晁耀杰，張義文，周元彪，滿常厚，李德勝，張季童，李勇，李敬，高育林，席家利

1.大連長豐實業(yè)總公司 遼寧大連 116038

2.大連工業(yè)大學信息科學與工程學院 遼寧大連 116034

1 序言

1Cr18Ni9Ti屬于典型的18-8型鎳-鉻奧氏體不銹鋼，是我國產(chǎn)量最多的奧氏體不銹鋼，因其具備優(yōu)良的抗腐蝕性能而被廣泛應用于航空航天、石油化工、食品及醫(yī)療等領(lǐng)域[1，2]。在1Cr18Ni9Ti不銹鋼的實際生產(chǎn)應用中，各種焊接結(jié)構(gòu)件必然要實現(xiàn)接頭的可靠連接[3，4]。

目前，在針對1Cr18Ni9Ti不銹鋼焊接的研究中，廣泛采用熔焊、釬焊和壓力焊等多種焊接方法。其中，電阻點焊作為壓力焊的一種，在工業(yè)部門各種1Cr18Ni9Ti不銹鋼材質(zhì)卡箍零件的制造中展現(xiàn)出了不可替代的優(yōu)勢，因此在應用范圍上有繼續(xù)增加的趨勢[5，6]。電阻點焊作為一種高速、經(jīng)濟的焊接方法，適用于制造可以采用搭接、接頭無氣密性要求且厚度＜3mm的沖壓及軋制的薄板構(gòu)件。該工藝既能夠避免焊接熱量對母材性能造成的損傷，同時又克服了釬焊接頭強度低、脆性大的缺點[7]。但為保證連接接頭的服役可靠性，在1Cr18Ni9Ti不銹鋼電阻點焊工藝中選擇合適的焊接參數(shù)至關(guān)重要。

本文采用電阻點焊方法實現(xiàn)了1Cr18Ni9Ti不銹鋼板料的可靠連接，研究了電阻點焊接頭組織的形成過程，分析了焊接參數(shù)對接頭界面組織和性能的影響。此外，通過單一變量法優(yōu)化工藝參數(shù)，研究了電流參數(shù)與接頭的組織形貌、力學測試和焊點尺寸特征之間的關(guān)系。

2 試驗材料與方法

試驗材料采用的是厚度為1mm的1Cr18Ni9Ti不銹鋼板，其化學成分見表1，熱處理狀態(tài)為：1030～1070℃熱軋+空冷。試驗采用的點焊設(shè)備型號為DN-63-1，焊接參數(shù)見表2。采用線切割方法將1mm厚的1Cr18Ni9Ti不銹鋼板加工出100mm×20mm試樣，并采用SiC砂紙沿著長度方向進行機械打磨直至露出金屬光澤，表面粗糙度達到1000目（13μm），然后采用干凈的棉布蘸取工業(yè)無水酒精進行擦拭，保障試樣表面無油污存在。本文采用單一變量方法開展電阻點焊試驗，在保證焊前加壓時間、加熱時間、降壓時間和電極壓力不變的前提下，通過改變焊接電流參數(shù)，將試驗分為5組，編號為1～5。

表1 1Cr18Ni9Ti不銹鋼板化學成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

表2 點焊焊接參數(shù)

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 點焊接頭界面組織

采用光學金相顯微鏡觀察到的點焊接頭宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知，接頭由焊核區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)等3部分構(gòu)成，熱影響區(qū)位于焊核區(qū)和母材區(qū)之間。以上3個區(qū)域?qū)奈⒂^形貌分別如圖2a～c所示。由圖2a可知，母材區(qū)由奧氏體和少量鐵素體組成，晶粒內(nèi)分布著灰色的脆性夾雜，圖2d成分測試表明，該脆性夾雜為不銹鋼冶煉過程中產(chǎn)生的TiN。焊核區(qū)的晶粒形貌呈現(xiàn)為柱狀晶，且晶粒垂直于結(jié)合面。這是因為點焊過程中焊核區(qū)域發(fā)生重熔形成液態(tài)金屬，并在電動力的作用下發(fā)生強烈攪拌，使液態(tài)金屬成分均勻化，結(jié)合面消失。在停止加熱后，液態(tài)金屬首先從自由能最低的焊核邊界開始結(jié)晶凝固，然后以柱狀晶形式向焊核中心延伸。熱影響區(qū)位于焊核邊界附近，在焊接熱的作用下焊核邊界形成半熔化區(qū)，熱影響區(qū)的寬度較小（150～250μm），且基本由等軸晶構(gòu)成。焊核區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)內(nèi)部的亮白色組織均為奧氏體，晶界處灰黑色組織為鐵素體。

圖1 點焊接頭宏觀形貌

圖2 點焊接頭界面結(jié)構(gòu)

3.2 點焊接頭顯微硬度測試

為進一步分析電阻點焊接頭力學性能的變化情況，按照圖3所示位置開展了顯微硬度測試，點焊接頭的顯微硬度分布如圖4所示。由圖4可看出，點焊接頭各微區(qū)的顯微硬度差別較大，焊核區(qū)硬度最低，數(shù)值為220HV左右，母材區(qū)硬度最高，平均值為345HV，熱影響區(qū)的硬度浮動加大，為240～310HV。焊核區(qū)硬度最低主要是由于焊核區(qū)形成了尺寸較大的奧氏體柱狀晶，而熱影響區(qū)形成了等軸奧氏體晶粒和少量鐵素體，且晶粒大小和組織分布不均勻?qū)е铝藷嵊绊憛^(qū)硬度浮動較大。母材區(qū)未受到焊接熱的影響，晶粒未長大，因此硬度最高。

