不銹鋼電弧鉚焊工藝

張偉，宋曉飛，于學(xué)利，劉輝，陸向明

(北京特種機械研究所，北京100143)

0 前言

某產(chǎn)品由兩個不銹鋼圓筒(長8 000 mm，直徑分別為800 mm和500 mm)通過中間的加強筋焊接成一體，而加強筋與內(nèi)筒的連接是該文的研究對象。加強筋厚3 mm，內(nèi)筒壁厚5 mm，即為3 mm和5 mm不銹鋼鋼板的搭接結(jié)構(gòu)焊接。

這種搭接結(jié)構(gòu)最常用的焊接方法為點焊和塞焊。點焊[1]適應(yīng)于薄板結(jié)構(gòu)的焊接，且焊接變形比較小，但是對工件的適應(yīng)性差，尤其是像該課題這樣的大尺寸構(gòu)件。而塞焊[2]需要在其中一塊加工出槽或孔，具有一定的破壞性，一般適應(yīng)于厚板的連接，尤其是上板比較厚的連接。

張偉等人[3]提出采用電弧鉚焊的方法，即依靠焊接電弧產(chǎn)生的能量完全可以穿透3 mm不銹鋼板，并且熔化部分下層5 mm厚度的不銹鋼鋼板，不需要進行上板開孔，不必采用塞焊方法。傳統(tǒng)熔焊[4-5]一般是形成一條連續(xù)的焊縫，而電弧鉚焊是間隔一定距離形成外觀呈鉚釘狀的焊點[6-8]。Zuma等人研究的基于鎢極氬弧焊的316L不銹鋼點焊工藝及黃倩等人[9]研究的基于CMT冷金屬過渡焊的鋁和鋼點塞焊工藝，均屬于電弧鉚焊。這種連接方法可操作性和靈活性均好于點焊；由于作用時間短，因而變形小、焊核抗剪強度大，非常適應(yīng)變形后難以校正的產(chǎn)品。

該文對軋制態(tài)0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼板3 mm+5 mm搭接結(jié)構(gòu)進行了電弧鉚焊工藝的探索。研究了焊接電流和焊接時間等焊接工藝參數(shù)對焊點尺寸、質(zhì)量和力學(xué)性能的影響，確定最佳焊接工藝參數(shù)。

1 試驗材料與方法

試驗用的母材是軋制的0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼板，尺寸為40 mm×150 mm，厚度為3 mm和5 mm。焊絲的選擇以等成分匹配為原則，即以母材成分為準，選用相同的合金體系，焊絲的成分盡量接近(等于或稍高于)母材的成分。焊絲的成分設(shè)計要考慮焊接時合金元素的燒損。選用φ1.2 mm的ER316L 焊絲，其具體化學(xué)成分見表1。使用型號為Trans Puls Synergic 5000 CMT焊機。焊前對試件進行預(yù)處理，首先用細砂紙打磨試件，然后用丙酮清洗晾干后備用。兩個試件以搭接形式放置在平整的焊接平臺上，試件邊緣線保持平行，搭接長度為30 mm左右。焊接時利用焊槍前端有氣體排泄孔的噴嘴對兩焊件從上面壓緊，其焊接過程如圖1所示。

采用OLYMPUS GX71型金相顯微鏡對焊點進行顯微組織分析。金相試樣制備方法為：使用線切割沿電弧鉚焊接頭寬度方向的最大直徑處截取試樣，然后在金相砂紙上研磨至500號，再用1.0 μm的金剛石拋光劑對試樣進行拋光，最后用CuSO4溶液(4 g CuSO4+20 mL HCl+20 mL H2O)進行腐蝕，留備觀察。

表1 ER316L焊絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

圖1 電弧鉚焊示意圖

按照QJ 1290—1987《結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼電阻點、縫焊工藝》標準，采用CSS-44300電子萬能試驗機測試電弧鉚焊焊點的抗剪力，加載速度為3 mm/min。試件拉斷后，及時記錄拉斷時的最大載荷值。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 焊接工藝參數(shù)的選擇

電弧鉚焊代替電阻點焊實現(xiàn)“點焊”連接，要求焊接電流輸出方式應(yīng)該與電阻點焊相似，需要焊接電流在短時間內(nèi)完成穿透、焊點長大、焊點“整形”3個過程，即電弧鉚焊采用三段焊接電流方式。文中采用型號為Trans Puls Synergic 5000 CMT的焊機，具有三段焊接電流程序。圖2是典型的三段焊接電流輸出形式，含有3個焊接電流、5個焊接時間。其中I1為穿透電流，起到穿透工件并在結(jié)合面形成一定尺寸的“焊核”作用；I2為焊點長大電流，用來擴大結(jié)合面處形成的“焊核”尺寸；I3為“整形”電流，用來形成一個外形完美的焊點；t1為穿透電流作用時間；t2和t4為過渡時間；t3為焊點長大電流作用時間；t5為“整形”電流作用時間。

圖2 焊接電流輸出示意圖

在最初的試驗中，參考MIG焊接不銹鋼的工藝參數(shù)進行試探性的研究。對于傳統(tǒng)的熔化極氣體保護焊，3 mm厚的不銹鋼板要實現(xiàn)對縫焊接，選擇的焊接電流在200～300 A之間；3 mm和5 mm的搭接時，焊接電流超過400 A極易穿透下層板?？紤]電弧鉚焊三段焊接電流的作用及整個焊接過程是在極短的時間內(nèi)完成等因素，其參數(shù)選擇遵循以下原則：①電弧鉚焊三段焊接電流要保證I1﹥I2﹥I3；②I1≤400 A，I3≤300 A，I2介于I1,I3之間，且偏于I1；③ 三段焊接電流作用時間t1，t3，t5均不大于1 s。

