采用中頻逆變電阻焊和閃光對焊焊接圓環鏈的對比研究

許祥平，李 恒，王錫嶺，陳恒強

(1.江蘇科技大學材料科學與工程學院，江蘇鎮江212003)(2.江蘇省交通技師學院，江蘇鎮江212006)(3.中國船級社鎮江辦事處，江蘇 鎮江212003)

礦用高強度圓環鏈是刮板輸送機、刨煤機和采煤機等煤礦機械的關鍵部件.圓環鏈在工作過程中既要承受彎曲載荷又要承受拉伸載荷，其工作環境非常惡劣.因此，煤礦工業中圓環鏈焊接接頭的質量至關重要，其質量高低將直接影響到煤炭生產.隨著煤炭工業的迅速發展，煤礦機械趨向重型化，因此如何保證和提高礦用圓環鏈的性能指標和質量級別，是我國制鏈技術躋身國際先進水平，促進煤炭生產的一項重要課題［1-2］.

閃光對焊技術日趨成熟完善，在圓環鏈的應用中已發展到相當高水平，但仍存在一些難以克服的問題.隨著電力電子技術的發展，20世紀80年代中期出現了逆變式點焊電源，使中頻逆變電阻對焊圓環鏈得到了迅速發展.中頻逆變電阻對焊圓環鏈是現階段最新的中小直徑圓環鏈焊接方法，由此可獲得較高的焊接質量、生產效率和經濟效益，焊后無須清除毛刺，節能降耗顯著，成本低、飛濺少、對環境污染小，是今后圓環鏈焊接的主流方向［3-5］.

文中采用中頻逆變電阻焊和閃光對焊方法分別焊接大直徑高等級圓環鏈，優化焊接工藝參數，對比分析了焊接工藝、接頭性能及微觀組織等.

1 材料與方法

文中選用的母材為80級20Mn2圓環鏈用鋼［6-7］，其尺寸為 Φ 22mm ×66mm ×30 mm.將原材料酸洗，然后拉絲并進行退火處理，再將盤好的圓環鏈材料進行酸洗處理.酸洗后的材料分兩種方式進行，一種是用HHB型編鏈機將原材料編成鏈條，用JYW型中頻逆變電阻焊機對圓環鏈進行對接焊接;另一種是將原材料編鏈，利用UNT系列閃光對焊機對圓環鏈進行對接焊接.

焊接后統一進行拉伸校正，采用IGP雙電源系列中頻淬火機進行“淬火+回火”處理，淬火參數為中頻135±8 kW、淬火溫度920±25℃，回火溫度為435±30℃，測試每組試樣的破斷力和延伸率.

連接后的試樣沿縱向剖開，打磨拋光后用HCl+FeCl3+H2O溶液腐蝕，用掃描電子顯微鏡JSM6480分析試樣的微觀形貌.

2 結果與分析

2.1 編鏈及焊接工藝對比

HHB 編鏈機的工藝程序:通過夾鉗口將20Mn2鋼送到給料機擋塊上后，將其截成一定長度的毛坯.移動滑塊把毛坯送到心棒上，將其彎成U形，兩個與上述滑塊成垂直運動的滑塊將鏈環的端部擠彎，直至接頭部分留有稍大于母材直徑的空隙為止;接著鏈環前進到另一位置，在那里將已編結好的、并用翻轉器回轉90°的環鏈通過接頭空隙放入新的環鏈，再用第三對滑塊將接頭壓緊，重復此動作，從而形成環環相扣的鏈條.在完成編鏈后，圓環鏈會由傳送機送至中頻逆變電阻焊機上進行焊接.JYW系鏈條自動對焊機是參照德國先進技術，采用電阻2次通電法焊接低碳合金鋼起重鏈條，鏈環的輸送、旋向、焊接、鐓鍛、去毛刺等十九道工序通過編碼器和PC機控制，可進行手動、點動、半自動和全自動操作.

閃光對焊方法所采用的JC23-63A開式可傾壓力編鏈為機械傳動圓環鏈成型，其示意圖見圖1.電機啟動時，通過三級皮帶輪和兩級齒輪變速，帶動組合凸輪組旋轉，送料風缸送料，將棒料從料斗推至成型模之間，夾緊凸輪帶動卡嘴機構使成型模將棒料10壓緊;壓桿凸輪2、4帶動壓桿機構13，使棒料壓緊;雙彎曲凸輪帶動雙彎曲機構12，將棒料兩端同時壓彎，回程，合口;凸輪帶動合口機構8，通過合口沖頭將圓環頂壓閉合，回程，機械手凸輪組3送鉗，夾環退回，轉向凸輪1將環轉90°，接著送進鏈環，送料風缸再次串環送料，這樣周而復始，依次循環。在鏈環直臂中留下一小小間隙，鏈環肩部通上電流并使其焊口端面接近直至局部相互接觸，利用大電流加熱接觸點，逐漸使端面的金屬熔化成液態，直至達到設定溫度時快速施加一頂鍛力以完成焊接.

