小直徑TA2/0Cr18Ni9Ti棒材儲(chǔ)能焊工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

徐 峰

(陜西理工學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 漢中 723003)

小直徑TA2/0Cr18Ni9Ti棒材儲(chǔ)能焊工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

徐 峰

(陜西理工學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 漢中 723003)

采用微型儲(chǔ)能焊機(jī)對Φ2.5 mm的異種棒材進(jìn)行儲(chǔ)能焊接研究。采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行焊接參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究了焊接工藝參數(shù)與焊接接頭抗拉強(qiáng)度和斷裂特征的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)焊接參數(shù)采用電壓195 V，電極壓力15 N，電容9 900 μF時(shí)，焊接接頭拉伸強(qiáng)度可達(dá)到708.23 MPa。

儲(chǔ)能焊對焊； 正交試驗(yàn)； 接頭組織與性能

0 引 言

鈦及鈦合金以其優(yōu)異的比強(qiáng)度、耐腐蝕和抗磨損等性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天、工業(yè)制造、醫(yī)療器械和國防領(lǐng)域[1-2]。但是，由于鈦合金價(jià)格較高，工程中常將其與價(jià)格低廉的不銹鋼通過復(fù)合、焊接等途徑制成結(jié)構(gòu)件，以達(dá)到降低成本擴(kuò)大應(yīng)用的目的。電容儲(chǔ)能焊屬快速凝固焊接方法，焊接過程在壓力下實(shí)施，接頭變形和殘余應(yīng)力小，尤其適宜于成分、熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性能相差較大的異種金屬材料之間的焊接[3-5]。

本文采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對小直徑TA2與0Cr18Ni9Ti異種棒材的儲(chǔ)能焊接進(jìn)行研究，以期為鈦及鈦合金材料與不銹鋼的異種焊接提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)用材料為TA2(Φ2.5 mm×5 mm)和0Cr18Ni9Ti(Φ2.5 mm×5 mm)棒材。試驗(yàn)前先將兩小直徑棒材端面用金剛砂紙打磨，并用丙酮清洗，然后裝配成對接接頭，在微型電容儲(chǔ)能焊機(jī)上進(jìn)行焊接。焊接主要參數(shù)為焊接電壓U=185～205 V，電容C=6 600～9 900 μF，電極壓力F=5～25 N。焊接能量、電壓和電容之間的函數(shù)關(guān)系為E=CU2/2，焊接能量為112.94～208.02 J。

采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法確定最佳焊接工藝參數(shù)。影響焊接質(zhì)量的主要因素有焊接電壓(A)、電容(B)、電極壓力(C)。以儲(chǔ)能焊焊接工藝參數(shù)為參考，對應(yīng)的因素分別取三個(gè)水平：電壓為185 V，195 V和205 V；電容為6 600 μF，9 900 μF和13 200 μF；電極壓力為5 N，15 N和25 N。正交試驗(yàn)因素水平表見表1。

表1 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

為了分析各因素及水平對點(diǎn)焊接頭力學(xué)性能的影響，用正交設(shè)計(jì)中的極差分析法來確定試驗(yàn)中各因素的主次和各試驗(yàn)因素的最佳水平，應(yīng)用方差分析判斷因素的主次和顯著性[6-8]。正交設(shè)計(jì)的指標(biāo)為焊接接頭的抗拉強(qiáng)度。圖1為各個(gè)因素水平影響的接頭抗拉強(qiáng)度趨勢圖。通過分析得出影響因素中主次順序?yàn)椋篈>C>B。因此試驗(yàn)的影響因素主要是焊接電壓和電極壓力，從趨勢圖中看出最優(yōu)方案是A2B2C2，即焊接電壓是195 V，電容是9 900 μF，電極壓力是15 N。在進(jìn)一步的試驗(yàn)中考慮到因素的重要性，進(jìn)行合理的分配優(yōu)化。

