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        SiCp/6061鋁基復合材料電阻點焊接頭中的缺陷分析

        2013-10-21 00:56:48李杏瑞牛濟泰楊順成
        機械工程材料 2013年4期
        關鍵詞:熔核點焊氣孔

        李杏瑞,牛濟泰,2,楊順成

        (1.鄭州大學材料科學與工程學院,鄭州 450001;2.哈爾濱工業(yè)大學先進焊接與連接國家重點實驗室,哈爾濱 150001;3.正機協(xié)合能源裝備科技有限公司,鄭州 450001)

        0 引言

        碳化硅顆粒增強鋁(SiCp/Al)基復合材料是目前應用最廣、發(fā)展最快、價格最便宜、且能實現(xiàn)較大規(guī)模生產(chǎn)的金屬基復合材料之一,在很多領域具有良好的應用前景。但此類材料的焊接要比其它金屬材料復雜得多,較難形成高強度的焊接接頭。

        目前國內(nèi)外學者對SiCp/Al基復合材料焊接方法的 研 究 主 要 集 中 在TIG 焊[1]、MIG 焊[2]、激 光焊[3,4]、等離子弧焊[5]、TLP焊[6]、攪拌摩擦焊[7]等,但有關采用電阻焊來連接SiCp/Al復合材料的報道較少。

        電阻點焊是一種效率較高、工藝簡單、焊接成本低的焊接方法。作者前期對SiCp/Al基復合材料的電阻點焊做了初步研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)其焊接接頭的拉剪強度較低,焊后熔核直徑較?。辉赟iCp/Al基復合材料的電阻點焊接頭區(qū)存在SiC顆粒偏聚現(xiàn)象。為克服以上問題,作者對SiCp/Al基復合材料的電阻點焊連接工藝做如下改進:在電極與復合材料之間添加不銹鋼墊片,增加電阻點焊中的產(chǎn)熱量,使電極壓力均勻。

        工藝改進后,SiCp/Al基復合材料電阻點焊對焊接熱輸入和電極壓力等工藝參數(shù)的變化較敏感,若焊接工藝參數(shù)控制不當,焊接過程中易產(chǎn)生氣孔、裂紋、焊接噴濺等缺陷,這些缺陷的存在將顯著降低SiCp/Al基復合材料點焊接頭的力學性能[8-9]。鑒于此,作者對SiCp/6061鋁基復合材料電阻點焊中出現(xiàn)的缺陷及其形態(tài)和產(chǎn)生機理進行了較深入的分析,以期獲得性能良好的SiCp/Al復合材料點焊接頭。

        1 試樣制備與試驗方法

        采用粉末冶金法制備的SiCp/6061鋁基復合材料為母材?;w6061Al 的化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%)為0.40Si,0.7Fe,0.15Cu,0.15Mn,0.8Mg,0.04~0.35Cr,0.25Zn,0.15Ti,余Al。增強相SiC顆粒的平均直徑為10μm,SiC 顆粒的體積分數(shù)為15%。將材料在線切割機上加工成為50 mm×20mm×1 mm 的試樣。然后進行搭接焊接,焊接時搭接長度為20mm,焊接試樣尺寸見圖1。

        圖1 電阻點焊試樣及其搭接接頭示意Fig.1 Sketch map of sample and lap joint of resistance spot welding

        試樣待焊表面用砂紙仔細打磨,去除表面氧化膜,再用丙酮清洗并風干,然后在YS-500SA2型點焊機上進行焊接,焊接電極為直徑20mm 的紫銅電極,工作端面為球面形狀,冷卻水流量為3 L·min-1。為了增加焊接區(qū)域的產(chǎn)熱及熔核中增強相的均勻分布,在電極與復合材料間放置厚度為0.12mm的1Cr18Ni9Ti不銹鋼片,如圖2所示。焊接時的焊接電流為14.6~16.5kA,焊接時間為0.2~0.4s,焊接壓力為1 500~2 500 N。焊后試驗在PMG 型光學顯微鏡和QUANT200型掃描電鏡(SEM)上觀察氣孔、裂紋、噴濺等缺陷形貌。

        2 試驗結(jié)果與討論

        2.1 氣 孔

        圖2 加不銹鋼薄片時的搭接接頭示意Fig.2 Sketch map of lap joint using stainless steel sheets

        采用焊接電流為14.6kA、焊接時間為0.2~0.4s、焊接壓力為2 500N 進行點焊試驗時,在復合材料的電阻點焊接頭區(qū)出現(xiàn)了如圖3 所示的氣孔。氣孔出現(xiàn)在熔核斷面上,其形狀規(guī)則、尺寸小、內(nèi)壁光滑、呈圓喇叭口形,根據(jù)形態(tài)可以判斷此氣孔為氫氣孔。這些氣孔減小了焊縫的有效工作截面,降低了焊縫的強度和塑性。

        圖3 SiCp/6061鋁基復合材料電阻點焊接頭中的氣孔Fig.3 Gas holes in the joint of SiCp/6061Al composite RSW