圖1 機械傳動圓環鏈編鏈成型部分示意圖Fig.1 Schematic diagram of making up the round-link chain

對比兩種工藝方法可以看出:中頻逆變電阻焊焊接圓環鏈的生產過程是全自動化的，從編鏈到焊接再到去除毛刺，都不需要工人操作，從而大大減少了工作量和勞動強度。而閃光焊焊接時，圓環鏈需由工人一環一環的進行手工焊接，焊后還要清除毛刺，這在很大程度上增加了工作量和勞動強度.中頻逆變電阻焊的焊接過程中，飛濺很少或基本沒有，焊接時弧光較小;而閃光焊焊接過程中，飛濺很大且弧光也很大，需在焊接時用一薄板擋在前方，而且閃光焊時焊接熱損耗量大，使得周圍環境溫度較高，工作條件較惡劣.

2.2 接頭性能的對比

將相同成分及尺寸的母材分別采用中頻逆變電阻焊和閃光焊進行焊接，實驗中采用相同的熱處理工藝，最后用拉伸試樣機拉斷，所得焊接接頭性能見表1～4.

表1 中頻逆變電阻焊工藝參數Table 1 Process parameters of medium frequency inverter resistance welding

表2 中頻逆變電阻焊焊接所得數據Table 2 Breaking force and elongation rate of medium frequency inverter resistance welding

表3 閃光對焊工藝參數Table 3 Process parameters of flash butt welding

表4 閃光對焊焊接所得數據Table 4 Breaking force and elongation rate of flash butt welding

由表2和表4可以看出，中頻逆變電阻焊對焊圓環鏈所得接頭的性能較閃光焊要好.

2.3 接頭微觀組織的對比

1)圖2為用中頻逆變電阻焊方法所得試樣1-1的接頭金相圖.圖中為粒狀貝氏體組織，在鐵素體基體中分布著許多小島，這些小島無論是殘留奧氏體、馬氏體，還是奧氏體的分解產物都可起到第二相強化作用.圖中小島所占面積較大，因而其抗拉強度和屈服強度都很高，其破斷力達到810kN(抗拉強度為1066 MPa).

圖2 試樣1-1焊縫處微觀組織Fig.2 Weld line microstructures of sample 1-1

圖3為試樣1-4的接頭金相圖.圖中為下貝氏體組織，其鐵素體和碳化物的顆粒較小，其中鐵素體的含碳量高于上貝氏體.在圖中下貝氏體呈針狀，可以在奧氏體晶界上形成，但更多的是在奧氏體晶粒內沿某些晶面單獨或成堆地長成針葉狀，具有較好的綜合性能，其破斷力達到824 kN(抗拉強度為1085 MPa).

圖3 試樣1-4焊縫處微觀組織Fig.3 Weld line microstructures of sample 1-4

2)圖4為閃光對焊方法所得試樣2-1的接頭金相圖.圖中大部分區域呈板條狀組織，板條群由一束束板條束組成，每一束內部板條平行，束與束之間相交，故為典型的板條馬氏體組織，因此焊縫具有很高的強度和良好的韌性，同時還具有脆性轉折溫度低、缺口敏感性小等優點.但是圖中還有少部分區域為上貝氏體組織，鐵素體晶粒和碳化物顆粒較粗大，碳化物呈短桿狀平行分布在鐵素體板條之間，鐵素體和碳化物分布具有明顯的方向性.這種組織狀態使鐵素體條間易產生脆斷，鐵素體條也可能成為裂紋擴展的途徑.其破斷力達到706kN(抗拉強度為929 MPa)，綜合性能不如中頻逆變電阻焊得到的組織性能.

圖4 試樣2-1焊縫處微觀組織Fig.4 Weld line microstructures of sample 2-1

圖5為閃光對焊方法所得試樣2-2的接頭金相圖.圖中大部分為上貝氏體組織，呈針狀，它可以在奧氏體晶界上形成，但更多的是在奧氏體晶粒內沿某些晶面單獨或成堆地長成針葉狀，具有較好的綜合性能.在圖中右側可以明顯看出還有少部分的白色羽毛狀、平行的下貝氏體，它將影響試樣的綜合性能，其破斷力為773 kN(抗拉強度為1 017 MPa)，比中頻逆變電阻焊所得組織的性能低.

