晁耀杰,張義文,周元彪,滿常厚,李德勝,張季童,李勇,李敬,高育林,席家利
1.大連長(zhǎng)豐實(shí)業(yè)總公司 遼寧大連 116038
2.大連工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 遼寧大連 116034
1Cr18Ni9Ti屬于典型的18-8型鎳-鉻奧氏體不銹鋼,是我國(guó)產(chǎn)量最多的奧氏體不銹鋼,因其具備優(yōu)良的抗腐蝕性能而被廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、食品及醫(yī)療等領(lǐng)域[1,2]。在1Cr18Ni9Ti不銹鋼的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中,各種焊接結(jié)構(gòu)件必然要實(shí)現(xiàn)接頭的可靠連接[3,4]。
目前,在針對(duì)1Cr18Ni9Ti不銹鋼焊接的研究中,廣泛采用熔焊、釬焊和壓力焊等多種焊接方法。其中,電阻點(diǎn)焊作為壓力焊的一種,在工業(yè)部門各種1Cr18Ni9Ti不銹鋼材質(zhì)卡箍零件的制造中展現(xiàn)出了不可替代的優(yōu)勢(shì),因此在應(yīng)用范圍上有繼續(xù)增加的趨勢(shì)[5,6]。電阻點(diǎn)焊作為一種高速、經(jīng)濟(jì)的焊接方法,適用于制造可以采用搭接、接頭無(wú)氣密性要求且厚度<3mm的沖壓及軋制的薄板構(gòu)件。該工藝既能夠避免焊接熱量對(duì)母材性能造成的損傷,同時(shí)又克服了釬焊接頭強(qiáng)度低、脆性大的缺點(diǎn)[7]。但為保證連接接頭的服役可靠性,在1Cr18Ni9Ti不銹鋼電阻點(diǎn)焊工藝中選擇合適的焊接參數(shù)至關(guān)重要。
本文采用電阻點(diǎn)焊方法實(shí)現(xiàn)了1Cr18Ni9Ti不銹鋼板料的可靠連接,研究了電阻點(diǎn)焊接頭組織的形成過(guò)程,分析了焊接參數(shù)對(duì)接頭界面組織和性能的影響。此外,通過(guò)單一變量法優(yōu)化工藝參數(shù),研究了電流參數(shù)與接頭的組織形貌、力學(xué)測(cè)試和焊點(diǎn)尺寸特征之間的關(guān)系。
試驗(yàn)材料采用的是厚度為1mm的1Cr18Ni9Ti不銹鋼板,其化學(xué)成分見表1,熱處理狀態(tài)為:1030~1070℃熱軋+空冷。試驗(yàn)采用的點(diǎn)焊設(shè)備型號(hào)為DN-63-1,焊接參數(shù)見表2。采用線切割方法將1mm厚的1Cr18Ni9Ti不銹鋼板加工出100mm×20mm試樣,并采用SiC砂紙沿著長(zhǎng)度方向進(jìn)行機(jī)械打磨直至露出金屬光澤,表面粗糙度達(dá)到1000目(13μm),然后采用干凈的棉布蘸取工業(yè)無(wú)水酒精進(jìn)行擦拭,保障試樣表面無(wú)油污存在。本文采用單一變量方法開展電阻點(diǎn)焊試驗(yàn),在保證焊前加壓時(shí)間、加熱時(shí)間、降壓時(shí)間和電極壓力不變的前提下,通過(guò)改變焊接電流參數(shù),將試驗(yàn)分為5組,編號(hào)為1~5。
表1 1Cr18Ni9Ti不銹鋼板化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)
表2 點(diǎn)焊焊接參數(shù)
