徐 野 祁 麟 韓曉輝 葉結(jié)和 李永兵

1.中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司，青島，2661112.上海交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海，2002403.上海交通大學(xué)上海市復(fù)雜薄板結(jié)構(gòu)數(shù)字化制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海，200240

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快，軌道交通已成為完善城市建設(shè)、推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要保障。不銹鋼材料因其具有良好的抗腐蝕性能、機(jī)械性能及外觀美觀等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)有軌道車(chē)輛車(chē)體中得到廣泛應(yīng)用[1]。電阻點(diǎn)焊工藝具有熱輸入量較小、成本低、工藝適應(yīng)性好、焊接質(zhì)量可靠等優(yōu)點(diǎn)，是目前各類(lèi)不銹鋼車(chē)體中最主要的點(diǎn)連接工藝，平均每輛不銹鋼車(chē)體焊點(diǎn)總數(shù)可達(dá)30 000個(gè)。然而，不銹鋼具有電阻率大、熱導(dǎo)率小、熱膨脹系數(shù)大、高溫強(qiáng)度高等特性，在焊接過(guò)程中容易產(chǎn)生裂紋、縮孔、晶間腐蝕、晶粒粗大等焊接缺陷[2-4]。生產(chǎn)過(guò)程中常通過(guò)增大電極壓力、增大焊接電流等方法來(lái)增加總體熱輸入量，或者采取焊后熱處理(如焊后回火)的方式來(lái)改善熔核內(nèi)部組織，提升接頭焊接質(zhì)量[5]。然而這類(lèi)方法需要消耗更多能量，增加焊接工序，加速電極帽磨損，最終拖慢生產(chǎn)進(jìn)度從而增加生產(chǎn)成本。

磁控電阻點(diǎn)焊是一種基于傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊工藝，通過(guò)外加磁場(chǎng)對(duì)熔核中液態(tài)金屬進(jìn)行電磁攪拌的一種新型電阻點(diǎn)焊工藝方法。沈琦等[6]通過(guò)研發(fā)一種上下對(duì)稱(chēng)布置的圓柱形軸向充磁永磁體裝置，研究了外加磁場(chǎng)對(duì)高強(qiáng)鋼DP590/780/980等材料的接頭性能影響規(guī)律，驗(yàn)證了外加磁場(chǎng)可以通過(guò)非接觸式攪拌對(duì)焊核的形核過(guò)程產(chǎn)生影響，從而達(dá)到增大熔核直徑、細(xì)化晶粒組織、提升接頭力學(xué)性能的目的。羅震等[7]設(shè)計(jì)了一種大直徑上下對(duì)稱(chēng)布置的圓柱形軸向充磁永磁體裝置，研究了外加磁場(chǎng)作用下鎂合金、鋁合金的焊接過(guò)程。實(shí)驗(yàn)表明，外加磁場(chǎng)對(duì)輕質(zhì)金屬的熔核直徑、力學(xué)性能具有顯著的提升作用。

然而在實(shí)際生產(chǎn)中，車(chē)體的側(cè)墻、底架等大量焊接工位采用單側(cè)電阻點(diǎn)焊機(jī)而非雙側(cè)電阻點(diǎn)焊機(jī)，現(xiàn)有技術(shù)成果中的雙側(cè)磁控裝置均采用軸向充磁方式，需要在上下電極桿對(duì)稱(chēng)布置磁控裝置以通過(guò)軸向互斥作用生成徑向有效磁場(chǎng)，不適用于單側(cè)電阻點(diǎn)焊設(shè)備的焊接工況。因此本實(shí)驗(yàn)通過(guò)開(kāi)發(fā)適用于單側(cè)電阻點(diǎn)焊機(jī)的徑向充磁磁控裝置，研究外加磁場(chǎng)對(duì)不銹鋼焊接接頭宏觀、微觀和力學(xué)性能的影響規(guī)律，最終對(duì)磁控效果進(jìn)行評(píng)估。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)采用不銹鋼板301L為研究對(duì)象，選用實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中常用的1.5 mm+2.5 mm差厚板組合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)前，將整張板材預(yù)裁剪為150 mm×50 mm的試片，便于進(jìn)行金相試樣制備及力學(xué)性能試驗(yàn)。不銹鋼301L的化學(xué)成分如表1所示，物理屬性如表2所示，可以看出不銹鋼301L與普通低碳鋼相比具有電阻率大、熱導(dǎo)率小、線膨脹系數(shù)大以及高溫強(qiáng)度高的冶金特點(diǎn)，因此在焊接過(guò)程中容易形成焊透率低、縮孔、飛濺、晶粒粗大等常見(jiàn)焊接缺陷，對(duì)焊接工藝提出更高要求。

