蜂窩與K418B高溫合金電阻定位焊工藝研究

黃斌，徐相波，劉漢明，鄧黎鵬，劉強，黃永德*

蜂窩與K418B高溫合金電阻定位焊工藝研究

黃斌1，徐相波2，劉漢明2，鄧黎鵬2，劉強2，黃永德2*

（1.中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司，湖南 株洲 412000；2.南昌航空大學 航空制造工程學院，南昌 330063）

獲得蜂窩電阻定位焊的最佳工藝參數(shù)并提高焊接接頭的力學性能。通過正交試驗法，對15 mm×10 mm×4.2 mm的GH3536蜂窩和15 mm×10 mm×2.5 mm的K418B基板進行系列電阻焊實驗，主要的焊接工藝控制參數(shù)包括焊接電流、焊接時間和焊接壓力。對焊接接頭進行了抗拉強度測試，系統(tǒng)分析了工藝參數(shù)對接頭力學性能的影響；通過光學顯微鏡和掃描電鏡（SEM）對拉伸試樣的斷口形貌和失效形式進行了觀測；采用電鏡配套的能譜（EDS）探頭對焊接接頭的界面元素進行了分析。GH3536蜂窩與K418B基板定位焊系列接頭的最高平均抗拉載荷為123.76 N。接頭界面處的K418B基板為細小等軸晶組織?；迮c蜂窩之間存在寬度約2 μm的界面層，其成分與基板相近。接頭斷口焊合區(qū)面積隨電流的增大而增大，且在高電流下焊合區(qū)焊痕呈蝴蝶狀分布。在電阻定位焊工藝參數(shù)中，焊接電流對接頭強度的影響最為顯著，其次為焊接壓力，焊接時間的影響程度相對較弱。得到的最優(yōu)參數(shù)組合如下：焊接時間為2 ms，焊接電流為4.5 kA，焊接壓力為17.5 N。在該參數(shù)下能夠獲得最高的接頭平均抗拉載荷（123.76 N）。

蜂窩密封；電阻定位焊；焊接工藝；接頭界面；接頭斷口焊合區(qū)

在航空發(fā)動機和燃氣輪機中，為了減小轉(zhuǎn)子葉片頂端與密封環(huán)之間的間隙，減少軸向漏氣，提高發(fā)動機的效率和推力，通常采用蜂窩密封[1-3]。蜂窩密封是一種先進的密封技術，屬于非接觸式動態(tài)密封[4-6]，具有減震和增效的雙重作用[7]。

蜂窩密封組件通常采用真空釬焊將蜂窩帶焊接在密封環(huán)內(nèi)表面[8-11]。蜂窩帶是由正六面體形狀的蜂窩孔規(guī)則排列而成[12-14]；密封環(huán)通常為多臺階面的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。為了防止蜂窩與密封環(huán)在釬焊過程中發(fā)生移位，在釬焊前要將蜂窩與密封環(huán)進行定位，常用的定位方法為夾具定位和焊接定位[15]。夾具定位法有較大的局限性[16]。蜂窩帶和密封環(huán)不是同種材料，而且零件材料與夾具材料也不相同，不同材料的熱膨脹系數(shù)差異將會導致蜂窩組件在釬焊時產(chǎn)生移位，特別是不能保證釬焊間隙，導致釬焊合格率低。同時，定位用夾具的結(jié)構(gòu)相當復雜，裝配費時費力。目前，大都采用氬弧定位點焊輔助夾具加緊的方式進行釬焊前的定位裝夾。文獻[17]研究了GH3030蜂窩材料和1Cr18Ni9Ti不銹鋼基板之間的真空釬焊，研究表明，在使用夾具前，仍需要將蜂窩與鋼板預先進行點焊以定位。

