1Cr18Ni9Ti不銹鋼電阻點(diǎn)焊接頭界面結(jié)構(gòu)及性能

晁耀杰，張義文，周元彪，滿常厚，李德勝，張季童，李勇，李敬，高育林，席家利

1.大連長(zhǎng)豐實(shí)業(yè)總公司 遼寧大連 116038

2.大連工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 遼寧大連 116034

1 序言

1Cr18Ni9Ti屬于典型的18-8型鎳-鉻奧氏體不銹鋼，是我國(guó)產(chǎn)量最多的奧氏體不銹鋼，因其具備優(yōu)良的抗腐蝕性能而被廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、食品及醫(yī)療等領(lǐng)域[1，2]。在1Cr18Ni9Ti不銹鋼的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，各種焊接結(jié)構(gòu)件必然要實(shí)現(xiàn)接頭的可靠連接[3，4]。

目前，在針對(duì)1Cr18Ni9Ti不銹鋼焊接的研究中，廣泛采用熔焊、釬焊和壓力焊等多種焊接方法。其中，電阻點(diǎn)焊作為壓力焊的一種，在工業(yè)部門(mén)各種1Cr18Ni9Ti不銹鋼材質(zhì)卡箍零件的制造中展現(xiàn)出了不可替代的優(yōu)勢(shì)，因此在應(yīng)用范圍上有繼續(xù)增加的趨勢(shì)[5，6]。電阻點(diǎn)焊作為一種高速、經(jīng)濟(jì)的焊接方法，適用于制造可以采用搭接、接頭無(wú)氣密性要求且厚度＜3mm的沖壓及軋制的薄板構(gòu)件。該工藝既能夠避免焊接熱量對(duì)母材性能造成的損傷，同時(shí)又克服了釬焊接頭強(qiáng)度低、脆性大的缺點(diǎn)[7]。但為保證連接接頭的服役可靠性，在1Cr18Ni9Ti不銹鋼電阻點(diǎn)焊工藝中選擇合適的焊接參數(shù)至關(guān)重要。

本文采用電阻點(diǎn)焊方法實(shí)現(xiàn)了1Cr18Ni9Ti不銹鋼板料的可靠連接，研究了電阻點(diǎn)焊接頭組織的形成過(guò)程，分析了焊接參數(shù)對(duì)接頭界面組織和性能的影響。此外，通過(guò)單一變量法優(yōu)化工藝參數(shù)，研究了電流參數(shù)與接頭的組織形貌、力學(xué)測(cè)試和焊點(diǎn)尺寸特征之間的關(guān)系。

2 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料采用的是厚度為1mm的1Cr18Ni9Ti不銹鋼板，其化學(xué)成分見(jiàn)表1，熱處理狀態(tài)為：1030～1070℃熱軋+空冷。試驗(yàn)采用的點(diǎn)焊設(shè)備型號(hào)為DN-63-1，焊接參數(shù)見(jiàn)表2。采用線切割方法將1mm厚的1Cr18Ni9Ti不銹鋼板加工出100mm×20mm試樣，并采用SiC砂紙沿著長(zhǎng)度方向進(jìn)行機(jī)械打磨直至露出金屬光澤，表面粗糙度達(dá)到1000目（13μm），然后采用干凈的棉布蘸取工業(yè)無(wú)水酒精進(jìn)行擦拭，保障試樣表面無(wú)油污存在。本文采用單一變量方法開(kāi)展電阻點(diǎn)焊試驗(yàn)，在保證焊前加壓時(shí)間、加熱時(shí)間、降壓時(shí)間和電極壓力不變的前提下，通過(guò)改變焊接電流參數(shù)，將試驗(yàn)分為5組，編號(hào)為1～5。

表1 1Cr18Ni9Ti不銹鋼板化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 點(diǎn)焊焊接參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 點(diǎn)焊接頭界面組織