表1不銹鋼301L的合金元素含量

Tab.1Alloyelementcontentofstainlesssteel301L%

w(C)w(Mn)w(Si)w(P)w(S)w(Cr)w(Ni)w(N)≤0.03≤2.00≤1.00≤0.030≤0.04516.0～18.06.0～8.0≤0.20

表2 不銹鋼301L與普通低碳鋼物理屬性對(duì)比

實(shí)驗(yàn)中焊接設(shè)備為型號(hào)為NM-CC3的單側(cè)電阻點(diǎn)焊機(jī)，如圖1所示。該焊機(jī)所能提供的最大電流為20 kA，最大焊接壓力為15 kN，電極桿直徑為16 mm，電極帽為平電極帽，其端面直徑為16 mm。

圖1 NM-CC3單側(cè)電阻點(diǎn)焊機(jī)Fig.1 NM-CC3 single-side resistance spot welding machine

1.2 單側(cè)磁控電阻點(diǎn)焊裝置設(shè)計(jì)

為適應(yīng)單側(cè)電阻點(diǎn)焊機(jī)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程，本研究改變了傳統(tǒng)研究中永磁體的充磁方向，設(shè)計(jì)出單側(cè)磁控電阻點(diǎn)焊裝置。如圖 2a所示，該裝置將外加磁場(chǎng)施加模式從軸向充磁通過(guò)上下對(duì)稱(chēng)布置以產(chǎn)生徑向有效磁場(chǎng)改為進(jìn)行徑向充磁直接產(chǎn)生徑向有效磁場(chǎng)，因此本磁控裝置僅需要通過(guò)單側(cè)布置即可實(shí)現(xiàn)為熔核區(qū)提供有效的徑向磁場(chǎng)來(lái)完成磁控電阻點(diǎn)焊過(guò)程。永磁體材料為釹鐵硼N52，永磁體如圖 2b 所示，其中永磁體高度為15 mm，厚度為5 mm，采用四瓣式設(shè)計(jì)，每一瓣弧度為90°。為準(zhǔn)確裝夾永磁體并將永磁體固定在電極桿上，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了如圖2c所示的永磁體夾具，其內(nèi)徑為17 mm，外徑為24 mm，夾具上端預(yù)制螺紋孔，通過(guò)緊固螺絲將磁控裝置固定在電極桿下端，電極帽下端面凸出永磁體下端面1 mm，以避免工作中永磁體與工件之間發(fā)生干涉。

(a)磁控裝置 (b)徑向充磁永磁體 (c)永磁體夾具圖2 磁控電阻點(diǎn)焊裝置示意圖Fig.2 Diagram of magnetic resistance spot welding device

1.3 焊接時(shí)序與工藝參數(shù)確定

焊接時(shí)序采用現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)——《軌道車(chē)輛不銹鋼電阻焊通則》，該標(biāo)準(zhǔn)的焊接時(shí)序如圖3所示，包括預(yù)壓階段、多脈沖焊接階段和保壓階段。依據(jù)軌道車(chē)輛現(xiàn)行制造標(biāo)準(zhǔn)，1.5 mm+2.5 mm組合的差厚板最小熔核直徑為5.6 mm。實(shí)驗(yàn)前，測(cè)出無(wú)外加磁場(chǎng)條件下達(dá)到最小熔核直徑所需要的電流為9.5 kA，此時(shí)熔核直徑為5.72 mm，滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)。為驗(yàn)證外加磁場(chǎng)條件下不同焊接參數(shù)對(duì)熔核直徑、力學(xué)性能的影響，本實(shí)驗(yàn)基于現(xiàn)行制造標(biāo)準(zhǔn)中的工藝規(guī)定，設(shè)計(jì)了三種不同的電流參數(shù)對(duì)有無(wú)外加磁場(chǎng)的焊接過(guò)程進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，具體參數(shù)如表3所示。

圖3 焊接時(shí)序圖Fig.3 Welding sequence diagram

電流(kA)壓力(kN)預(yù)壓時(shí)間(ms)脈沖數(shù)單段脈沖時(shí)間(ms)冷卻時(shí)間(ms)保壓時(shí)間(ms)9.0/9.5/10.010.51 5003110201 500