電阻焊定位屬于剛性連接，定位焊后不需要再使用夾具，可有效提高裝配效率，但該方面的研究相對較少，已有的文獻較多采用的焊接方式是儲能焊[11,13,15,16]，但其焊接質(zhì)量較難控制，易出現(xiàn)蜂窩表面燒傷和蜂窩芯壁熔斷的現(xiàn)象[18-19]。隨著科學技術的發(fā)展，精密電阻焊技術的應用越來越廣泛[20-21]，與原儲能定位焊相比，精密電阻焊的焊接電流、焊接壓力等工藝參數(shù)精準可控，且可以保障焊接質(zhì)量。李遠波等[22]研究了M51高速鋼和高強彈簧鋼B318的異種鋼精密電阻焊，分析了焊接電流對接頭剪斷力和熱影響區(qū)大小的影響，研究發(fā)現(xiàn)，該方法可實現(xiàn)焊接工藝參數(shù)（如焊接電流、焊接時間等）的精準控制，并能夠保證接頭質(zhì)量。蜂窩密封結(jié)構(gòu)具有特殊性，針對該類結(jié)構(gòu)的電阻定位焊的技術難度較大，相關設備及工藝被國外廠商所壟斷，國內(nèi)目前仍在摸索階段。

為了探索蜂窩電阻定位焊的焊接工藝，實現(xiàn)其生產(chǎn)應用，本文采用精密電阻焊機進行電阻定位焊試驗，并設計了正交試驗，通過接頭的正拉力來優(yōu)化工藝參數(shù)，系統(tǒng)分析焊接參數(shù)對接頭性能的影響規(guī)律，以期為蜂窩與基板的電阻定位焊提供參考。

1 試驗

試驗選用的蜂窩帶具體參數(shù)如下：六方形蜂窩芯的壁厚為0.05 mm、格邊長為0.3 mm、材質(zhì)為GH3536；蜂窩帶的外形尺寸為15 mm×10 mm×4.2 mm?；宀牧蠟镵418B高溫合金，尺寸為15 mm×10 mm×2.5 mm。試驗材料的具體化學成分如表1所示。在進行電阻定位焊之前均采用砂紙對蜂窩結(jié)構(gòu)和基板的兩面進行打磨，以確保焊接面的平整以及待焊件與上、下電極間接觸良好，焊接示意圖如圖1所示。電阻定位焊試驗設備采用法國SoudaX精密電阻焊機。

表1 實驗材料的化學成分

Tab.1 Chemical composition of the experimental materials wt.%

圖1 蜂窩電阻定位焊示意圖

通過預試驗發(fā)現(xiàn)，當焊接電流大于5 kA時，容易出現(xiàn)蜂窩表面燒傷和蜂窩芯壁熔斷的現(xiàn)象，因此，設定焊接電流低于5 kA。以焊接電流（）、焊接壓力（）及焊接時間（）為因素，每個因素選取3個水平設計正交試驗，分析焊接參數(shù)對蜂窩定位焊接頭強度的影響，進而實現(xiàn)焊接參數(shù)的優(yōu)化。正交試驗的因素和水平如表2所示，試驗參數(shù)設置如表3所示。

表2 因素水平表

Tab.2 Level of factors

表3 實驗參數(shù)

Tab.3 Experimental parameters

采用INSTRON電子萬能材料試驗機對蜂窩電阻定位焊接頭進行抗拉強度測試，每個接頭的抗拉強度均測試3組，取平均值作為該參數(shù)下的接頭強度，接頭抗拉強度試驗裝置示意圖如圖2所示。采用影像測量儀對界面斷口的宏觀形貌進行觀測，分析焊合區(qū)的分布規(guī)律。采用飛納Phenom臺式掃描電鏡對接頭的微觀組織進行分析，同時采用EDS分析接頭界面區(qū)的元素分布與擴散情況。

圖2 接頭抗拉強度試驗裝置示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化

由表3可知，2號試樣的正拉力最高，為123.76 N。為了確定各因素的影響程度，本文采用極差法來確定各因素組合的最優(yōu)方案。正交試驗接頭抗拉載荷極差分析結(jié)果如表4所示，其中1、2、3分別為同一水平下因素指標的平均值，1為極差。由正交試驗接頭抗拉載荷的極差分析結(jié)果可知，在所選定的3個因素中，對蜂窩定位焊接頭強度影響最大的因素為焊接電流，其次是焊接壓力，最后是焊接時間，即3個因素按對試驗結(jié)果影響程度由大到小的順序依次為、、。該規(guī)律也與焦耳定律（熱輸入與電流的二次方成正比）相符。在采用其他材質(zhì)的電阻焊研究中也存在相似規(guī)律。劉陽[23]在研究Cu絲與鍍Au層微電阻焊互連時，通過極差分析得出焊接電壓（電流）對接頭性能（拉力）的影響最大、電極壓力的影響次之、焊接時間的影響最小的結(jié)論。