        在復合材料的電阻點焊中,焊接時間過長是接頭區(qū)形成氣孔缺陷的主要原因。焊接時,在點焊溫度場高溫區(qū),氫大量溶解在液態(tài)鋁中,當焊接時間較長,如0.3s時(最優(yōu)焊接時間為0.2s),溶解在點焊熔核中的氫增多;而在熔核凝固時,液態(tài)鋁中氫的溶解度突然下降,造成氫以原子形態(tài)從液態(tài)金屬中向外逸出,形成氣泡[10]。由于電阻點焊熔核凝固速度很快,加上鋁液中SiC 顆粒增強相增大了熔池的黏度,熔核冷卻時形成的氫來不及逸出而導致在熔核中形成氣孔缺陷??刹捎煤盖白屑毲謇聿牧媳砻?,以減少氫的來源,或采用大電流、短點焊時間等方法來防止氫氣孔的產(chǎn)生。

        2.2 熱裂紋

        在焊接電流為14.6~16.5kA、焊接時間為0.2s、電極壓力為2 500N 下施焊,在接頭區(qū)產(chǎn)生了橫穿熔核中心的熱裂紋,其形貌如圖4所示。

        圖4 SiCp/6061鋁基復合材料電阻點焊接頭中的裂紋Fig.4 Cracks in the joint of SiCp/6061Al composite RSW

        對于SiCp/6061 鋁基復合材料的電阻點焊接頭,焊接電流過大是產(chǎn)生熱裂紋的主要原因。當焊接電流過大,如16kA(最佳焊接電流為14.6kA)時,點焊時快速加熱會使焊接區(qū)產(chǎn)生不均勻的塑性變形和不均勻的應力、應變場;在熔池結(jié)晶后期,電極對熔核所施加的壓力大部分被結(jié)晶的晶粒所吸收,而液態(tài)金屬自由流動的阻力卻在增加,同時增強相SiC顆粒的存在使得接頭區(qū)更滯粘,不能及時彌補凝固收縮產(chǎn)生的空隙,造成了橫穿熔核中心的熱裂紋。

        2.3 噴 濺

        在焊接電流為14.6~16.5kA,焊接時間為0.2s、電極壓力為1 500~2 500N 下施焊,在接頭處出現(xiàn)內(nèi)噴濺,其形貌如圖5所示。從圖中可以看出,形成的噴濺呈整體擠出型,屬后期噴濺。

        圖5 SiCp/6061鋁基復合材料電阻點焊接頭間的飛濺物及其成分Fig.5 Spatters(a)and EDS spectrum(b)of the joint of SiCp/6061Al composite RSW

        在復合材料的電阻點焊中,焊接電流過大和焊接壓力過小是形成噴濺的主要原因。在點焊加熱過程中,由于金屬受熱膨脹,熔化區(qū)的壓力逐漸加大,如果外加焊接壓力過小,塑性環(huán)不能抑制熔化金屬的快速膨脹,熔核區(qū)域及塑性環(huán)逐步向外擴展。當焊接電流過大,如16 kA 時(最佳焊接電流為14.6kA),焊接壓力較小,如2 000N 時(最佳焊接壓力為2 500N),加熱過程過于劇烈時,熔核區(qū)的擴展速度大于塑性環(huán)的擴展速度,最終液態(tài)鋁在電極壓力及自身膨脹力的作用下沖破塑性環(huán)的束縛,沿徑向大量飛出形成后期噴濺[11]。

        由EDS譜可知噴濺物中鋁的含量明顯高于母材中鋁的含量,而硅的含量明顯低于母材的。這也進一步證明噴濺現(xiàn)象影響了焊縫中的化學成分,增加了焊縫區(qū)域SiC 顆粒偏聚的程度。因此,在焊接過程中應盡量抑制噴濺的產(chǎn)生。

        2.4 復合材料在最佳點焊工藝參數(shù)下的接頭形貌

        對于復合材料的電阻點焊,通過大量的試驗和缺陷分析,優(yōu)化出一組最佳的工藝參數(shù):焊接電流為14.6kA、焊接時間為0.2s、焊接壓力為2 500N。采用最佳工藝參數(shù)進行焊接時,產(chǎn)生的熱量適中,能形成具有保護作用的塑性環(huán),點焊接頭成型好。從圖6和圖7可以看出,接頭區(qū)成型致密,增強相SiC顆粒分布較均勻,無氣孔、裂紋、噴濺等缺陷。

        3 結(jié)論

        (1)SiCp/6061鋁基復合材料電阻點焊前工件表面清理不徹底、焊接時間過長(0.3s)時,會在點焊接頭中會出現(xiàn)氫氣孔缺陷。

        (2)SiCp/6061鋁基復合材料電阻點焊時焊接電流過大(16kA),會產(chǎn)生橫穿熔核中心的熱裂紋。

        (3)當焊接電流過大(16kA)、電極壓力過小(2 000N)時會造成接頭區(qū)出現(xiàn)噴濺。

        (4)電阻點焊的焊接電流為14.6kA、焊接時間為0.2s、焊接壓力為2 500N 時得到的復合材料焊接接頭區(qū)成型致密,增強相SiC顆粒分布較均勻,無氣孔、裂紋、噴濺等缺陷。

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