采用光學(xué)金相顯微鏡觀察到的點(diǎn)焊接頭宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知,接頭由焊核區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)等3部分構(gòu)成,熱影響區(qū)位于焊核區(qū)和母材區(qū)之間。以上3個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的微觀形貌分別如圖2a~c所示。由圖2a可知,母材區(qū)由奧氏體和少量鐵素體組成,晶粒內(nèi)分布著灰色的脆性?shī)A雜,圖2d成分測(cè)試表明,該脆性?shī)A雜為不銹鋼冶煉過(guò)程中產(chǎn)生的TiN。焊核區(qū)的晶粒形貌呈現(xiàn)為柱狀晶,且晶粒垂直于結(jié)合面。這是因?yàn)辄c(diǎn)焊過(guò)程中焊核區(qū)域發(fā)生重熔形成液態(tài)金屬,并在電動(dòng)力的作用下發(fā)生強(qiáng)烈攪拌,使液態(tài)金屬成分均勻化,結(jié)合面消失。在停止加熱后,液態(tài)金屬首先從自由能最低的焊核邊界開始結(jié)晶凝固,然后以柱狀晶形式向焊核中心延伸。熱影響區(qū)位于焊核邊界附近,在焊接熱的作用下焊核邊界形成半熔化區(qū),熱影響區(qū)的寬度較?。?50~250μm),且基本由等軸晶構(gòu)成。焊核區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)內(nèi)部的亮白色組織均為奧氏體,晶界處灰黑色組織為鐵素體。
圖1 點(diǎn)焊接頭宏觀形貌
圖2 點(diǎn)焊接頭界面結(jié)構(gòu)
為進(jìn)一步分析電阻點(diǎn)焊接頭力學(xué)性能的變化情況,按照?qǐng)D3所示位置開展了顯微硬度測(cè)試,點(diǎn)焊接頭的顯微硬度分布如圖4所示。由圖4可看出,點(diǎn)焊接頭各微區(qū)的顯微硬度差別較大,焊核區(qū)硬度最低,數(shù)值為220HV左右,母材區(qū)硬度最高,平均值為345HV,熱影響區(qū)的硬度浮動(dòng)加大,為240~310HV。焊核區(qū)硬度最低主要是由于焊核區(qū)形成了尺寸較大的奧氏體柱狀晶,而熱影響區(qū)形成了等軸奧氏體晶粒和少量鐵素體,且晶粒大小和組織分布不均勻?qū)е铝藷嵊绊憛^(qū)硬度浮動(dòng)較大。母材區(qū)未受到焊接熱的影響,晶粒未長(zhǎng)大,因此硬度最高。
圖3 點(diǎn)焊接頭顯微硬度測(cè)試位置示意
圖4 點(diǎn)焊接頭顯微硬度分布
根據(jù)圖5進(jìn)行剪切試驗(yàn)。圖6所示為不同焊接電流參數(shù)下點(diǎn)焊接頭的剪切力測(cè)試結(jié)果。由圖6可知,隨著焊接電流的增大,接頭的抗剪切能力先升高后降低,當(dāng)電流較小時(shí),點(diǎn)焊接頭未充分熔合,故剪切力較小;隨著焊接電流增大,接頭熔合逐漸充分,當(dāng)電流強(qiáng)度達(dá)到7.6kA時(shí),接頭具有最大抗剪切力(5500±50)N。這是因?yàn)楫?dāng)焊接電流>8.0kA時(shí),點(diǎn)焊接頭會(huì)出現(xiàn)飛濺,且飛濺導(dǎo)致焊核金屬減少,起連接作用的金屬量較少,從而導(dǎo)致強(qiáng)度降低。圖7、圖8所示為不同焊接電流參數(shù)下的壓痕深度與熔透率。由圖7、圖8可知,壓痕深度與熔透率均隨著焊接電流增大而增大,壓痕深度的增長(zhǎng)速率更快,而熔透率增長(zhǎng)速率變緩。這是因?yàn)楹附与娏髟酱螅糜谌刍臒崃吭黾?,點(diǎn)焊受壓部位變軟,導(dǎo)致壓痕深度增大;而當(dāng)焊接電流>7.6kA時(shí),點(diǎn)焊接頭發(fā)生飛濺,飛濺導(dǎo)致厚度方向上的焊核直徑尺寸無(wú)較大增長(zhǎng),進(jìn)而導(dǎo)致熔透率增長(zhǎng)緩慢。圖9中焊核直徑隨焊接電流增大而增大,當(dāng)焊接電流>7.6kA時(shí),焊核直徑增長(zhǎng)趨勢(shì)緩慢,這與點(diǎn)焊過(guò)程中飛濺等因素有關(guān)。