表4 正交試驗接頭抗拉載荷極差分析結(jié)果

Tab.4 Extreme difference analysis results of orthogonal experimental joint tensile load

2.2 接頭斷口

蜂窩定位焊接頭斷口宏觀形貌與SEM圖如圖3所示。對比圖3a、圖3d和圖3e并結(jié)合表3可知，隨著熱輸入的增大，結(jié)合面上的斷裂殘留增加，但接頭的抗拉力卻是先增大后減小，很明顯，隨著熱輸入的增大，蜂窩與基板的結(jié)合面積增大，接頭的抗拉力也增大。但是，熱輸入過大會導致接頭抗拉力減小。為了分析其中原因，對圖3a中的不同區(qū)域進行詳細分析。

圖3b中的點1～3相應的EDS點掃描分析結(jié)果如表5所示。由圖3b可知，區(qū)域A斷口處存在許多小韌窩和部分撕裂棱，并出現(xiàn)了部分解理面，因此可以認為該接頭的斷裂形式為以韌窩斷裂為主的韌-脆混合斷裂。點1～3的EDS分析結(jié)果表明，與母材GH3536相比，Ni、Cr、Fe元素含量變化并不明顯，Mo元素含量減少，特別是在點1位置的撕裂棱處，Mo元素含量明顯減少。在撕裂棱的點1處，Al含量變化不明顯；而在韌窩內(nèi)的點2、點3處，Al元素含量明顯增多。成分分析結(jié)果表明，區(qū)域A和區(qū)域B均存在一定的峰位材料殘留。綜合斷口微觀形貌和成分分析結(jié)果可知，區(qū)域A對應的失效形式為拉斷。由圖3c可知，在區(qū)域B的斷口處沒有發(fā)現(xiàn)明顯的韌性斷裂形貌，且微觀組織的輪廓較為圓滑，分析認為，該處的失效形式為熔斷。過高的焊接電流會造成接頭界面熔斷數(shù)量增加，圖3a中有對應的蜂窩殘留的斷口區(qū)域，即同時存在熔斷區(qū)和拉斷區(qū)。分析極差結(jié)果可知，焊接電流的影響最大，焊接壓力的影響次之，焊接時間的影響最小。當焊接電流過大時，熔斷區(qū)占比增大；當焊接電流過小時，焊合區(qū)面積過小。在焊接時間2 ms、焊接電流4.5 kA、焊接壓力17.5 N參數(shù)下，拉斷區(qū)（即焊合區(qū)面積）占比最大，因此其性能最佳。在本研究中，存在一個適中的焊接電流（4.5 kA），能夠在產(chǎn)生較少熔斷的同時增大焊合區(qū)面積。

圖3 焊接接頭斷口形貌和微觀組織

表5 圖3b中各點EDS分析結(jié)果

Tab.5 Results of EDS analysis for each point in Fig.3b at.%

2.3 接頭界面的微觀組織

對圖3a中區(qū)域A處的橫截面微觀組織進行分析，得到的界面微觀組織如圖4所示。蜂窩與基板的完整結(jié)合界面在圖4a的C區(qū)位置。由圖4b可知，細小而均勻的等軸晶粒區(qū)域為基板K418B，主要由γ相和γ'相[24]組成。在基板與蜂窩之間存在一個厚度約2 μm的界面層，如圖4b中黑色虛線所示。為了分析界面層元素的分布與擴散情況，對圖4b所在區(qū)域進行面、線和點掃描，線掃描和點掃描的位置已在圖4b中標出。

面掃描的主要元素為Ni、Cr、Al、Fe、Mo，其結(jié)果如圖5所示，可以明顯觀察到蜂窩GH3536中Cr、Fe、Mo元素的含量高于基板K418B中的，而Ni、Al元素的含量低于基板K418B中的。界面線掃描結(jié)果如圖6所示，掃描方向為由基板K418到GH3536方向。從基板K418B到蜂窩GH3536，Ni、Al元素含量明顯降低，Cr、Fe元素含量明顯增高，Mo元素含量增加不明顯。分析圖4b與成分點掃描結(jié)果可知，點1和點2都是母材部位，所以其元素含量與表1中基板K418B的元素含量相近，其中Al含量偏高；點3在界面層位置，其元素種類、含量與點1、點2的相近。由線掃描結(jié)果可知，Ni、Cr、Al、Fe、Mo元素產(chǎn)生的劇烈變化區(qū)間寬度為2 μm左右，這與SEM中觀察到的界面層寬度相符。在界面層處可能存在與基板相同的相組織，其元素擴散發(fā)生在界面層與蜂窩GH3536之間。

