電極材料對非等厚不銹鋼點焊熔核偏移的影響

張勇，李志強，王亭，孟慶順

1.中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130022

2.吉林大學 材料學院，吉林 長春 130021

0 引言

隨著國內軌道車輛制造技術的高速發展，軌道車輛已經成為“中國制造”的一張名片成功進入國際市場，且不銹鋼車輛占到出口城市軌道車輛的70%以上。電阻點焊是不銹鋼軌道車輛制造最主要的焊接工藝之一，由于電阻點焊的熔核在密閉空間內形成導致焊接質量檢測困難［1-3］，因此電阻點焊工藝性的選擇顯得尤為重要。

焊接電流、焊接時間、電極壓力和電極的材質及形狀都是影響點焊質量的關鍵因素，電極材料的選擇要滿足高溫下較高強度和硬度、良好耐氧化、物理性能穩定不易粘連等基本要求。電極的選用主要有兩個方面：一是選擇合適的電極材料，二是對電極進行特殊處理。劉波等［4］分析了焊鉗電極對點焊質量的影響，結果表明不同材質的鉻鋯銅和鈹鈷銅對點焊質量存在較大的影響。王威等［5］采用深冷技術對鍍鋅鋼板點焊電極進行處理，得到較好的效果。電阻點焊的工藝特點決定了不合適的板厚組合容易引起未熔合、熔核偏移等質量缺陷，目前通用的軌道車輛焊接國際標準EN15085中明確要求點焊的板厚組合板厚比不大于1∶3［6］，但是實際產品中受結構等方面的限制仍然存在板厚比較大的點焊結構，如何保證該部分點焊結構的強度是不銹鋼車輛生產中存在的難題。顏福裕等［7］研究了外加磁場對非等厚鋁合金電阻點焊熔核偏移的影響，研究結果表明針對熔核偏移較嚴重的板材厚度組合，外加磁場改善熔核偏移的作用更加明顯。李雪飛等［8］采用異種結構電極和硬規范點焊不等厚不銹鋼，得到理想的點焊熔核。毛鎮東等［9］建立了仿真模型對不等厚鋁合金點焊進行了分析。邱然鋒等［10］針對非等厚不銹鋼板點焊熔核偏移的問題，采用三種電極組合方式對非等厚不銹鋼板進行點焊，結果表明非等厚不銹鋼點焊時采用反焊法能減小絕對偏移量。

點焊過程中電極的散熱情況也是影響點焊質量的重要因素，本文主要針對不同點焊電極材料的導電率和熱導率特性對不等厚不銹鋼板電阻點焊質量的影響進行分析研究，在厚板側采用鉻鋯銅電極，在薄板側分別采用鉻鋯銅、鈹銅、鎢銅電極，在電極形狀、焊接參數一致的前提下焊接非等厚不銹鋼，并對熔核尺寸和形貌進行對比分析，研究不同電極材料對點焊質量的影響規律。

1 試驗材料與方法

試驗材料為軌道車輛用SUS301L-DHT不銹鋼，本文選擇具有代表性的1∶2和1∶3不等厚板點焊組合，其化學成分如表1所示。

表1 SUS301L不銹鋼的化學成分（質量分數，%）Table 1 Chemical composition of SUS301L stainless steel （wt.%）

采用不同電極材料進行電阻點焊的主要目的是利用電極材料的導電和導熱性能不同來改變不等厚不銹鋼板點焊過程中出現的熔核偏移現象，當熔核偏移比較嚴重時可能會出現未熔合、熔核達不到標準要求、拉剪載荷過小等質量問題。試驗所用電極材料為鉻鋯銅、鈹鈷銅和鎢銅，其中鉻鋯銅的導電率最高，也是點焊電極最常用的材料，鈹鈷銅和鎢銅的硬度比鉻鋯銅高，但其導電率和熱導率較低，電極材料性能參數如表2所示。

表2 電極材料的性能參數Table 2 Performance parameters of electrode materials

焊接設備采用日本NASTOA逆變恒流控制點焊機，點焊電極壓力為9 kN，預熱電流7 kA，預熱時間7 cyc，冷卻時間5 cyc，焊接電流10 kA，焊接時間25 cyc，采用點焊電極端面為R100，電極組合如表3所示。

表3 點焊試驗電極組合Table 3 Electrode combination for spot welding test

2 試驗結果及討論

電阻點焊過程中形成點焊熔核的熱量來源是電流與上、下電極之間的電阻共同作用的結果。點焊過程中，電流通過工件時在電阻的作用下產生電阻熱的同時熱量向電極方向和鋼板的四周散熱，而為防止電極達到軟化溫度后發生軟化現象，電極一般都帶有冷卻裝置，因此電極本身的導電率和熱導率直接影響電極端部的溫度，從而影響熱量向電極方向的傳導效率。由表2可以看出，鈹鈷銅和鎢銅的導電率比鉻鋯銅小，電極材料本身發熱量比鉻鋯銅大，而熱導率比鉻鋯銅小，因此點焊過程中同等條件下通過鈹鈷銅和鎢銅電極傳遞消耗的熱量比鉻鋯銅小，從而改變了電極與鋼板接觸面的散熱條件，點焊熔核形狀發生規律性的變化。

圖1是電阻點焊接頭特征尺寸的注釋，熔透率=熔核厚度/點焊后板厚，如上板熔透率f1=L2/（h1-c1），將上下板熔透率的比值（f1/f2）定義為上下熔核熔透率比。