圖5 剪切試驗(yàn)示意
圖6 不同焊接電流參數(shù)下的剪切力
圖7 不同焊接電流參數(shù)下的壓痕深度
圖8 不同焊接電流參數(shù)下的熔透率
圖9 不同焊接電流參數(shù)下的點(diǎn)焊接頭特征與電流關(guān)系
針對(duì)剪切試驗(yàn)的斷口進(jìn)行觀察,主要分為界面斷裂和焊核剝離斷裂兩種斷裂模式[8,9],圖10a所示為界面斷裂,圖10b所示為焊核剝離斷裂,又稱“紐扣式斷裂”。界面斷裂發(fā)生在點(diǎn)焊的焊核中心位置,焊核剝離斷裂發(fā)生在熱影響區(qū),焊核整體基本未發(fā)生損傷,而是從焊點(diǎn)周圍的熱影響區(qū)發(fā)生撕裂。當(dāng)焊接電流<7.0kA時(shí),剪切試樣的斷口為界面斷裂;當(dāng)電流>7.0kA時(shí),剪切試樣會(huì)產(chǎn)生焊核剝離斷裂。通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)[10,11]可知,剪切試樣的焊核尺寸低于臨界尺寸時(shí)會(huì)發(fā)生界面斷裂,大于該尺寸時(shí)焊點(diǎn)會(huì)發(fā)生焊核剝離斷裂。
圖10 點(diǎn)焊接頭剪切斷裂形貌
臨界尺寸計(jì)算公式為
式中t——板材厚度(mm);
HFZ——焊核區(qū)的硬度值(HV);
HFL——焊核剝離斷裂模式下斷裂位置的硬度值 (HV);
f——焊核區(qū)剪切強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值。
點(diǎn)焊接頭剪切斷口掃描形貌如圖11所示。通過(guò)圖11可觀察到,兩種點(diǎn)焊接頭剪切斷裂模式斷口的微觀形貌均呈現(xiàn)出了微孔聚集型斷裂特征,均具有韌窩和撕裂楞,因此都有明顯的塑性斷裂特征,但與圖11b相比,圖11a顯示其韌窩數(shù)量更少且尺寸較小,由此可判斷出界面斷裂斷口的塑性明顯低于焊核剝離斷裂。這是因?yàn)榻缑鏀嗔盐恢檬呛负酥行?,焊核位置主要由粗大的柱狀晶?gòu)成,而焊核剝離斷裂的位置是焊核外圍的熱影響區(qū),熱影響區(qū)組織主要由等軸晶構(gòu)成,且等軸晶比粗大的等軸晶塑性要好。
圖11 點(diǎn)焊接頭剪切斷口掃描形貌
1)1Cr18Ni9Ti鋼點(diǎn)焊接頭由焊核區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)構(gòu)成,焊核區(qū)呈現(xiàn)為垂直于結(jié)合面的柱狀晶,熱影響區(qū)位于焊核邊界外圍,主要由等軸晶構(gòu)成,焊核區(qū)與熱影響區(qū)晶粒內(nèi)部的亮白色均為奧氏體組織,晶界處灰黑色的為鐵素體組織,母材區(qū)由奧氏體和少量鐵素體組成。
2)隨著焊接電流的增大,1Cr18Ni9Ti鋼點(diǎn)焊接頭的抗剪切能力先升高后降低,當(dāng)達(dá)到7.6kA時(shí),接頭獲得最大抗剪切力(5500±50)N,壓痕深度與熔透率均隨著焊接電流增大而增大,壓痕深度的增長(zhǎng)速率更快,焊核直徑也隨著焊接電流的增大而增大,當(dāng)焊接電流>7.6kA時(shí),焊核直徑增長(zhǎng)趨勢(shì)緩慢。
3)當(dāng)焊接電流<7.0kA時(shí),剪切試樣的斷口為界面斷裂;當(dāng)焊接電流>7.0kA時(shí),剪切試樣會(huì)產(chǎn)生焊核剝離斷裂,兩種點(diǎn)焊接頭剪切斷裂模式的微觀斷口均呈現(xiàn)出明顯的塑性斷裂特征,但界面斷裂斷口的塑性明顯低于焊核剝離斷裂。