焊接參數對軌道交通車輛不銹鋼磁控電阻點焊的影響

郭 猛 胡立國 劉海偉 康麗齊 袁海堃 周 勇

(中車長春軌道客車股份有限公司工程技術中心， 130062， 長春∥第一作者， 高級工程師)

電阻點焊以其高效率、焊接變形小等優點廣泛應用于不銹鋼軌道交通車輛生產中。伴隨著軌道交通車輛的國際化進程，中車長春軌道客車股份有限公司(以下簡為“中車長客”)的不銹鋼車輛成功進入巴西、泰國及美國等國際市場以及香港特區市場，客戶對不銹鋼車輛制造水平的要求亦日益提高。因此，不銹鋼車輛的焊接質量、平面度外觀質量成為不銹鋼車輛制造過程中的重要指標[1]。

電阻點焊參數的選擇，尤其點焊電流的選擇對點焊質量影響較大。當焊接電流較小時，熔核未完全生長；當焊接參數過大時，形成的粗晶組織同樣對點焊強度有較大的影響[2-3]。近年來不少學者對利用電磁攪拌技術提高汽車和軌道交通車輛點焊接頭質量進行了研究。文獻[4-5]對雙相高強鋼使用永磁體作為外加磁場進行點焊試驗，使點焊接頭的剪切強度、熔核直徑等均有大幅提高。文獻[6]對超高強度合金鋼30CrMnSiNi2A進行外加磁場點焊試驗，取得了良好的效果。文獻[7]分析了永磁體磁場對鋁合金電阻點焊力學性能及微觀組織的影響，焊點剪切力增幅在4%～25%。文獻[8]發現外加磁場對不銹鋼點焊質量有明顯的改善作用。

中車長客針對不銹鋼磁控電阻點焊進行了試驗分析，發現利用磁控電阻點焊技術能夠提高點焊拉剪強度。本文主要從不同焊接參數下的磁控電阻點焊接頭的拉剪強度影響規律出發，分析焊接參數與磁控電阻點焊雙層作用下的點焊接頭強度，以得到磁控電阻點焊的最佳焊接參數組合，為不銹鋼點焊生產提供依據。

1 不銹鋼磁控電阻點焊試驗材料與方法

試驗材料選用板厚組合為2 mm+2 mm軌道交通車輛用SUS301L-DLT不銹鋼，其化學成分和力學性能見表1～2。采用日本NASTOA逆變恒流控制點焊機，電極采用球頭半徑為R100的鉻鋯銅電極。為驗證不同焊接熱輸入條件下的磁控電阻點焊效果，試驗共設置了5組焊接參數(見表3)。

表1 SUS301L-DLT不銹鋼的化學成分質量分數Tab.1 Chemical composition of SUS301L-DLT stainless steel 單位：%

表2 SUS301L-DHT不銹鋼的力學性能Tab.2 Mechanical properties of SUS301L-DLT stainless steel

表3 SUS301L-DHT不銹鋼磁控電阻點焊試驗焊接參數Tab.3 Welding parameters of SUS301L-DLT stainless steel in magnetron resistance spot welding test

本文磁控電阻點焊外加磁場采用釹鐵硼永磁體。磁控電阻點焊試驗裝置(見圖1)的設計主要考慮在能夠提供足夠磁場強度的前提下方便調整永磁體到點焊工件表面的距離，因此，本文設計了便于調整磁場強度的磁體固定安裝座對永磁體進行固定。

2 不銹鋼磁控電阻點焊試驗結果分析

采用磁控電阻點焊技術，當電流通過熔核時在外加磁場的作用下產生洛倫茲力，使熔核金屬發生流動和攪拌作用。因此，磁控電阻點焊下的熔核與普通點焊下的熔核形貌相比，熔核直徑和熔核寬高比均有不同程度的增加，由此帶來點焊剪切強度增加；同時，磁控電阻點焊攪拌作用造成熔核組織晶粒細化，因此熔核的塑性增加，表現為拉伸失效位移增加。因此，本文對外加磁場作用下的點焊熔核形貌和點焊機械性能進行分析，以確定最佳磁控電阻點焊焊接參數。

