不同直徑螺柱下的拉弧螺柱焊工藝優(yōu)化及接頭組織性能分析

戴忠晨，葛懷普，金文濤，火巧英，于澤州

（1.中車(chē)南京浦鎮(zhèn)車(chē)輛有限公司，江蘇 南京 210031；2.西南交通大學(xué) 材料學(xué)院，四川 成都610031）

0 前言

螺柱焊具有焊接時(shí)間短、焊接強(qiáng)度高、焊接能量集中、操作方便、對(duì)母材熱損傷小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、鐵路、鋼結(jié)構(gòu)、建筑、鍋爐制造、造船工業(yè)、電氣設(shè)備、鈑金加工等領(lǐng)域[1-2]。其大規(guī)模且合理化的運(yùn)用可顯著提高焊接構(gòu)件的輕量化水平，并達(dá)到模塊化的設(shè)計(jì)目標(biāo)。為適應(yīng)不同作業(yè)條件而開(kāi)發(fā)的螺柱直徑的優(yōu)化選用直接關(guān)系到與之匹配的具體焊接工藝參數(shù)的選取，從而決定焊接接頭組織及性能，制約焊接構(gòu)件在使用過(guò)程中的穩(wěn)定性及服役壽命。

針對(duì)目前螺柱焊接存在的問(wèn)題，相關(guān)研究多集中于新型螺柱焊方法的開(kāi)發(fā)和螺柱焊工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。N.B.FETHKE等人[3]開(kāi)發(fā)了一種新型可選擇性的螺柱焊系統(tǒng)，采用t測(cè)試方法測(cè)試操作人員軀干平均傾斜角度及傾斜角度大于60°的百分?jǐn)?shù)，與傳統(tǒng)螺柱焊系統(tǒng)相比較，新型螺柱焊系統(tǒng)可以顯著降低肩胛力并提高生產(chǎn)率。張德庫(kù)等人[4]開(kāi)拓性地提出了TIG-拉弧復(fù)合熱源螺柱焊技術(shù)，進(jìn)行了相應(yīng)的鋁合金螺柱焊接，發(fā)現(xiàn)通過(guò)此項(xiàng)熱源改進(jìn)措施可有效地提高鋁合金螺柱焊接頭的力學(xué)性能，改善其接頭組織。丁鳳聯(lián)[5]研究了拉弧螺柱焊工藝參數(shù)中的焊接電流、焊接時(shí)間、螺柱提升高度、螺柱伸出長(zhǎng)度4因素，優(yōu)化出較為合理的工藝參數(shù)。

受實(shí)際工況的約束及具體使用范圍的限制，螺柱直徑的合理選取及其焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化匹配對(duì)焊縫組織及性能的調(diào)控起到至關(guān)重要的作用，但目前鮮有針對(duì)性研究。本試驗(yàn)采用M6、M8兩種不同直徑的螺柱進(jìn)行拉弧焊接，研究螺柱直徑對(duì)焊接時(shí)間及接頭組織性能的影響，以期為螺柱焊工藝技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化提供理論支撐。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)基板材選用316不銹鋼，焊前對(duì)其表面進(jìn)行打磨除銹并用酒精擦拭去除油污，螺柱材料為316奧氏體不銹鋼，主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 316奧氏體不銹鋼螺柱的化學(xué)成分Table 1 Chemical compositions of 316 oustentic stainless steel studs %

采用BMH-22SV3000A的SOYER拉弧式螺柱焊機(jī)，匹配SOYER PH-5L型螺柱焊焊槍?zhuān)x擇焊接時(shí)間、螺柱直徑作為變量進(jìn)行多組螺柱焊接，結(jié)合螺柱焊接生產(chǎn)廠家建議值范圍確定具體焊接工藝參數(shù)，如表2所示。

