軌道車輛部件5083鋁合金電阻點焊工藝研究

耿靖賀

摘要：本文采用2mm+2mm重疊接頭形式的5083鋁合金板材進(jìn)行電阻點焊焊接工藝試驗，通過宏觀金相試驗、焊核剝離試驗、熔合尺寸確定及剪拉力測試對不同工藝參數(shù)下獲得的試樣進(jìn)行焊核成形質(zhì)量和力學(xué)性能分析，運用正交方案確定了3段電流為29KA、32KA、25KA;鍛壓時序-100ms;焊接壓力6.5KN為最佳參數(shù)，且滿足EN 15085-3設(shè)計規(guī)定中對焊核尺寸及剪拉力值的要求。

關(guān)鍵詞：5083鋁合金薄板;電阻點焊;工藝研究

1 ?電阻點焊工藝

電阻點焊主要分為單面點焊和雙面點焊，雙面點焊的原理是通過將工件置于夾緊電極間，由電極施加較大電流并同時對試件施加壓力使兩電極間金屬密切接觸形成電流回路，進(jìn)而使電極間金屬熔化形成熔核實現(xiàn)材料連接。電阻點焊一般由預(yù)壓階段保證工件間接觸緊密良好、通電焊接階段保證形成良好的焊核及塑性環(huán)、焊后保壓階段保證焊后凝固階段無縮孔及裂紋等缺陷三個階段組成一個焊接循環(huán)。其具有生產(chǎn)效率高、熱影響區(qū)小變形小、無焊材成本低、勞動強度低等優(yōu)點[1]，目前該焊接方式廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道及交通運輸車輛等行業(yè)中[2]。電阻點焊受焊接母材的導(dǎo)電率、熔點、導(dǎo)熱率、熱膨脹系數(shù)、板材厚度不同等影響，易產(chǎn)生縮孔、未融合、熔核尺寸過小、焊穿等缺陷，因此電阻點焊的工藝參數(shù)對焊接產(chǎn)品質(zhì)量影響重大[3]。

2 ?鋁合金車體電阻點焊

隨著軌道交通裝備制造業(yè)的迅速發(fā)展，輕量化機車車輛車體材料的選擇逐漸成為了焦點。機車車輛車體材料主要有碳鋼、不銹鋼、鋁合金三種。碳鋼材料的耐腐蝕性能較差，且密度較高，約為鋁合金材料的3倍，目前主要應(yīng)用于機車車體焊接。不銹鋼材料具有較好的耐腐蝕性，但在鹽霧條件下易發(fā)生晶間腐蝕，且制造成本高，曾用于和諧號動車組車體焊接。鋁合金作為輕量化節(jié)能材料，在工業(yè)生產(chǎn)中的價值日益提升，鋁合金材料憑借其耐腐蝕性良好、強度較高、密度小質(zhì)量輕、可進(jìn)行型材加工等特點逐漸取代代了碳鋼、不銹鋼等材料成為了復(fù)興號標(biāo)準(zhǔn)動車組、城軌地鐵車輛車體制造的主要材料，減少了車體的焊接量和勞動強度，提升了生產(chǎn)效率。

目前鋁合金車體大部件如底架、側(cè)墻、車頂?shù)戎泻癜寮昂癜搴附踊蛄W(xué)性能要求嚴(yán)格的部件焊接主要采用MIG（熔化極惰性氣體保護(hù)焊）、TIG（非熔化極惰性氣體保護(hù)焊）、攪拌摩擦焊等方式。對于薄板焊接，MIG及TIG焊接由于其熱輸入大、焊接變形量大等特點，無法實現(xiàn)薄板的精密焊接及變形控制。攪拌摩擦焊只適用于中厚板的平對接，適用范圍較小。而鋁合金電阻點焊工藝未施加焊接壓力區(qū)域受鋁合金表面氧化膜的影響，導(dǎo)電能力弱不易使電流分流，因此僅對焊點區(qū)域產(chǎn)生熱輸入易于形成穩(wěn)定焊核，成為了軌道車輛部件鋁合金薄板焊接的主要方式。為了保障鋁合金電阻點焊的焊接質(zhì)量，EN15085-3軌道車輛及其部件焊接設(shè)計要求中對電阻點焊也做出了相應(yīng)的要求，2mm厚鋁合金焊核尺寸及剪應(yīng)力要求如表1所示。

3 ?5083鋁合金電阻點焊工藝研究

試驗采用梅達(dá)SMD-80SS中頻逆變電阻點焊機對2mm+2mm的5083鋁合金板材進(jìn)行搭接點焊試驗。改變了焊接壓力、焊接電流、鍛壓時序三種主要變量進(jìn)行正交試驗。通過宏觀金相試驗、焊核剝離試驗、焊核尺寸確定、剪應(yīng)力測試確定最優(yōu)參數(shù)和是否滿足EN15085標(biāo)準(zhǔn)。試驗參數(shù)如表2所示。

