張偉，宋曉飛，于學利，劉輝，陸向明

(北京特種機械研究所，北京100143)

0 前言

某產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，而加強筋與內筒的連接是該文的研究對象。加強筋厚3 mm，內筒壁厚5 mm，即為3 mm和5 mm不銹鋼鋼板的搭接結構焊接。

這種搭接結構最常用的焊接方法為點焊和塞焊。點焊[1]適應于薄板結構的焊接，且焊接變形比較小，但是對工件的適應性差，尤其是像該課題這樣的大尺寸構件。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，非常適應變形后難以校正的產品。

該文對軋制態(tài)0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼板3 mm+5 mm搭接結構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、質量和力學性能的影響，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焊絲的化學成分(質量分數(shù)，%)

圖1 電弧鉚焊示意圖

按照QJ 1290—1987《結構鋼、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該與電阻點焊相似，需要焊接電流在短時間內完成穿透、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