采用光學(xué)金相顯微鏡觀察到的點(diǎn)焊接頭宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知，接頭由焊核區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)等3部分構(gòu)成，熱影響區(qū)位于焊核區(qū)和母材區(qū)之間。以上3個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的微觀形貌分別如圖2a～c所示。由圖2a可知，母材區(qū)由奧氏體和少量鐵素體組成，晶粒內(nèi)分布著灰色的脆性?shī)A雜，圖2d成分測(cè)試表明，該脆性?shī)A雜為不銹鋼冶煉過(guò)程中產(chǎn)生的TiN。焊核區(qū)的晶粒形貌呈現(xiàn)為柱狀晶，且晶粒垂直于結(jié)合面。這是因?yàn)辄c(diǎn)焊過(guò)程中焊核區(qū)域發(fā)生重熔形成液態(tài)金屬，并在電動(dòng)力的作用下發(fā)生強(qiáng)烈攪拌，使液態(tài)金屬成分均勻化，結(jié)合面消失。在停止加熱后，液態(tài)金屬首先從自由能最低的焊核邊界開(kāi)始結(jié)晶凝固，然后以柱狀晶形式向焊核中心延伸。熱影響區(qū)位于焊核邊界附近，在焊接熱的作用下焊核邊界形成半熔化區(qū)，熱影響區(qū)的寬度較?。?50～250μm），且基本由等軸晶構(gòu)成。焊核區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)內(nèi)部的亮白色組織均為奧氏體，晶界處灰黑色組織為鐵素體。

圖1 點(diǎn)焊接頭宏觀形貌

圖2 點(diǎn)焊接頭界面結(jié)構(gòu)

3.2 點(diǎn)焊接頭顯微硬度測(cè)試

為進(jìn)一步分析電阻點(diǎn)焊接頭力學(xué)性能的變化情況，按照?qǐng)D3所示位置開(kāi)展了顯微硬度測(cè)試，點(diǎn)焊接頭的顯微硬度分布如圖4所示。由圖4可看出，點(diǎn)焊接頭各微區(qū)的顯微硬度差別較大，焊核區(qū)硬度最低，數(shù)值為220HV左右，母材區(qū)硬度最高，平均值為345HV，熱影響區(qū)的硬度浮動(dòng)加大，為240～310HV。焊核區(qū)硬度最低主要是由于焊核區(qū)形成了尺寸較大的奧氏體柱狀晶，而熱影響區(qū)形成了等軸奧氏體晶粒和少量鐵素體，且晶粒大小和組織分布不均勻?qū)е铝藷嵊绊憛^(qū)硬度浮動(dòng)較大。母材區(qū)未受到焊接熱的影響，晶粒未長(zhǎng)大，因此硬度最高。

圖3 點(diǎn)焊接頭顯微硬度測(cè)試位置示意

圖4 點(diǎn)焊接頭顯微硬度分布

3.3 焊接參數(shù)對(duì)接頭剪切性能與斷裂模式影響

根據(jù)圖5進(jìn)行剪切試驗(yàn)。圖6所示為不同焊接電流參數(shù)下點(diǎn)焊接頭的剪切力測(cè)試結(jié)果。由圖6可知，隨著焊接電流的增大，接頭的抗剪切能力先升高后降低，當(dāng)電流較小時(shí)，點(diǎn)焊接頭未充分熔合，故剪切力較小；隨著焊接電流增大，接頭熔合逐漸充分，當(dāng)電流強(qiáng)度達(dá)到7.6kA時(shí)，接頭具有最大抗剪切力（5500±50）N。這是因?yàn)楫?dāng)焊接電流＞8.0kA時(shí)，點(diǎn)焊接頭會(huì)出現(xiàn)飛濺，且飛濺導(dǎo)致焊核金屬減少，起連接作用的金屬量較少，從而導(dǎo)致強(qiáng)度降低。圖7、圖8所示為不同焊接電流參數(shù)下的壓痕深度與熔透率。由圖7、圖8可知，壓痕深度與熔透率均隨著焊接電流增大而增大，壓痕深度的增長(zhǎng)速率更快，而熔透率增長(zhǎng)速率變緩。這是因?yàn)楹附与娏髟酱?，用于熔化的熱量增加，點(diǎn)焊受壓部位變軟，導(dǎo)致壓痕深度增大；而當(dāng)焊接電流＞7.6kA時(shí)，點(diǎn)焊接頭發(fā)生飛濺，飛濺導(dǎo)致厚度方向上的焊核直徑尺寸無(wú)較大增長(zhǎng)，進(jìn)而導(dǎo)致熔透率增長(zhǎng)緩慢。圖9中焊核直徑隨焊接電流增大而增大，當(dāng)焊接電流＞7.6kA時(shí)，焊核直徑增長(zhǎng)趨勢(shì)緩慢，這與點(diǎn)焊過(guò)程中飛濺等因素有關(guān)。