2 實(shí)驗(yàn)與分析

2.1 熔核宏觀分析

傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊與磁控電阻點(diǎn)焊熔核宏觀金相對(duì)比如圖4所示，本文通過(guò)金相制樣對(duì)兩種工藝得到的焊點(diǎn)進(jìn)行宏觀形貌分析。研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)點(diǎn)焊熔核呈扁橢圓狀，而外加磁場(chǎng)下的熔核形貌呈現(xiàn)兩端厚、中間薄的花生殼形狀。表明采用徑向充磁的永磁體在單側(cè)施加外加磁場(chǎng)，可以在有效焊接區(qū)域產(chǎn)生徑向磁場(chǎng)，從而改變?nèi)酆藘?nèi)部金屬的流動(dòng)規(guī)律。通過(guò)外加磁場(chǎng)與電流的交互作用，產(chǎn)生的周向洛倫茲攪拌力，推動(dòng)熔融金屬在熔核內(nèi)部做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而將熱量從熔核中心帶到熔核邊緣處，使得邊緣加厚，中心處減薄。

(a)I=9.0 kA(傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊)

(c)I=9.5 kA(傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊)

(e)I=10.0 kA(傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊)

(f)I=10.0 kA(磁控電阻點(diǎn)焊)圖4 傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊與磁控電阻點(diǎn)焊熔核宏觀金相對(duì)比Fig.4 Macroscopic contrast diagram of nugget in traditional resistance spot welding and magnetic assisted resistance spot welding

在電流分別為9.0 kA、9.5 kA和10.0 kA條件下，磁控電阻點(diǎn)焊接頭的熔核直徑較傳統(tǒng)接頭直徑分別增大9.96 %、6.09 % 和5.48 %，可見(jiàn)該徑向單側(cè)充磁磁控裝置可以有效增大熔核直徑，且電流越小提升效果越顯著。在電流為9.0 kA條件下，傳統(tǒng)點(diǎn)焊熔核直徑為5.52 mm，不滿(mǎn)足軌道車(chē)輛最小熔核直徑標(biāo)準(zhǔn)尺寸，而在外加磁場(chǎng)作用下，熔核直徑為6.07 mm，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。因此，磁控電阻點(diǎn)焊可以有效保障接頭焊接質(zhì)量。隨著焊接電流的逐漸增大，磁控效果相對(duì)減弱，這是由于大電流條件下熔核直徑已經(jīng)足夠大，而且電極帽的端面直徑限制了熔核尺寸的進(jìn)一步增大，強(qiáng)電磁攪拌會(huì)誘發(fā)飛濺發(fā)生，因此大電流條件下無(wú)法采用磁控裝置有效增大熔核直徑，導(dǎo)致接頭強(qiáng)度磁控效果減弱。綜上，新型徑向充磁的磁控裝置可以?xún)H通過(guò)在焊槍單側(cè)布置磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)熔核區(qū)的有效電磁攪拌，且效果顯著。

2.2 微觀組織分析

電阻點(diǎn)焊接頭的晶粒尺寸、微觀組織和顯微硬度等特性主要取決于焊接過(guò)程中熔核內(nèi)溫度場(chǎng)的梯度分布情況以及冷卻速度。因此，外加徑向磁場(chǎng)的作用從機(jī)理上改變了熔核內(nèi)部的溫度分布情況。圖5、圖6列出了電流為9.5 kA條件下傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊和磁控電阻點(diǎn)焊微觀組織對(duì)比圖。通過(guò)圖5b可以看出，傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊得到的焊點(diǎn)在邊緣處呈現(xiàn)大量枝狀晶，晶粒的方向沿中心到邊緣的溫度梯度分布，由此可見(jiàn)，傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊的熔核兩側(cè)熔化時(shí)溫度遠(yuǎn)高于其他部分熔化時(shí)的溫度，因此在凝固結(jié)晶過(guò)程中，這一區(qū)域由于溫度梯度較大，形成了粗大的晶粒。圖6b展示了磁控電阻點(diǎn)焊接頭在焊核邊緣處的微觀形貌，可以看出熔核邊緣處粗大枝狀晶得到細(xì)化，方向性也有所減弱。其原理是在焊接階段，熔融金屬在電磁力攪拌作用下做高速周向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使得熔核在增大的同時(shí)，熔核內(nèi)溫度梯度顯著降低；在冷卻凝固階段，電磁攪拌力伴隨焊接電流消失，但在初始階段液態(tài)金屬在慣性力作用下，依然做高速流動(dòng)，因此能夠打碎枝晶，細(xì)化熔核邊緣的晶粒。在凝固后期，因?yàn)槿酆酥袦囟忍荻刃?，因此形成了?xì)小的等軸晶。

(a)傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊

(b)圖5a中a1位置

(c)圖5b中a2位置圖5 傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊接頭微觀組織Fig.5 Microstructure of traditional resistance spot welding joint