圖1 接頭特征尺寸注釋Fig.1 Joint feature size

圖2分別為板厚1 mm+2 mm和1 mm+3 mm組合時不同電極材料上電極的點焊熔核形貌。可以看出，上下電極均為鉻鋯銅材質的A1、A2試件的熔核在薄板側均出現凹陷現象，熔核厚度與板材厚度比較小，B2和C2試件采用鈹鈷銅和鎢銅作為上電極的熔核凹陷情況有所改善，B1和C1試件薄板側則呈現橢圓狀熔核，其中C1和C2采用鎢銅上電極的熔核最為明顯。

圖2 不同電極材料點焊熔核形貌Fig.2 Nugget morphology of spot welding with different electrode materials

為更加直觀地分析不同電極材料對點焊熔核形狀的影響，針對熔核熔透率和上下熔核熔透率比進行了定量比較，如表4所示。鈹鈷銅和鎢銅作為上電極的上熔核最大熔透率和上下熔核熔透率均比鉻鋯銅上電極的試件高，與上下電極都為鉻鋯銅相比，1 mm+2 mm和1 mm+3 mm板厚組合鈹鈷銅電極材料的上熔核最大熔透率分別增加了8%和15.9%，鎢銅電極材料的上熔核熔透率分別增加了40%和18.5%；鈹鈷銅電極材料的上下熔核熔透比分別增加11.9%和8.9%，鎢銅電極材料的上熔核熔透率分別增加了47.4%和16.1%。說明鈹鈷銅電極和鎢銅電極作為點焊薄板側的電極對不等厚板點焊熔核偏移現象均有較大的改善，相對而言鎢銅電極效果更為明顯。

表4 不同電極材料熔核尺寸對比Table 4 Comparison of nugget sizes with different electrode materials

圖3和表5分別是使用不同電極材料的點焊熔核面積示意圖和點焊熔核面積對比，可以看出，上下電極均為鉻鋯銅的點焊上下熔核面積比最小，上電極為鎢銅的上下熔核面積比最大。與上下電極都為鉻鋯銅的A1和A2試樣相比，上電極為鈹鈷銅的1 mm+2 mm和1 mm+3 mm板厚組合的熔核面積比分別增加了19%和21.4%，上電極為鎢銅的1 mm+2 mm和1 mm+3 mm板厚組合的熔核面積比分別增加了54.9%和35.7%，說明在薄板側使用鈹鈷銅和鎢銅電極材料時熔核明顯向薄板側偏移，進一步驗證了不同電極材料對熔核生長方向均有較大的作用，鑒于鎢銅的導電率小于鈹鈷銅，鎢銅電極的發熱率更大，在熱導率差別不大的情況下鎢銅作為薄板側的電極材料熔核偏移效果更為明顯。

圖3 不同電極材料點焊熔核面積Fig.3 Nugget area of spot welding with different electrode materials

表5 不同電極材料點焊熔核面積對比Table 5 Comparison of nugget area in spot welding with different electrode materials

2.2 不同電極材料對點焊接頭拉伸強度的影響

點焊試件的拉剪載荷是點焊質量最直觀的表現，也是最易檢測的點焊質量指標之一，因此針對不同電極材料制作的點焊試件進行拉伸試驗。每種電極材質制作3個試樣進行拉伸試驗，取其均值來衡量點焊試件質量，拉伸試驗結果如表6所示。

由表6可知，鈹鈷銅和鎢銅作為上電極材料時1 mm+2 mm和1 mm+3 mm板厚組合的點焊試件拉剪強度均有所增加，1 mm+2 mm板厚組合當上電極為鈹鈷銅時，B1的平均拉剪強度較A1增加4.5%，上電極為鎢銅時C1試件平均拉剪強度比A1試件增加11.8%；1 mm+3 mm板厚組合當上電極為鈹鈷銅時，B2的平均拉剪強度較A2試件增加4.1%，上電極為鎢銅時C2試件平均拉剪強度比A2試件增加10.3%。

但與熔核熔透率比和熔核面積比相比，增加幅度較小，這是因為雖然不同電極材料點焊熔核形貌變化較大，但是對拉剪強度影響最大的熔核直徑變化很小，且拉剪時均為薄板撕裂的破壞方式造成的。然而，當點焊板厚差別較大時點焊熔核完全偏向厚板一側，此時熔核偏移尺寸對點焊拉剪強度影響加大。根據相關焊接標準要求，正常點焊板厚組合要求板厚比不能超過1∶3，因此本文未針對板厚差別較大的點焊結構進行電極材料的實驗。

3 結論

（1）鈹鈷銅和鎢銅作為上電極的上熔核最大熔透率和上下熔核熔透率均比鉻鋯銅上電極的試件高，與上下電極都為鉻鋯銅相比，1 mm+2 mm和1 mm+3 mm板厚組合鎢銅電極材料的上熔核熔透率分別增加了40%和18.5%，上下熔核熔透比分別增加了47.4%和16.1%。

（2）鈹鈷銅和鎢銅作為上電極材料時，1 mm+2 mm和1 mm+3 mm板厚組合的點焊試件拉剪強度均有所增加，但與熔核熔透率比和熔核面積比相比，增加幅度較小。

（3）從上下熔核熔透率和點焊試件的拉剪強度作為評價指標來看，鎢銅作為薄板側電極、鉻鋯銅作為厚板側電極時效果較為明顯，并適合在實際生產中應用。