因此，選擇電流的變化間隔約為30 A左右，時間變化間隔選擇0.2～0.3 s，焊接工藝參數(shù)見表2。

表2 焊接工藝參數(shù)

2.2 焊接電流對焊點熔深、熔核尺寸及抗剪力的影響

選取焊后拉斷的下板試樣測量熔深和熔核尺寸。選擇第一段焊接電流I1及其作用時間t1為變量，其它參數(shù)保持不變，來研究下板焊點截面形貌，如圖3所示。其中I1分別為340 A，374 A，400 A，t1分別為0.2 s，0.5 s，0.7 s。從圖3可以看出，焊絲與母材界面良好，達到冶金結(jié)合，無氣孔、縮孔和裂紋等宏觀缺陷。

圖3 其它參數(shù)不變，不同I1和t1下的焊點斷面形貌

表3是不同電流和作用時間下得到的焊點熔深和熔核尺寸及焊點抗剪力。從表3中可以得出：①隨著I1和t1的增大，焊點熔深尺寸和焊點抗剪力大幅增加，熔核尺寸相對緩慢增加。當(dāng)I1由340 A增大到400 A時，熔深尺寸增大幾乎一倍，達到3.84 mm，作用非常顯著；熔核尺寸增幅17%，焊點抗剪力增大了57%。當(dāng)t1由0.2 s增大到0.7 s時，熔深尺寸和焊點抗剪力均增幅60%，而熔合尺寸增加30%。因此，第一段焊接電流I1及作用時間t1對焊點的熔深尺寸和抗剪力影響比較大，對熔核尺寸作用不明顯；②隨著I2和t3的增大，焊點熔深和熔核尺寸及焊點抗剪力均大幅增加。當(dāng)I2由289 A增大到350 A，t3由0.2 s增大到0.7 s時，熔深尺寸增大一倍，熔核尺寸提高了50%左右，焊點抗剪力增大了75%以上。其中相對第一段焊接電流，熔核尺寸增幅明顯。因此，第二段焊接電流I2及作用時間t3對熔深和熔核尺寸及焊點抗剪力影響均較大；③第三段焊接電流I3及作用時間t5對焊點熔深和熔核尺寸以及抗剪力基本無影響，熔深尺寸穩(wěn)定在2.1 mm左右，熔核尺寸穩(wěn)定在7.0 mm左右，焊點抗剪力穩(wěn)定在15～16 kN。此外，研究發(fā)現(xiàn)I3的大小，在很大程度上影響焊點的外觀。在I3低于220 A時，焊點與母材過渡的部位呈現(xiàn)突臺狀，如圖4a所示；當(dāng)I3高于220 A時，焊點與母材過渡部位有了很好的改善，圓滑自然，如圖4b所示。

表3 不同電流和作用時間下得到的焊點熔深、熔核尺寸及焊點抗剪力

所有參數(shù)(I1，t1，I2，t3，I3和t5)對焊點熔深、熔核尺寸及抗剪力的影響，如圖5所示。通過綜合分析可知：①對于熔深尺寸，第一段焊接電流I1的影響作用最為明顯，其次是t3，I2，t1。影響最小的是第三段電流I3及其作用時間t5；②對于熔核尺寸，第二段焊接電流I2及其作用時間t3的影響最大，其次為第一段焊接電流的I1和t1。而第三段焊接電流I3及其作用時間t5幾乎無影響；③焊點抗剪力是由熔深和熔核尺寸綜合決定的。隨著第一段焊接電流I1和t1、第二段焊接電流I2和t3的增大，熔深和熔核尺寸均有不同程度的增加，焊點強度大幅增加，增幅60%以上。而第三段焊接電流I3和t5的焊點抗剪力穩(wěn)定。

圖4 其它參數(shù)不變，I3對焊點蘑菇平臺形貌的影響

圖5 焊接電流及作用時間對熔深、熔核尺寸及抗剪力的影響

綜上所述，第一段焊接電流I1和t1主要影響焊點的熔深尺寸，第二段焊接電流I2和t3主要影響焊點的熔核尺寸，而第三段焊接電流I3和t5對焊點熔深和熔核尺寸均無影響。因此，優(yōu)化第一段焊接電流參數(shù)I1和t1，和第二段焊接電流參數(shù)I2和t3，就能夠達到提高焊點抗剪力的目的。合理工藝范圍為：374 A

3 結(jié)論

(1)隨著第一段焊接電流I1和t1、第二段焊接電流I2和t3的增大，焊點的熔深、熔核尺寸及抗剪力隨之增大。第一段焊接電流I1和t1主要影響焊點的熔深尺寸，第二段焊接電流I2和t3主要影響焊點的熔核尺寸，而第三段焊接電流I3和t5對焊點的熔深和熔核尺寸及抗剪力均無影響。I3是焊點外觀形貌的主要影響因素。

(2) 優(yōu)化第一段焊接電流參數(shù)I1和t1，和第二段焊接電流參數(shù)I2和t3，就能夠達到提高焊點抗剪力的目的。合理工藝范圍為：374 A