對(duì)比傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊接頭組織(圖5c)與磁控點(diǎn)焊接頭組織(圖6c)可知，磁控電阻點(diǎn)焊具有細(xì)化晶粒組織和減少組織方向性的作用，在外加磁場(chǎng)作用下柱狀晶變?yōu)榈容S晶。由此可以證明，徑向充磁的單側(cè)磁控裝置在機(jī)理上具備較好的電磁攪拌能力，可以替代傳統(tǒng)的雙側(cè)對(duì)稱(chēng)布置磁控裝置，實(shí)現(xiàn)在單側(cè)電阻點(diǎn)焊機(jī)上的應(yīng)用。

(a)磁控電阻點(diǎn)焊

(b)圖6a中b1位置

(c)圖6b中b2位置圖6 磁控電阻點(diǎn)焊接頭微觀組織Fig.6 Microstructure of magnetic assisted resistance spot welding joint

2.3 接頭力學(xué)性能

本文對(duì)不同電流下外加磁場(chǎng)接頭與傳統(tǒng)接頭的拉剪力進(jìn)行了對(duì)比，如圖7所示。外部磁場(chǎng)對(duì)接頭拉剪力具有不同程度的提升效果。在電流為9.0 kA條件下，磁控接頭拉剪力較傳統(tǒng)接頭拉剪力增大15.8%，由前文可知，當(dāng)電流較小，工藝參數(shù)越接近最小熔核直徑標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，磁控裝置對(duì)熔核直徑的增大效果越顯著。此外，綜合圖8最大拉剪力下的位移結(jié)果分析可知，磁控電阻點(diǎn)焊接頭拉剪力和最大位移均增大，表明外部磁場(chǎng)能夠顯著提升接頭的韌性。因此，在熔核直徑增大、縮孔減少、組織細(xì)化的綜合作用下，磁控接頭的力學(xué)性能得到了顯著提升。

圖7 傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊接頭與磁控電阻點(diǎn)焊接頭在不同電流下的拉剪力Fig.7 Lap-shear load of traditional resistance spot welding and magnetic assisted resistance spot welding joints under different welding currents

圖8 傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊接頭與磁控電阻點(diǎn)焊接頭在不同電流下的最大位移Fig.8 Maximum displacement of traditional resistance spot welding and magnetic assisted resistance spot welding joints under different welding currents

綜合分析圖7與圖8中傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊接頭與磁控電阻點(diǎn)焊接頭在不同電流下的拉剪力與位移對(duì)比結(jié)果可知，隨著電流增大，拉剪力與位移增幅呈遞減趨勢(shì)，這主要是因?yàn)殡娏髟龃蠛螅粩嘟咏附哟翱谟疫吔?，焊點(diǎn)瀕臨飛濺，此時(shí)熔核直徑生長(zhǎng)受到抑制，因此拉剪力與位移的提升率也隨之降低。另一方面，可以看出，磁控電阻點(diǎn)焊在電流為9.0 kA時(shí)的拉剪力與電流為9.5 kA時(shí)傳統(tǒng)熔核的拉剪力接近，而電流為9.5 kA的磁控拉剪力略高于電流為10.0 kA下的傳統(tǒng)接頭拉剪力，說(shuō)明使用磁控裝置后，在保證焊接質(zhì)量不變的前提下可以減小焊接電流約500 A，在大規(guī)模生產(chǎn)中可以起到顯著的節(jié)能降本作用。

3 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)磁控接頭與傳統(tǒng)接頭的宏觀焊核對(duì)比可知，在徑向充磁磁控裝置作用下，焊接接頭呈現(xiàn)出兩邊厚中心薄的花生殼形狀，且在電流相對(duì)較小時(shí)，磁控電阻點(diǎn)焊接頭直徑增大效果顯著。

(2)通過(guò)微觀組織分析可知，在徑向充磁磁控裝置電磁力的攪拌作用下，熔核內(nèi)部的溫度梯度更加均勻，粗大的樹(shù)枝晶被打碎，晶粒組織得到明顯細(xì)化。

(3)通過(guò)力學(xué)性能研究可知，磁控電阻點(diǎn)焊接頭拉剪力顯著提升，在電流相對(duì)較小時(shí)增長(zhǎng)率更大,具有良好的韌性。在減小500 A焊接電流情況下，依然可以獲得與傳統(tǒng)接頭性能相當(dāng)?shù)慕宇^強(qiáng)度，具有良好的節(jié)能作用。

(4)徑向充磁磁控電阻點(diǎn)焊裝置可以?xún)H通過(guò)在工件一側(cè)進(jìn)行單側(cè)布置，實(shí)現(xiàn)在單側(cè)電阻點(diǎn)焊設(shè)備上的磁控電阻點(diǎn)焊，突破了長(zhǎng)期以來(lái)磁控裝置只能雙側(cè)施加的技術(shù)挑戰(zhàn)。