電極材料對非等厚不銹鋼點(diǎn)焊熔核偏移的影響

張勇，李志強(qiáng)，王亭，孟慶順

1.中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130022

2.吉林大學(xué) 材料學(xué)院，吉林 長春 130021

0 引言

隨著國內(nèi)軌道車輛制造技術(shù)的高速發(fā)展，軌道車輛已經(jīng)成為“中國制造”的一張名片成功進(jìn)入國際市場，且不銹鋼車輛占到出口城市軌道車輛的70%以上。電阻點(diǎn)焊是不銹鋼軌道車輛制造最主要的焊接工藝之一，由于電阻點(diǎn)焊的熔核在密閉空間內(nèi)形成導(dǎo)致焊接質(zhì)量檢測困難［1-3］，因此電阻點(diǎn)焊工藝性的選擇顯得尤為重要。

焊接電流、焊接時間、電極壓力和電極的材質(zhì)及形狀都是影響點(diǎn)焊質(zhì)量的關(guān)鍵因素，電極材料的選擇要滿足高溫下較高強(qiáng)度和硬度、良好耐氧化、物理性能穩(wěn)定不易粘連等基本要求。電極的選用主要有兩個方面：一是選擇合適的電極材料，二是對電極進(jìn)行特殊處理。劉波等［4］分析了焊鉗電極對點(diǎn)焊質(zhì)量的影響，結(jié)果表明不同材質(zhì)的鉻鋯銅和鈹鈷銅對點(diǎn)焊質(zhì)量存在較大的影響。王威等［5］采用深冷技術(shù)對鍍鋅鋼板點(diǎn)焊電極進(jìn)行處理，得到較好的效果。電阻點(diǎn)焊的工藝特點(diǎn)決定了不合適的板厚組合容易引起未熔合、熔核偏移等質(zhì)量缺陷，目前通用的軌道車輛焊接國際標(biāo)準(zhǔn)EN15085中明確要求點(diǎn)焊的板厚組合板厚比不大于1∶3［6］，但是實(shí)際產(chǎn)品中受結(jié)構(gòu)等方面的限制仍然存在板厚比較大的點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)，如何保證該部分點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是不銹鋼車輛生產(chǎn)中存在的難題。顏福裕等［7］研究了外加磁場對非等厚鋁合金電阻點(diǎn)焊熔核偏移的影響，研究結(jié)果表明針對熔核偏移較嚴(yán)重的板材厚度組合，外加磁場改善熔核偏移的作用更加明顯。李雪飛等［8］采用異種結(jié)構(gòu)電極和硬規(guī)范點(diǎn)焊不等厚不銹鋼，得到理想的點(diǎn)焊熔核。毛鎮(zhèn)東等［9］建立了仿真模型對不等厚鋁合金點(diǎn)焊進(jìn)行了分析。邱然鋒等［10］針對非等厚不銹鋼板點(diǎn)焊熔核偏移的問題，采用三種電極組合方式對非等厚不銹鋼板進(jìn)行點(diǎn)焊，結(jié)果表明非等厚不銹鋼點(diǎn)焊時采用反焊法能減小絕對偏移量。

點(diǎn)焊過程中電極的散熱情況也是影響點(diǎn)焊質(zhì)量的重要因素，本文主要針對不同點(diǎn)焊電極材料的導(dǎo)電率和熱導(dǎo)率特性對不等厚不銹鋼板電阻點(diǎn)焊質(zhì)量的影響進(jìn)行分析研究，在厚板側(cè)采用鉻鋯銅電極，在薄板側(cè)分別采用鉻鋯銅、鈹銅、鎢銅電極，在電極形狀、焊接參數(shù)一致的前提下焊接非等厚不銹鋼，并對熔核尺寸和形貌進(jìn)行對比分析，研究不同電極材料對點(diǎn)焊質(zhì)量的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為軌道車輛用SUS301L-DHT不銹鋼，本文選擇具有代表性的1∶2和1∶3不等厚板點(diǎn)焊組合，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 SUS301L不銹鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Chemical composition of SUS301L stainless steel （wt.%）