圖1 磁控電阻點焊試驗裝置Fig.1 Test device for magnetron resistance spot welding

2.1 不同點焊參數下磁控電阻點焊熔核形貌分析

普通點焊時熔核熔化金屬只在焊接電流產生的磁場下運動，而磁控電阻點焊過程中磁場為焊接電流產生的磁場和外加磁場綜合作用下的復合磁場。此時熔核金屬受到的磁力和磁場方向均發生較大變化，具體表現為沿熔核直徑方向產生沖刷作用，從而使熔核直徑增大，料件焊點的熔深減小。圖2為焊接電流為10 kA、焊接周波為0.50 s時，外加磁場作用下熔核形貌的變化情況。從圖2中可以看出，當永磁體到工件距離變小，外加磁場強度增加時，熔核的直徑逐漸增加，且熔核呈現扁平趨勢。

圖3～4為不同焊接參數下外加磁場強度對熔核直徑和熔核寬高比的影響。由圖3～4可見：不同焊接參數條件下，在外加磁場的作用下點焊熔核直徑和寬高比均有不同程度的增加。當焊接電流為10 kA時，焊接周波越長，熔核直徑和熔核寬高比越大，說明相同焊接電流條件下增加焊接周波對磁控電阻點焊的效果越明顯；當焊接周波恒定為0.44 s，焊接電流分別為10 kA和11 kA時點焊熔核寬高比變化不大；當焊接電流為9 kA、永磁體到熔核中心距離大于7 mm時，點焊熔核寬高比較焊接電流為10 kA和11 kA時有明顯降幅，說明焊接電流為9 kA且外加磁場較小時磁控效果明顯降低；當焊接電流為10 kA、焊接周波為0.50 s時，熔核寬高比增加最為明顯，說明此時磁控效果最佳。

a) 永磁體到點焊工件表面的距離為1 mm

圖3 不同焊接參數和外加磁場強度下的熔核直徑Fig.3 Diameters of molten core under different welding parameters and external magnetic field intensities

圖4 不同焊接參數和外加磁場強度下的熔核寬高比Fig.4 Aspect ratios of molten core under different welding parameters and external magnetic field intensities

2.2 不同點焊參數下磁控電阻點焊拉伸性能分析

點焊試件的拉伸性能是點焊質量最直觀的表現，亦是最易檢測的點焊質量指標之一。因此，對磁控電阻點焊的拉伸性能進行分析非常必要。

圖5～7為不同焊接參數和外加磁場強度下的拉伸強度、拉伸強度增加比和拉伸失效位移對比。由圖5～7可見，隨著外加磁場強度的增加，不同焊接參數下的試驗片拉伸強度增加趨勢基本一致，當焊接電流為11 kA、焊接周波0.44 s，以及焊接電流為10 kA、焊接周波為0.50 s時，由于熱輸入量較大，磁控電阻點焊的拉伸強度增加絕對值也較大。當焊接電流為10 kA、焊接周波為0.50 s時，磁控電阻點焊拉伸強度的增加最為明顯。這是因為當焊接周波增加時熱輸入量較大，熔核熔化金屬較多；另外隨著焊接周波的增加，有效攪拌時間增加，電磁攪拌效果亦得到了增強。

圖5 不同焊接參數和外加磁場強度下點焊的拉剪強度Fig.5 Shear strength under different welding parameters and external magnetic field intensities

3 結論

1) 不銹鋼磁控電阻點焊過程中外加磁場的方式能夠起到提高點焊焊核的拉伸強度、細化熔核組織、提高熔核寬高比、減小點焊凹坑及提高失效位移的效果，且焊接參數增大時效果更加明顯。

圖6 不同焊接參數和外加磁場強度下點焊的拉伸強度增加比Fig.6 Increase ratio of tensile strength under different welding parameters and external magnetic field intensities

圖7 不同焊接參數和外加磁場強度下的拉剪試驗失效位移Fig.7 Failure displacement of shear tests under different welding parameters and external magnetic field intensities

2) 不同焊接參數下電阻點焊磁控效果差別較大，影響磁控效果的主要因素為焊接電流和焊接周波。當焊接電流為10 kA、焊接周波為0.50 s時，熔核寬高比和磁控電阻點焊拉剪強度增加最為明顯，說明此時磁控效果最明顯。通過設置合理的焊接參數，可以有效提高不銹鋼磁控電阻點焊的機械性能。