圖4 蜂窩定位焊接頭界面微觀組織的SEM圖片

表6 圖4b中各點EDS分析結(jié)果

Tab.6 Results of EDS analysis for each point in Fig.4b at.%

圖5 蜂窩與基板（K418B）接頭面掃描結(jié)果

圖6 蜂窩與基板（K418B）接頭線掃描結(jié)果

2.4 焊合區(qū)的演變

不同焊接電流下接頭斷口的宏觀形貌如圖7所示，可以看到蜂窩在基板上殘留的痕跡。在電阻熱的作用下，蜂窩與基板形成了連接，由圖3a可知，在拉伸強度測試中，蜂窩壁被拉斷，殘留在基體表面，形成了焊合區(qū)。當焊接電流為4.2 kA時，蜂窩在基板上的殘留位置如圖7a所示，可以看到，在焊接過程中，蜂窩在基板上下兩側(cè)接觸得更緊密，由電流的集膚效應可知，兩側(cè)的焊接電流更大，因此，焊合區(qū)集中在界面接觸區(qū)域的兩側(cè)。如圖7b所示，隨著電流的增大，熱輸入量增大，焊合區(qū)逐漸由上下兩側(cè)向中間擴大。該現(xiàn)象主要是由于兩側(cè)的產(chǎn)熱逐漸向中間傳導，使中間溫度升高，達到產(chǎn)生連接的熱條件。如圖7c所示，隨著焊接電流的繼續(xù)增大，焊合區(qū)的整體面積也越來越大，因產(chǎn)熱分布不均勻（兩側(cè)較多，中間較少），最終焊合區(qū)焊痕呈現(xiàn)蝴蝶狀分布。有相關研究報道了電阻焊中的熱量（溫度）分布情況：隋英杰[25]針對304不銹鋼薄板電阻點焊進行了溫度場模擬，結(jié)果表明，焊接溫度場在橫向和縱向上均以焊縫中心為對稱軸呈對稱分布。在該研究中，焊接電流對接頭力學性能和外觀質(zhì)量的影響最大。

參照斷口宏觀形貌（見圖7），繪制了蜂窩殘留區(qū)即焊合區(qū)隨電流演變的示意圖，如圖8所示。圖8中虛線方框區(qū)域表示蜂窩與基板接觸區(qū)域。由焦耳定律可知：隨著焊接電流的增大，焊接熱輸入量增大，焊合區(qū)的面積也增大。當焊接電流為4.2 kA時，蜂窩在基板上的殘留（焊合）位置如圖8a所示，可以看到，位于基板上下兩側(cè)，焊合區(qū)面積最小；隨著電流的增大（4.5 kA，4.8 kA），熱輸入量增大，蜂窩在基板上的殘留區(qū)域由上下兩側(cè)逐漸向中間擴大，焊合區(qū)的面積也隨之增大，也就造成了焊合區(qū)焊痕呈現(xiàn)蝴蝶狀分布的現(xiàn)象。Pawar等[26]對BH鋼進行了電阻點焊實驗和有限元模擬，結(jié)果表明，隨著焊接電流的增大（從5 kA增至7 kA），焊接接頭（搭接）處的熔核直徑和厚度都會增大。焊接電流對材料屬性不會產(chǎn)生顯著影響，但能夠通過影響熔核尺寸從而對焊接接頭的力學性能產(chǎn)生影響；隨焊接電流的增大，熔核直徑和厚度增大，搭接剪切強度隨之增大。綜上所述，高電流區(qū)對應高熱輸入、焊合區(qū)分布隨電流變化的根本原因在于因接觸緊密程度不同而造成的電流在界面處不均勻分布。

