電阻點焊電動機(jī)支架斷裂失效分析

王亞婷，徐越蘭，劉 敏，李文健

(南京理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程系，江蘇 南京 210094)

電阻點焊電動機(jī)支架斷裂失效分析

王亞婷，徐越蘭，劉 敏，李文健

(南京理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程系，江蘇 南京 210094)

分析了電阻點焊電動機(jī)支架高頻振動破壞試樣的失效原因。通過焊材成分分析、斷口形貌分析和微觀金相組織分析，結(jié)果表明，固定電動機(jī)支架發(fā)生斷裂的原因是由于焊接工藝不當(dāng)所致。因此在焊接過程中應(yīng)該適當(dāng)改變焊接工藝參數(shù)，調(diào)整焊接規(guī)范。

電阻點焊；斷裂；斷口形貌；金相組織

0 前言

隨著航空航天、電子、汽車、家用電器等工業(yè)的發(fā)展，電阻焊受到了廣泛的重視。同時對電阻焊的質(zhì)量也提出了更高的要求[1]。然而，目前還缺乏可靠的無損檢測方法，焊接質(zhì)量只能靠工藝試樣和工件的破壞性試驗來檢查。在此分析了電阻點焊連接中普遍出現(xiàn)的斷裂現(xiàn)象。電阻點焊(見圖1)的優(yōu)點是成本低、操作簡單、易于實現(xiàn)機(jī)械化和自動化；缺點是對氣密性要求不高，容易出現(xiàn)氣孔，電流過低時容易產(chǎn)生未焊透，電流過大時容易造成材料脆性斷裂[2]。

在此所用的破壞性試驗方法是高頻振動試驗，其目的在于確保所設(shè)計制造的機(jī)器、構(gòu)件在運(yùn)輸和使用過程中承受外來或自身產(chǎn)生的振動而不致破壞，并發(fā)揮其性能、達(dá)到預(yù)定壽命的可靠性。試驗通過對類似結(jié)構(gòu)(螺母和板材連接)進(jìn)行高頻振動使其支架斷裂，如圖2所示，并對斷裂原因進(jìn)行說明分析。

1 試驗過程

所用材料為Q235鋼，焊接螺母厚6～7 mm，連接板材厚2.5 mm，采用電阻點焊連接方法。對采用電阻點焊連接的電動機(jī)支架高頻振動破壞試樣進(jìn)行了失效分析。通過分析焊接材料成分、斷口形貌、微觀金相組織，找出固定電動機(jī)支架發(fā)生斷裂的原因，以提高電動機(jī)使用過程中的安全性。

圖1 電阻點焊示意

1.1 試樣成分分析

固定電動機(jī)的支架和螺母的材料為Q235鋼，屬于碳素結(jié)構(gòu)鋼，易于冶煉，價格低廉，性能基本能滿足一般工程結(jié)構(gòu)要求。通常以熱軋空冷狀態(tài)供應(yīng)，其塑性好，焊接性能好，使用狀態(tài)下的組織為鐵素體加珠光體。支架和螺母的成分如表1所示。

圖2 支架斷裂示意

表1 支架和螺母的成分%

由表1可知，碳素結(jié)構(gòu)鋼中含有五種元素：C、Si、S、P、Mn，其中w(Mn)≤1.0%，w(Si)≤0.5%，w(S)≤1.0%，w(P)≤1.0%[3]，同時符合GB／T700-1988使用標(biāo)準(zhǔn)，尤其是P、S含量在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。對力學(xué)性能進(jìn)行測試：抗拉強(qiáng)度370MPa，屈服強(qiáng)度240MPa，延伸率31%。

1.2 斷口宏觀形貌分析

進(jìn)行斷口宏觀形貌分析的目的是根據(jù)裂紋擴(kuò)展區(qū)的微觀形貌特征來判斷其金屬材料斷裂源的位置、裂紋的擴(kuò)展方向和斷裂斷口的斷裂性質(zhì)，以分析造成斷裂的原因。斷裂斷口的宏觀形貌和標(biāo)注如圖3所示。

根據(jù)疲勞斷裂理論，疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)最突出的形貌特征是疲勞紋的存在。由圖3可知，斷口處有明顯的疲勞紋，以疲勞源為中心，疲勞紋不斷向外擴(kuò)散，且疲勞紋間距離不等。由圖3中可見斷裂分為三部分：疲勞源、平滑區(qū)和瞬斷區(qū)。疲勞源的位置在螺母與板材焊點的板材處；沿疲勞源的板材厚度方向為疲勞的平滑區(qū)，此區(qū)包括疲勞裂紋的萌生及擴(kuò)展(即在疲勞裂紋擴(kuò)展前期，裂紋擴(kuò)展的速度很小，產(chǎn)生微觀的疲勞條紋；而在裂紋擴(kuò)展的后期，裂紋擴(kuò)展速率較快，容易產(chǎn)生宏觀可見的疲勞線)；沿平滑區(qū)的板材厚度方向為瞬斷區(qū)，此區(qū)有撕裂的痕跡，邊緣為解切唇疲勞；斷口中平滑區(qū)與瞬斷區(qū)之間的區(qū)稱之為疲勞過渡區(qū)，斷口的粗糙程度介于平滑區(qū)與瞬斷區(qū)之間[4]。