各試樣的剝離試驗結(jié)果如圖1所示，參數(shù)4試件由于焊接壓力偏小，焊點金屬熔化后沒有足夠的焊接壓力和鍛壓壓力，焊核金屬強度不足，在剝離試驗中焊核斷裂。

各試樣焊核直徑和是否產(chǎn)生焊接飛濺的情況見表3，各參數(shù)試樣焊核直徑均大于EN15085-3中2mm鋁合金電阻點焊熔核直徑的要求（不小于7mm）。參數(shù)5試件由于焊接壓力過大，焊點金屬熔化后被擠出熔核區(qū)域，從兩板之間未焊接區(qū)域噴射出形成飛濺，通過對比得出焊接壓力6.5KN為最佳焊接壓力。

電阻點焊各試樣宏觀金相如圖2所示，各焊核外形對稱，無表面燒穿，板間無空隙。兩試板為同種材料，且厚度相同均為2mm，施加電流和壓力，焊點內(nèi)部金屬熔化后焊核均勻?qū)ΨQ，在凝固過程中內(nèi)部溫度梯度較小形成等軸晶。隨著金屬不斷凝固熔化金屬與未熔金屬間存在較大溫度梯度，于是焊核內(nèi)部沿溫度梯度下降方向形成柱狀晶，從焊核內(nèi)部向四周擴散，形成了各試樣四周平滑均勻的宏觀金相。

如圖2（2）所示，參數(shù)2試件熔核中心有1.5mm區(qū)域縮孔，兩側(cè)金屬未完全融合，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因為電流過小，焊接過程中縮孔附近熔核金屬未完全熔化，焊接壓力及鍛壓壓力無法將金屬完全連接在一起，隨著焊核冷卻，兩側(cè)金屬在凝固拉應(yīng)力的作用下形成縮孔。

如圖2（1）所示，參數(shù)1由于焊接電流過大，焊核尺寸隨之增大，形成熔核直徑為11.2mm，明顯大于其他參數(shù)試件，且通過觀察宏觀金相，熔核距試板表面僅1-2mm，在電流不穩(wěn)定時較大的電流易產(chǎn)生燒穿風(fēng)險，因此三段焊接電流29KA、32KA、25KA為最佳電流參數(shù)。

如圖2（3）與2（6）所示，電流與焊接壓力相同的情況下，鍛壓時序-100ms與-50ms的試樣各項試驗結(jié)果無明顯差別，表明-50ms時序即可完成熔核鍛壓，但為保證焊核質(zhì)量穩(wěn)定仍選取-100ms為最優(yōu)參數(shù)。

表4所示為5組參數(shù)3試樣的進(jìn)行剪應(yīng)力測試結(jié)果，將兩塊2*50*200的試樣錯位搭接點焊，焊接完成后使用萬能拉伸試驗機夾持試件兩端測試斷裂所需剪應(yīng)力值。試驗平均剪應(yīng)力值為8.859KN，且最低剪應(yīng)力測試值試樣3的剪切力為7.57KN，高于EN15085中5083鋁合金（抗拉強度270MPa）對應(yīng)的剪切力要求4.1KN，符合EN15085-3中對電阻點焊的設(shè)計要求，表明該參數(shù)可以應(yīng)用于軌道車輛部件焊接。

4 ?結(jié)論

工藝參數(shù)對焊接產(chǎn)品質(zhì)量影響明顯。當(dāng)焊接電流過小時熔核強度低易剝離，焊接電流過大會導(dǎo)致焊核直徑增大引發(fā)焊穿。當(dāng)焊接壓力過小時熔化金屬無法結(jié)合易產(chǎn)生縮孔，焊接壓力過大會導(dǎo)致飛濺增加。鍛壓時序?qū)﹄娮椟c焊熔核影響不大。2mm+2mm接頭形式5083鋁合金電阻點焊最優(yōu)工藝參數(shù)為三段電流29KA、32KA、25KA，鍛壓時序-100ms，焊接壓力6.5KN，滿足EN15085標(biāo)準(zhǔn)中的要求，可應(yīng)用于軌道車輛部件的焊接。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳松，王敏，程軒挺.鋁合金電阻點焊研究現(xiàn)狀及工業(yè)應(yīng)用[J].電焊機，2013，09：56-58.

[2]李洋.電阻點焊形核基礎(chǔ)問題及焊點質(zhì)量強化研究[D].天津大學(xué)，2014：7-9.

[3]鄭振太，單平，等.大電阻介質(zhì)下鋁合金電阻點焊[J].焊接學(xué)報，2006，27（7）：5-8.