圖7 不同焊接電流下接頭斷口的宏觀形貌

a 4.2 kA b 4.5 kA c 4.8 kA

圖8 不同焊接電流的斷口焊合區(qū)分布示意圖

Fig.8 Schematic diagram of the welding zone on fracture surfaces under different welding current

3 結(jié)論

對蜂窩GH3536與基板K418B定位焊接頭的正拉力進行了極差分析，并對焊合區(qū)分布規(guī)律進行了研究，對接頭的微觀組織及元素分布進行了分析，得出以下結(jié)論：

1）蜂窩GH3536與基板K418B定位焊的最佳工藝參數(shù)如下：焊接時間為2 ms，焊接電流為4.5 kA、焊接壓力為17.5 N。各參數(shù)按對試驗結(jié)果的影響由大到小的順序依次為焊接電流、焊接壓力、焊接時間。隨著熱輸入的增大，接頭的抗拉力呈先增大后減小的趨勢，當熱輸入過大時，局部蜂窩熔斷。

2）蜂窩GH3536與基板K418B形成了冶金結(jié)合，在界面處存在元素擴散，其中Ni、Cr、Al、Fe元素擴散明顯，并形成了寬度約2 μm的界面層。

3）蜂窩GH3536與基板K418B定位焊接頭斷口的焊合區(qū)面積隨電流的增大而增大，且焊合區(qū)焊痕多呈蝴蝶狀分布。隨著電流的增大，焊合區(qū)逐漸由上下兩側(cè)向中間擴大，并與電流強度的分布變化相對應。

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Resistance Positioned Welding Process of Honeycomb and K418B High-temperature Alloy

HUANG Bin1, XU Xiangbo2,LIU Hanming2,DENG Lipeng2, LIU Qiang2,HUANG Yongde2*

(1. AECC South Industry Company Limited, Hunan Zhuzhou 412000, China; 2. School of Aviation Manufacturing Engineering, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China)

The work aims to obtain the optimal process parameters for the resistance positioned welding of the honeycombs and improve the mechanical properties of the welded joint. The orthogonal experimental method was used to carry out a series of electric resistance welding tests on GH3536 honeycomb (15 mm×10 mm×4.2 mm) and K418B substrate (15 mm×10 mm× 2.5 mm), and the main welding process control parameters included the current, the time, and the pressure. Tensile strength tests were conducted on the welded joints, and the effect of process parameters on the mechanical properties of the joints was analyzed systematically. The fracture morphology and the failure mode of the tensile specimens were observed by optical microscopy and scanning electron microscopy (SEM). The interface element distribution of welded joints was analyzed by the energy dispersive spectroscopy (EDS) probe equipped in the SEM. The highest average tensile load of the positioned welding series joint specimens of GH3536 honeycomb and the K418B substrate was 123.76 N. The K418B substrate at the joint interface had fine equiaxed crystal structure. An interface layer with a width of approximately 2 μm existed between the substrate and the honeycomb, and its composition was similar to that of the substrate. The welding zone of the joint fractures increased with the increase of current, and the welding zone showed a butterfly-shaped distribution under the high current. Among the various resistance positioned welding process parameters, the welding current has the most significant impact on the joint strength, followed by the welding pressure, and the effect of welding time is relatively weak. The optimal combination of parameters is as follows: welding time of 2 ms, welding current of 4.5 kA, and welding pressure of 17.5 N. Under this combination, the highest average tensile load (123.76 N) can be obtained.KEY WORDS: honeycomb sealing; resistance positioned welding; welding process; joint interface; welding zone of the joint fracture

10.3969/j.issn.1674-6457.2024.01.016

TG44

A

1674-6457(2024)01-0140-08

2023-07-12

2023-07-12

江西省優(yōu)勢科技創(chuàng)新團隊重點項目（20181BCB19002）

Key Projects of Jiangxi Superior Science and Technology Innovation Team(20181BCB19002)

黃斌, 徐相波, 劉漢明, 等. 蜂窩與K418B高溫合金電阻定位焊工藝研究[J]. 精密成形工程, 2024, 16(1): 140-147.

HUANG Bin, XU Xiangbo, LIU Hanming, et al. Resistance Positioned Welding Process of Honeycomb and K418B High- temperature Alloy[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2024, 16(1): 140-147.

（Corresponding author）