圖5 試樣2-2焊縫處微觀組織Fig.5 Weld line micro structures of sample 2-2

2.4 接頭斷口形貌的對比

1)圖6為閃光對焊方法下所得試樣2-4的拉伸斷口微觀形貌.圖中出現了大量等軸韌窩，在韌窩底部有少量夾雜物或析出相粒子，這是20Mn2鋼中微量合金元素Cr、Ni、Mo形成的沉淀強化相，可使材料具有很高的強韌性.圖中還存在少量橢圓形剪切韌窩，表明該斷口為塑性斷裂，其破斷力為697 kN(抗拉強度為917MPa)，延伸率為19.04%.

圖6 試樣2-4的微觀斷口形貌Fig.6 Macro fracture morphology of sample 2-4

圖7為閃光對焊方法下采用焊接電流75.6 kA，頂鍛量3.4mm，預熱電流70.59kA獲得的拉伸斷口微觀形貌.圖中有少量的剪切韌窩以及大量的冰糖狀、細瓷狀的沿晶脆性表面，還有少量的河流花樣表面，說明該斷口為脆性斷裂，其塑韌性較低，破斷力為472kN(抗拉強度為621MPa)，延伸率為8.08%.

圖7 較低性能的微觀斷口形貌Fig.7 Macro fracture morphology of low properties samples

2)用中頻逆變電阻焊得到的所有試樣中，大部分破斷力都能達到700kN(抗拉強度為921 Mpa)以上，在拉伸試樣過程中斷口均斷在母材上，說明焊接接頭處的性能良好，均超過母材性能.少數斷在焊縫上的試樣，其破斷力都不超過450 kN(抗拉強度為592MPa)，說明主要是受工藝參數的影響.圖8為中頻逆變電阻焊方法采用焊接電流40.5 kA，頂鍛量4.5mm，焊接時間1380ms獲得的微觀斷口形貌圖.圖中組織明顯均為細瓷狀、冰糖狀沿晶脆性斷裂表面，其破斷力僅為220kN(抗拉強度為290 MPa)，延伸率僅為4.04%.

綜上所述，工藝參數對中頻逆變電阻焊接頭性能的影響較大，在合適的工藝參數下連接圓環鏈，中頻逆變電阻焊方法所得接頭性能較優于閃光對焊方法所得接頭性能.

圖8 最低性能的微觀斷口形貌Fig.8 Macro fracture morphology of lowest properties sample

3 結論

1)在圓環鏈的焊接過程中，中頻逆變電阻焊的編鏈和焊接工藝過程具有生產自動化程度高、生產效率高、生產環境好、焊后無需清除毛刺、產品合格率高等優點.

2)在各自最優工藝參數條件下，根據力學實驗、微觀組織及斷口形貌對比分析，得出中頻逆變電阻焊方法所得接頭性能優于閃光對焊方法所得接頭性能.

References)

［1］ 馮秋元，李廷舉，丁志敏，等.閃光對焊技術研究現狀及發展趨勢［J］.材料科學與工藝，2008，16(1):49-53.Feng Qiuyuan，Li Tingju，Ding Zhimin，et al.Research situation and development trends of flash butt welding［J］.Materials Science and Engineering，2008，16(1):49-53.(in Chinese)

［2］ 楊鴻森，崔玉華，張振洪.礦用圓環鏈應力的測定［R］.西安:西安交通大學科學技術報告，1983(12):83-86.

［3］ 吳鎖春.20Mn2鋼起重鏈條的薄層滲碳［J］.金屬熱處理，1991，16(3):30-32.Wu Suochun.Thin layer carburizing of the lifting chains of 20Mn2 steel［J］.Heat Treatment of Metals，1991，16(3):30-32.(in Chinese)

［4］ 王欣，俞孟蕻.高速數據采集的閃光焊參數測試系統的研究［J］.江蘇科技大學學報:自然科學版，2006，20(3):68-71.Wang Xin，Yu Menghong.Research on high-speed data acquisition in parameter testing system of flash welding［J］.Jiangsu University of Science and Technology:Nature Science Edition，2006，20(3):68-71.(in Chinese)

［5］ 王東，馮曉云.中頻逆變直流電阻焊優勢探討［J］.電焊機，2006，36(1):41-43.Wang Dong，Feng Xiaoyun.Discussion on advantages of MF inverter DC resistance welding［J］.Electric Welding Machine，2006，36(1):41-43.(in Chinese)

［6］ 廖雅倩，賈虎.礦用高強度圓環鏈斷裂質量分析［J］.大眾標準化，2013(5):57-59.

［7］ 張景宜，石成剛，范銀平.圓環鏈用鋼20Mn2的研制［C］∥2007年度泛珠三角十一省(區)煉鋼連鑄年會.廣西柳州:中國金屬學會，2007:301-304.