1.3 試樣微觀組織分析

對試樣進(jìn)行磨制和拋光后，用4%硝酸酒精進(jìn)行腐蝕。然后在光學(xué)顯微鏡下觀察試樣微觀組織。

圖3 焊接接頭斷口形貌

通過圖4可知，焊點外側(cè)未形成良好的弧形焊接表面，呈現(xiàn)整齊的銳角。并且在焊接板材和螺母外側(cè)受熱受壓變形后，焊接板材與螺母接觸邊緣有翹曲開口，產(chǎn)生了應(yīng)力集中[5]。而且，焊接接頭熱影響區(qū)范圍大，容易出現(xiàn)晶粒度粗大組織，影響焊接接頭的性能。故在高頻振動試驗中，這種已存在焊接應(yīng)力集中的熱影響區(qū)附近區(qū)域極易形成斷裂。

由圖5可知，焊縫均存在未焊透、未熔合情況。焊縫區(qū)域存在明顯的連接交線，熔合不徹底，而且焊接接頭的實際熔合長度占整條焊縫的比例較小。左側(cè)試樣在焊縫左側(cè)有未焊透部分，未熔合部分占大部分，完全熔合部分約1／3。右側(cè)試樣在焊縫兩側(cè)為未焊透部分，未熔合部分占大部分，完全熔合部分約1／5。

圖6a中1為鐵素體，2為少量珠光體。由圖6可知，焊接母材的晶粒均勻，組織分布均勻，以鐵素體為主，珠光體少量彌散分布鐵素體晶界處。對于Q235焊接材料來說，這種金相組織是符合GB／T700-1988使用標(biāo)準(zhǔn)的。圖6b中1為鐵素體，焊接接頭熱影響區(qū)內(nèi)組織分布都不均勻。由于珠光體中的鐵素體依附在已存在的先共析鐵素體上生長，使得鐵素體晶粒度明顯增大。焊接接頭冷卻后奧氏體轉(zhuǎn)化珠光體的成分明顯增多，這成為整個焊接接頭的薄弱區(qū)。

圖4 試樣金相組織

2 試驗分析

(1)電阻點焊過程中，焊接接頭受電極壓力作用，在熱狀態(tài)下產(chǎn)生塑性變形，焊接板材與螺母接觸邊緣有翹曲微裂口。說明焊接壓力過大，造成成形過程中不必要的變形，容易引起應(yīng)力集中，成為疲勞斷裂的起因。

(2)由于焊接過程中熱循環(huán)的性質(zhì)，焊縫本身就存在嚴(yán)重的化學(xué)和物理不均勻性，焊接熱影響區(qū)范圍大，且組織晶粒度粗大。同時在焊接接頭兩側(cè)存在未焊透和未熔合部分[6]。說明焊接規(guī)范存在焊接時間長、焊接電流小的問題。而且，螺母與板材的連接不同于板材與板材的連接，容易在焊接連接部位產(chǎn)生焊接電流分布不均的情況，影響焊接熱影響區(qū)。

圖6 試樣金相組織

3 結(jié)論

通過分析電阻點焊電動機(jī)支架斷裂失效的原因，得到以下結(jié)論：

(1)斷口宏觀形貌分析表明斷裂形式為疲勞斷裂。

(2)由于焊接接頭兩側(cè)翹曲微裂口的存在，造成應(yīng)力集中，是疲勞斷裂的起因。因此，要在滿足焊接規(guī)范要求的情況下，減小施加的焊接壓力。

(3)焊接接頭中存在未焊透和未熔合部分，加快了應(yīng)力集中，加劇了疲勞斷裂過程，不能滿足高頻振動試驗安全性要求。因此，在滿足焊接接頭良好連接和熱影響區(qū)良好性能的情況下，適當(dāng)增加焊接電流，減小焊接時間。

[1]田錫唐.焊接結(jié)構(gòu)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1992.

[2]趙熹華，馮吉才.壓焊方法及設(shè)備[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[3]崔忠圻.金屬學(xué)與熱處理原理[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2004.

[4]張文鉞.焊接冶金學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

[5]朱正行.電阻焊技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[6]陳金德，邢建東.材料成形技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

Fracture failure analysis of resistance spot welding motor bracket

WANG Ya-ting，XU Yue-lan，LIU Min，LI Wen-jian
(Department of Materials Science and Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China)

Fracture failure analysis was made on resistance spot welding motor bracket test specimens which were destroyed by the high-frequency vibration.Component analysis of weld materials，macroscopic analysis of fracture morphology and microscopic analysis of the microstructure show that the reason why the fixed motor bracket was broken was due to improper welding.Therefore，during the welding process the welding parameters should be changed appropriately，and the welding conditions should be adjusted too.

resistance spot welding；fracture；macro-morphology inspection；metallographic structure

TG441.7

B

1001-2303(2011)09-0043-03

2010-12-10

王亞婷(1986—)，女，山東德州人，在讀碩士，主要從事焊接冶金與焊接工藝的研究工作。