螺柱焊接試驗(yàn)完成后，按照EN ISO 14555：2006標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊接試驗(yàn)試樣進(jìn)行目測(cè)及彎曲試驗(yàn)，采用奧林巴斯SE61-SET型體式顯微鏡觀察焊接接頭橫截面，對(duì)性能最優(yōu)焊接參數(shù)下的螺柱采用HAL-100型蔡司顯微鏡觀察焊接接頭微觀組織，使用JSM700型掃描電子顯微鏡對(duì)焊接接頭彎曲斷口進(jìn)行掃描分析。

表2 焊接工藝參數(shù)Table 2 Welding parameters

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 螺柱直徑對(duì)較優(yōu)焊接時(shí)間的影響

在不同螺柱焊接工藝參數(shù)下，螺柱焊焊接試驗(yàn)?zāi)繙y(cè)及彎曲試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，組1、組4、組5、組6、組9、組10螺柱焊接頭截面照片如圖1所示。

表3 目測(cè)及彎曲試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Result of visual measurement and bending

分析表3、圖1并結(jié)合表2對(duì)應(yīng)的焊接工藝參數(shù)可知，隨著焊接時(shí)間的延長(zhǎng)，焊接接頭組織、形態(tài)、性能均由差變好再變差。組1、組6分別為對(duì)M6、M8施加較小的焊接時(shí)間，彎曲試驗(yàn)均出現(xiàn)接頭斷裂現(xiàn)象，由圖1a、圖1d可知，焊縫熔合較小，均出現(xiàn)大面積未熔合。這是因?yàn)樵诤附与娏骱秃附与妷阂欢ǖ臈l件下，焊接時(shí)間越短，其熱輸入越少，導(dǎo)致熔化量不足，熔合率降低。隨著焊接時(shí)間的延長(zhǎng)，M6焊接時(shí)間為60 ms，M8焊接時(shí)間為68 ms時(shí)，其性能達(dá)到最好，焊縫截面對(duì)稱(chēng)性好（見(jiàn)圖1b、1e），熔深較深，熔合完全，不存在氣孔及飛濺現(xiàn)象。這是因?yàn)殡S著焊接時(shí)間的延長(zhǎng)，熱輸入增大，處于熔融狀態(tài)的金屬增多，熔合率得以提高，焊縫成形性能得到改善。比較M6和M8最佳焊接時(shí)間可知，隨著螺柱直徑的增大，熱輸入提高，要達(dá)到理想熔合的熔合面相應(yīng)擴(kuò)大，即所需熔融金屬量增多，其最佳焊接時(shí)間相應(yīng)延長(zhǎng)。

圖1 焊接接頭截面照片F(xiàn)ig.1 Photo of cross section of welding joint

2.2 螺柱直徑對(duì)較優(yōu)焊接優(yōu)化區(qū)間的影響

分析表3、圖1并結(jié)合表2對(duì)應(yīng)的焊接工藝參數(shù)，在焊接時(shí)間較小時(shí)，焊接接頭均出現(xiàn)斷裂，當(dāng)M6的焊接時(shí)間選取為52 ms、56 ms、60 ms，M8 的焊接時(shí)間選取為64 ms、66 ms、68 ms時(shí)，其焊縫成形性能得以改善，且抗彎性能逐步提高。但當(dāng)M6取62 ms，M8取70 ms時(shí)，組6和組10彎曲時(shí)均存在斷裂現(xiàn)象，圖1c和圖1f明顯可見(jiàn)焊縫出現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象——偏焊行為，這是因?yàn)樵谳^長(zhǎng)焊接時(shí)間下出現(xiàn)“磁偏吹”。由試驗(yàn)結(jié)果可知，不同的螺柱直徑存在一個(gè)合理的焊接時(shí)間區(qū)間，在此試驗(yàn)條件下M6焊接時(shí)間區(qū)間為 52～60ms，M8 焊接時(shí)間區(qū)間為 64～68 ms。M8可取的焊接時(shí)間區(qū)間較M6窄，是因?yàn)殡S著螺柱直徑的增大，焊接時(shí)間相應(yīng)延長(zhǎng)。而較長(zhǎng)的焊接時(shí)間使熱磁效應(yīng)激烈發(fā)生，不僅容易造成焊縫形狀的不規(guī)則，還會(huì)產(chǎn)生飛濺、咬邊等缺陷。