圖5 剪切試驗(yàn)示意

圖6 不同焊接電流參數(shù)下的剪切力

圖7 不同焊接電流參數(shù)下的壓痕深度

圖8 不同焊接電流參數(shù)下的熔透率

圖9 不同焊接電流參數(shù)下的點(diǎn)焊接頭特征與電流關(guān)系

針對(duì)剪切試驗(yàn)的斷口進(jìn)行觀察，主要分為界面斷裂和焊核剝離斷裂兩種斷裂模式[8，9]，圖10a所示為界面斷裂，圖10b所示為焊核剝離斷裂，又稱“紐扣式斷裂”。界面斷裂發(fā)生在點(diǎn)焊的焊核中心位置，焊核剝離斷裂發(fā)生在熱影響區(qū)，焊核整體基本未發(fā)生損傷，而是從焊點(diǎn)周?chē)臒嵊绊憛^(qū)發(fā)生撕裂。當(dāng)焊接電流＜7.0kA時(shí)，剪切試樣的斷口為界面斷裂；當(dāng)電流＞7.0kA時(shí)，剪切試樣會(huì)產(chǎn)生焊核剝離斷裂。通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)[10，11]可知，剪切試樣的焊核尺寸低于臨界尺寸時(shí)會(huì)發(fā)生界面斷裂，大于該尺寸時(shí)焊點(diǎn)會(huì)發(fā)生焊核剝離斷裂。

圖10 點(diǎn)焊接頭剪切斷裂形貌

臨界尺寸計(jì)算公式為

式中t——板材厚度（mm）；

HFZ——焊核區(qū)的硬度值（HV）；

HFL——焊核剝離斷裂模式下斷裂位置的硬度值 （HV）；

f——焊核區(qū)剪切強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值。

點(diǎn)焊接頭剪切斷口掃描形貌如圖11所示。通過(guò)圖11可觀察到，兩種點(diǎn)焊接頭剪切斷裂模式斷口的微觀形貌均呈現(xiàn)出了微孔聚集型斷裂特征，均具有韌窩和撕裂楞，因此都有明顯的塑性斷裂特征，但與圖11b相比，圖11a顯示其韌窩數(shù)量更少且尺寸較小，由此可判斷出界面斷裂斷口的塑性明顯低于焊核剝離斷裂。這是因?yàn)榻缑鏀嗔盐恢檬呛负酥行模负宋恢弥饕纱执蟮闹鶢罹?gòu)成，而焊核剝離斷裂的位置是焊核外圍的熱影響區(qū)，熱影響區(qū)組織主要由等軸晶構(gòu)成，且等軸晶比粗大的等軸晶塑性要好。

圖11 點(diǎn)焊接頭剪切斷口掃描形貌

4 結(jié)束語(yǔ)

1）1Cr18Ni9Ti鋼點(diǎn)焊接頭由焊核區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)構(gòu)成，焊核區(qū)呈現(xiàn)為垂直于結(jié)合面的柱狀晶，熱影響區(qū)位于焊核邊界外圍，主要由等軸晶構(gòu)成，焊核區(qū)與熱影響區(qū)晶粒內(nèi)部的亮白色均為奧氏體組織，晶界處灰黑色的為鐵素體組織，母材區(qū)由奧氏體和少量鐵素體組成。

2）隨著焊接電流的增大，1Cr18Ni9Ti鋼點(diǎn)焊接頭的抗剪切能力先升高后降低，當(dāng)達(dá)到7.6kA時(shí)，接頭獲得最大抗剪切力（5500±50）N，壓痕深度與熔透率均隨著焊接電流增大而增大，壓痕深度的增長(zhǎng)速率更快，焊核直徑也隨著焊接電流的增大而增大，當(dāng)焊接電流＞7.6kA時(shí)，焊核直徑增長(zhǎng)趨勢(shì)緩慢。

3）當(dāng)焊接電流＜7.0kA時(shí)，剪切試樣的斷口為界面斷裂；當(dāng)焊接電流＞7.0kA時(shí)，剪切試樣會(huì)產(chǎn)生焊核剝離斷裂，兩種點(diǎn)焊接頭剪切斷裂模式的微觀斷口均呈現(xiàn)出明顯的塑性斷裂特征，但界面斷裂斷口的塑性明顯低于焊核剝離斷裂。