采用不同電極材料進(jìn)行電阻點(diǎn)焊的主要目的是利用電極材料的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能不同來改變不等厚不銹鋼板點(diǎn)焊過程中出現(xiàn)的熔核偏移現(xiàn)象，當(dāng)熔核偏移比較嚴(yán)重時可能會出現(xiàn)未熔合、熔核達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求、拉剪載荷過小等質(zhì)量問題。試驗(yàn)所用電極材料為鉻鋯銅、鈹鈷銅和鎢銅，其中鉻鋯銅的導(dǎo)電率最高，也是點(diǎn)焊電極最常用的材料，鈹鈷銅和鎢銅的硬度比鉻鋯銅高，但其導(dǎo)電率和熱導(dǎo)率較低，電極材料性能參數(shù)如表2所示。

表2 電極材料的性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of electrode materials

焊接設(shè)備采用日本NASTOA逆變恒流控制點(diǎn)焊機(jī)，點(diǎn)焊電極壓力為9 kN，預(yù)熱電流7 kA，預(yù)熱時間7 cyc，冷卻時間5 cyc，焊接電流10 kA，焊接時間25 cyc，采用點(diǎn)焊電極端面為R100，電極組合如表3所示。

表3 點(diǎn)焊試驗(yàn)電極組合Table 3 Electrode combination for spot welding test

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

電阻點(diǎn)焊過程中形成點(diǎn)焊熔核的熱量來源是電流與上、下電極之間的電阻共同作用的結(jié)果。點(diǎn)焊過程中，電流通過工件時在電阻的作用下產(chǎn)生電阻熱的同時熱量向電極方向和鋼板的四周散熱，而為防止電極達(dá)到軟化溫度后發(fā)生軟化現(xiàn)象，電極一般都帶有冷卻裝置，因此電極本身的導(dǎo)電率和熱導(dǎo)率直接影響電極端部的溫度，從而影響熱量向電極方向的傳導(dǎo)效率。由表2可以看出，鈹鈷銅和鎢銅的導(dǎo)電率比鉻鋯銅小，電極材料本身發(fā)熱量比鉻鋯銅大，而熱導(dǎo)率比鉻鋯銅小，因此點(diǎn)焊過程中同等條件下通過鈹鈷銅和鎢銅電極傳遞消耗的熱量比鉻鋯銅小，從而改變了電極與鋼板接觸面的散熱條件，點(diǎn)焊熔核形狀發(fā)生規(guī)律性的變化。

圖1是電阻點(diǎn)焊接頭特征尺寸的注釋，熔透率=熔核厚度/點(diǎn)焊后板厚，如上板熔透率f1=L2/（h1-c1），將上下板熔透率的比值（f1/f2）定義為上下熔核熔透率比。

圖1 接頭特征尺寸注釋Fig.1 Joint feature size

圖2分別為板厚1 mm+2 mm和1 mm+3 mm組合時不同電極材料上電極的點(diǎn)焊熔核形貌?？梢钥闯?，上下電極均為鉻鋯銅材質(zhì)的A1、A2試件的熔核在薄板側(cè)均出現(xiàn)凹陷現(xiàn)象，熔核厚度與板材厚度比較小，B2和C2試件采用鈹鈷銅和鎢銅作為上電極的熔核凹陷情況有所改善，B1和C1試件薄板側(cè)則呈現(xiàn)橢圓狀熔核，其中C1和C2采用鎢銅上電極的熔核最為明顯。

圖2 不同電極材料點(diǎn)焊熔核形貌Fig.2 Nugget morphology of spot welding with different electrode materials

為更加直觀地分析不同電極材料對點(diǎn)焊熔核形狀的影響，針對熔核熔透率和上下熔核熔透率比進(jìn)行了定量比較，如表4所示。鈹鈷銅和鎢銅作為上電極的上熔核最大熔透率和上下熔核熔透率均比鉻鋯銅上電極的試件高，與上下電極都為鉻鋯銅相比，1 mm+2 mm和1 mm+3 mm板厚組合鈹鈷銅電極材料的上熔核最大熔透率分別增加了8%和15.9%，鎢銅電極材料的上熔核熔透率分別增加了40%和18.5%；鈹鈷銅電極材料的上下熔核熔透比分別增加11.9%和8.9%，鎢銅電極材料的上熔核熔透率分別增加了47.4%和16.1%。說明鈹鈷銅電極和鎢銅電極作為點(diǎn)焊薄板側(cè)的電極對不等厚板點(diǎn)焊熔核偏移現(xiàn)象均有較大的改善，相對而言鎢銅電極效果更為明顯。

表4 不同電極材料熔核尺寸對比Table 4 Comparison of nugget sizes with different electrode materials