2.3 螺柱直徑對(duì)較優(yōu)焊接時(shí)間下力學(xué)性能及組織的影響

焊縫組織顯微金相照片如圖2所示，焊縫組織存在明顯的柱狀晶趨勢(shì)，M8柱狀晶長(zhǎng)大明顯，寬長(zhǎng)比更小。這是因?yàn)殡S著焊接時(shí)間的延長(zhǎng)，熱輸入增加，焊縫中心升溫劇烈，焊縫與母材溫差變大，成分過(guò)冷效應(yīng)顯著。

M6、M8螺柱在各自較佳焊接時(shí)間下的彎曲角度如圖3所示。在較佳焊接時(shí)間下，二者焊后接頭彎曲角度存在差異，M6高于M8，即其彎曲性能較M8好。試樣對(duì)應(yīng)的彎曲斷口掃描形貌如圖4所示。由圖4a可知，其斷口主要由等軸韌窩組成，但存在較大區(qū)域的解理刻面，為以韌窩斷裂為輔、解理斷裂為主的斷裂。圖4b則表現(xiàn)出明顯的準(zhǔn)解理斷裂和解理斷裂伴生現(xiàn)象，撕裂棱清晰可見(jiàn)，微孔較大，呈彌散分布，韌窩為平面韌窩，塑性較差。M8中柱狀晶較M6中的柱狀晶明顯長(zhǎng)大，柱狀晶的存在嚴(yán)重破壞了焊縫組織及性能的連續(xù)性和均勻性，使其顯示出顯著的各向異性，特別是對(duì)塑性和韌性極為不利。柱狀晶越大，寬長(zhǎng)比越小，其惡化越明顯。由形核率公式表示為[6]

式中 J為形核率；σ為比表面能；d0為尺寸特征參數(shù)；c為環(huán)境相基本單位；wc為臨界形核功；kB為波爾茲曼常數(shù)；T為絕對(duì)度。

由式（1）可知，當(dāng)熱輸入較大時(shí)，冷卻速度較慢，形核率較小，最后形成的晶粒較大。有效晶界變少，難以有效地抵制外力，抑制裂紋擴(kuò)展，導(dǎo)致綜合力學(xué)性能變差。

圖2 焊縫微觀組織Fig.2 Microstrcture of welding seam

圖3 不同直徑螺柱較優(yōu)焊接時(shí)間下的彎曲角度Fig.3 Bending angle for superior welding time of different scale stud welding

3 結(jié)論

（1）隨著螺柱直徑的增大，所需的較優(yōu)焊接時(shí)間相應(yīng)延長(zhǎng)。M6較優(yōu)的焊接時(shí)間為60 ms，M8較優(yōu)的焊接時(shí)間可達(dá)68 ms。

（2）隨著螺柱直徑的增大，優(yōu)化的可調(diào)焊接時(shí)間范圍變窄，M6優(yōu)化的可調(diào)焊接時(shí)間范圍為52～60 ms，而 M8 的范圍為64～68 ms。

圖4 焊縫彎曲斷口掃描形貌Fig.4 Bending fracture photograph of the welding seam

（3）隨著螺柱直徑的增大，焊接難度變大，焊后接頭成形及力學(xué)性能變差，在相應(yīng)較優(yōu)參數(shù)下，M8焊縫柱狀晶長(zhǎng)大明顯，寬長(zhǎng)比變小。M6在未出現(xiàn)裂紋時(shí)的最大彎曲角度可達(dá)75°，M8最高達(dá)到66°。