作用下，依然做高速流動，因此能夠打碎枝晶，細(xì)化熔核邊緣的晶粒。在凝固后期，因為熔核中溫度梯度小，因此形成了細(xì)小的等軸晶。

(a)傳統(tǒng)電阻點焊

(b)圖5a中a1位置

(c)圖5b中a2位置圖5 傳統(tǒng)電阻點焊接頭微觀組織Fig.5 Microstructure of traditional resistance spot welding joint

對比傳統(tǒng)電阻點焊接頭組織(圖5c)與磁控點焊接頭組織(圖6c)可知，磁控電阻點焊具有細(xì)化晶粒組織和減少組織方向性的作用，在外加磁場作用下柱狀晶變?yōu)榈容S晶。由此可以證明，徑向充磁的單側(cè)磁控裝置在機(jī)理上具備較好的電磁攪拌能力，可以替代傳統(tǒng)的雙側(cè)對稱布置磁控裝置，實現(xiàn)在單側(cè)電阻點焊機(jī)上的應(yīng)用。

(a)磁控電阻點焊

(b)圖6a中b1位置

(c)圖6b中b2位置圖6 磁控電阻點焊接頭微觀組織Fig.6 Microstructure of magnetic assisted resistance spot welding joint

2.3 接頭力學(xué)性能

本文對不同電流下外加磁場接頭與傳統(tǒng)接頭的拉剪力進(jìn)行了對比，如圖7所示。外部磁場對接頭拉剪力具有不同程度的提升效果。在電流為9.0 kA條件下，磁控接頭拉剪力較傳統(tǒng)接頭拉剪力增大15.8%，由前文可知，當(dāng)電流較小，工藝參數(shù)越接近最小熔核直徑標(biāo)準(zhǔn)時，磁控裝置對熔核直徑的增大效果越顯著。此外，綜合圖8最大拉剪力下的位移結(jié)果分析可知，磁控電阻點焊接頭拉剪力和最大位移均增大，表明外部磁場能夠顯著提升接頭的韌性。因此，在熔核直徑增大、縮孔減少、組織細(xì)化的綜合作用下，磁控接頭的力學(xué)性能得到了顯著提升。

圖7 傳統(tǒng)電阻點焊接頭與磁控電阻點焊接頭在不同電流下的拉剪力Fig.7 Lap-shear load of traditional resistance spot welding and magnetic assisted resistance spot welding joints under different welding currents

圖8 傳統(tǒng)電阻點焊接頭與磁控電阻點焊接頭在不同電流下的最大位移Fig.8 Maximum displacement of traditional resistance spot welding and magnetic assisted resistance spot welding joints under different welding currents

綜合分析圖7與圖8中傳統(tǒng)電阻點焊接頭與磁控電阻點焊接頭在不同電流下的拉剪力與位移對比結(jié)果可知，隨著電流增大，拉剪力與位移增幅呈遞減趨勢，這主要是因為電流增大后，不斷接近焊接窗口右邊界，焊點瀕臨飛濺，此時熔核直徑生長受到抑制，因此拉剪力與位移的提升率也隨之降低。另一方面，可以看出，磁控電阻點焊在電流為9.0 kA時的拉剪力與電流為9.5 kA時傳統(tǒng)熔核的拉剪力接近，而電流為9.5 kA的磁控拉剪力略高于電流為10.0 kA下的傳統(tǒng)接頭拉剪力，說明使用磁控裝置后，在保證焊接質(zhì)量不變的前提下可以減小焊接電流約500 A，在大規(guī)模生產(chǎn)中可以起到顯著的節(jié)能降本作用。

3 結(jié)論

(1)通過對磁控接頭與傳統(tǒng)接頭的宏觀焊核對比可知，在徑向充磁磁控裝置作用下，焊接接頭呈現(xiàn)出兩邊厚中心薄的花生殼形狀，且在電流相對較小時，磁控電阻點焊接頭直徑增大效果顯著。

(2)通過微觀組織分析可知，在徑向充磁磁控裝置電磁力的攪拌作用下，熔核內(nèi)部的溫度梯度更加均勻，粗大的樹枝晶被打碎，晶粒組織得到明顯細(xì)化。

(3)通過力學(xué)性能研究可知，磁控電阻點焊接頭拉剪力顯著提升，在電流相對較小時增長率更大,具有良好的韌性。在減小500 A焊接電流情況下，依然可以獲得與傳統(tǒng)接頭性能相當(dāng)?shù)慕宇^強度，具有良好的節(jié)能作用。

(4)徑向充磁磁控電阻點焊裝置可以僅通過在工件一側(cè)進(jìn)行單側(cè)布置，實現(xiàn)在單側(cè)電阻點焊設(shè)備上的磁控電阻點焊，突破了長期以來磁控裝置只能雙側(cè)施加的技術(shù)挑戰(zhàn)。