圖3和表5分別是使用不同電極材料的點(diǎn)焊熔核面積示意圖和點(diǎn)焊熔核面積對比，可以看出，上下電極均為鉻鋯銅的點(diǎn)焊上下熔核面積比最小，上電極為鎢銅的上下熔核面積比最大。與上下電極都為鉻鋯銅的A1和A2試樣相比，上電極為鈹鈷銅的1 mm+2 mm和1 mm+3 mm板厚組合的熔核面積比分別增加了19%和21.4%，上電極為鎢銅的1 mm+2 mm和1 mm+3 mm板厚組合的熔核面積比分別增加了54.9%和35.7%，說明在薄板側(cè)使用鈹鈷銅和鎢銅電極材料時熔核明顯向薄板側(cè)偏移，進(jìn)一步驗(yàn)證了不同電極材料對熔核生長方向均有較大的作用，鑒于鎢銅的導(dǎo)電率小于鈹鈷銅，鎢銅電極的發(fā)熱率更大，在熱導(dǎo)率差別不大的情況下鎢銅作為薄板側(cè)的電極材料熔核偏移效果更為明顯。

圖3 不同電極材料點(diǎn)焊熔核面積Fig.3 Nugget area of spot welding with different electrode materials

表5 不同電極材料點(diǎn)焊熔核面積對比Table 5 Comparison of nugget area in spot welding with different electrode materials

2.2 不同電極材料對點(diǎn)焊接頭拉伸強(qiáng)度的影響

點(diǎn)焊試件的拉剪載荷是點(diǎn)焊質(zhì)量最直觀的表現(xiàn)，也是最易檢測的點(diǎn)焊質(zhì)量指標(biāo)之一，因此針對不同電極材料制作的點(diǎn)焊試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。每種電極材質(zhì)制作3個試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，取其均值來衡量點(diǎn)焊試件質(zhì)量，拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

由表6可知，鈹鈷銅和鎢銅作為上電極材料時1 mm+2 mm和1 mm+3 mm板厚組合的點(diǎn)焊試件拉剪強(qiáng)度均有所增加，1 mm+2 mm板厚組合當(dāng)上電極為鈹鈷銅時，B1的平均拉剪強(qiáng)度較A1增加4.5%，上電極為鎢銅時C1試件平均拉剪強(qiáng)度比A1試件增加11.8%；1 mm+3 mm板厚組合當(dāng)上電極為鈹鈷銅時，B2的平均拉剪強(qiáng)度較A2試件增加4.1%，上電極為鎢銅時C2試件平均拉剪強(qiáng)度比A2試件增加10.3%。

但與熔核熔透率比和熔核面積比相比，增加幅度較小，這是因?yàn)殡m然不同電極材料點(diǎn)焊熔核形貌變化較大，但是對拉剪強(qiáng)度影響最大的熔核直徑變化很小，且拉剪時均為薄板撕裂的破壞方式造成的。然而，當(dāng)點(diǎn)焊板厚差別較大時點(diǎn)焊熔核完全偏向厚板一側(cè)，此時熔核偏移尺寸對點(diǎn)焊拉剪強(qiáng)度影響加大。根據(jù)相關(guān)焊接標(biāo)準(zhǔn)要求，正常點(diǎn)焊板厚組合要求板厚比不能超過1∶3，因此本文未針對板厚差別較大的點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)進(jìn)行電極材料的實(shí)驗(yàn)。

3 結(jié)論

（1）鈹鈷銅和鎢銅作為上電極的上熔核最大熔透率和上下熔核熔透率均比鉻鋯銅上電極的試件高，與上下電極都為鉻鋯銅相比，1 mm+2 mm和1 mm+3 mm板厚組合鎢銅電極材料的上熔核熔透率分別增加了40%和18.5%，上下熔核熔透比分別增加了47.4%和16.1%。

（2）鈹鈷銅和鎢銅作為上電極材料時，1 mm+2 mm和1 mm+3 mm板厚組合的點(diǎn)焊試件拉剪強(qiáng)度均有所增加，但與熔核熔透率比和熔核面積比相比，增加幅度較小。

（3）從上下熔核熔透率和點(diǎn)焊試件的拉剪強(qiáng)度作為評價指標(biāo)來看，鎢銅作為薄板側(cè)電極、鉻鋯銅作為厚板側(cè)電極時效果較為明顯，并適合在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用。