圖3 點焊接頭顯微硬度測試位置示意

圖4 點焊接頭顯微硬度分布

3.3 焊接參數(shù)對接頭剪切性能與斷裂模式影響

根據(jù)圖5進行剪切試驗。圖6所示為不同焊接電流參數(shù)下點焊接頭的剪切力測試結(jié)果。由圖6可知，隨著焊接電流的增大，接頭的抗剪切能力先升高后降低，當電流較小時，點焊接頭未充分熔合，故剪切力較小；隨著焊接電流增大，接頭熔合逐漸充分，當電流強度達到7.6kA時，接頭具有最大抗剪切力（5500±50）N。這是因為當焊接電流＞8.0kA時，點焊接頭會出現(xiàn)飛濺，且飛濺導致焊核金屬減少，起連接作用的金屬量較少，從而導致強度降低。圖7、圖8所示為不同焊接電流參數(shù)下的壓痕深度與熔透率。由圖7、圖8可知，壓痕深度與熔透率均隨著焊接電流增大而增大，壓痕深度的增長速率更快，而熔透率增長速率變緩。這是因為焊接電流越大，用于熔化的熱量增加，點焊受壓部位變軟，導致壓痕深度增大；而當焊接電流＞7.6kA時，點焊接頭發(fā)生飛濺，飛濺導致厚度方向上的焊核直徑尺寸無較大增長，進而導致熔透率增長緩慢。圖9中焊核直徑隨焊接電流增大而增大，當焊接電流＞7.6kA時，焊核直徑增長趨勢緩慢，這與點焊過程中飛濺等因素有關(guān)。

圖5 剪切試驗示意

圖6 不同焊接電流參數(shù)下的剪切力

圖7 不同焊接電流參數(shù)下的壓痕深度

圖8 不同焊接電流參數(shù)下的熔透率

圖9 不同焊接電流參數(shù)下的點焊接頭特征與電流關(guān)系

針對剪切試驗的斷口進行觀察，主要分為界面斷裂和焊核剝離斷裂兩種斷裂模式[8，9]，圖10a所示為界面斷裂，圖10b所示為焊核剝離斷裂，又稱“紐扣式斷裂”。界面斷裂發(fā)生在點焊的焊核中心位置，焊核剝離斷裂發(fā)生在熱影響區(qū)，焊核整體基本未發(fā)生損傷，而是從焊點周圍的熱影響區(qū)發(fā)生撕裂。當焊接電流＜7.0kA時，剪切試樣的斷口為界面斷裂；當電流＞7.0kA時，剪切試樣會產(chǎn)生焊核剝離斷裂。通過相關(guān)文獻[10，11]可知，剪切試樣的焊核尺寸低于臨界尺寸時會發(fā)生界面斷裂，大于該尺寸時焊點會發(fā)生焊核剝離斷裂。

圖10 點焊接頭剪切斷裂形貌

臨界尺寸計算公式為

式中t——板材厚度（mm）；

HFZ——焊核區(qū)的硬度值（HV）；

HFL——焊核剝離斷裂模式下斷裂位置的硬度值 （HV）；

f——焊核區(qū)剪切強度與抗拉強度的比值。

點焊接頭剪切斷口掃描形貌如圖11所示。通過圖11可觀察到，兩種點焊接頭剪切斷裂模式斷口的微觀形貌均呈現(xiàn)出了微孔聚集型斷裂特征，均具有韌窩和撕裂楞，因此都有明顯的塑性斷裂特征，但與圖11b相比，圖11a顯示其韌窩數(shù)量更少且尺寸較小，由此可判斷出界面斷裂斷口的塑性明顯低于焊核剝離斷裂。這是因為界面斷裂位置是焊核中心，焊核位置主要由粗大的柱狀晶構(gòu)成，而焊核剝離斷裂的位置是焊核外圍的熱影響區(qū)，熱影響區(qū)組織主要由等軸晶構(gòu)成，且等軸晶比粗大的等軸晶塑性要好。

圖11 點焊接頭剪切斷口掃描形貌

4 結(jié)束語

1）1Cr18Ni9Ti鋼點焊接頭由焊核區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)構(gòu)成，焊核區(qū)呈現(xiàn)為垂直于結(jié)合面的柱狀晶，熱影響區(qū)位于焊核邊界外圍，主要由等軸晶構(gòu)成，焊核區(qū)與熱影響區(qū)晶粒內(nèi)部的亮白色均為奧氏體組織，晶界處灰黑色的為鐵素體組織，母材區(qū)由奧氏體和少量鐵素體組成。

2）隨著焊接電流的增大，1Cr18Ni9Ti鋼點焊接頭的抗剪切能力先升高后降低，當達到7.6kA時，接頭獲得最大抗剪切力（5500±50）N，壓痕深度與熔透率均隨著焊接電流增大而增大，壓痕深度的增長速率更快，焊核直徑也隨著焊接電流的增大而增大，當焊接電流＞7.6kA時，焊核直徑增長趨勢緩慢。

3）當焊接電流＜7.0kA時，剪切試樣的斷口為界面斷裂；當焊接電流＞7.0kA時，剪切試樣會產(chǎn)生焊核剝離斷裂，兩種點焊接頭剪切斷裂模式的微觀斷口均呈現(xiàn)出明顯的塑性斷裂特征，但界面斷裂斷口的塑性明顯低于焊核剝離斷裂。