圖1 焊接質(zhì)量影響因素的水平趨勢圖

2 結(jié)果分析

2.1 最佳工藝驗(yàn)證

從正交試驗(yàn)中得出的最佳工藝參數(shù)是A2B2C2，即焊接電壓是195 V，電極壓力是15 N，電容是9 900 μF，其抗拉強(qiáng)度為708.23 MPa。

2.2 焊接接頭組織分析

小直徑TA2與0Cr18Ni9Ti儲(chǔ)能焊接接頭形貌如圖2(a)所示。從圖可看出焊接接頭由清晰可見形狀規(guī)則的扁球狀熔核和熔核向母材過渡的熔合區(qū)組成。熔合區(qū)寬度較窄，組織細(xì)小致密，勾勒出熔核和母材之間的分界線；母材近熔核區(qū)域形貌與焊前的原始組織沒有明顯差異，且無粗化跡象。圖2(b)為靠近不銹鋼側(cè)的熔核中心區(qū)及熔合區(qū)和母材組織。從圖中可以觀察到，熔核區(qū)形成了由熔合線向熔核內(nèi)沿法線方向生長的柱狀晶，晶粒直徑約0.5～3 μm，這主要是由于高的冷卻速率造成的。圖2(c)是靠近鈦側(cè)的接頭組織，類似靠近不銹鋼側(cè)的，母材變化很小，熔核內(nèi)組織一致，因鈦導(dǎo)熱性較差，熔合區(qū)的寬度稍比在不銹鋼側(cè)寬，但也是非常狹窄的，組織也很細(xì)小，但比不銹鋼側(cè)略顯增大。圖2(d)為接頭熔核內(nèi)組織，熔核內(nèi)呈明顯的層片狀和流線狀，此乃焊接過程中熔化的兩種不同材質(zhì)的母材在電容快速放電所產(chǎn)生強(qiáng)磁場作用下，引起的熔核內(nèi)部液相流動(dòng)跡線。焊核內(nèi)是α相上分布著含有Cr的初生相或析出相或者其他的析出相，它們均勻的彌散分布在整個(gè)區(qū)域內(nèi)，不僅沒有使強(qiáng)度降低，反而使得細(xì)晶強(qiáng)化，提高了強(qiáng)度，另外，熔合區(qū)狹窄和焊核內(nèi)部組織細(xì)小起到了細(xì)晶強(qiáng)化作用。

(a) 熔核整體形貌 (b) 靠近不銹鋼側(cè)組織

(c) 靠近鈦側(cè)組織 (d) 熔核內(nèi)組織 圖2 接頭形貌及組織特征

3 結(jié) 論

(1)采用正交試驗(yàn)法，通過極差分析和方差分析,得出小直徑TA2與0Cr18Ni9Ti儲(chǔ)能焊的最佳工藝參數(shù)：焊接電壓是195 V，電極壓力是15 N，電容是9 900 μF，接頭抗拉強(qiáng)度最高為708.23 MPa。

(2)在快速凝固焊接條件下，熔核區(qū)和半熔化區(qū)均形成了均勻的快速凝固組織，較好地實(shí)現(xiàn)了鈦和不銹鋼的連接。

[1] 徐峰,翟秋亞,陳凱.細(xì)直徑TA2/0Cr18Ni9Ti棒材儲(chǔ)能焊接試驗(yàn)分析[J].焊接學(xué)報(bào),2012,33(6):77-80.

[2] 徐峰.TC4鈦合金薄板儲(chǔ)能焊接頭組織與性能[J].陜西理工學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010,26(3):1-3.

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[5] 王曉軍,劉天佐,何成旦.鈦合金與不銹鋼絲網(wǎng)異質(zhì)接頭焊接[J].焊接學(xué)報(bào),2006,27(8):91-94.

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[7] 唐新新.鋁合金點(diǎn)焊熔核強(qiáng)化研究[D].天津:天津大學(xué),2009.

[8] 朱文志,胡德安,陳益平,等.基于遺傳算法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電阻點(diǎn)焊工藝參數(shù)優(yōu)化的研究[C]//第十五次全國焊接學(xué)術(shù)會(huì)議論文集,2010.

[責(zé)任編輯：魏 強(qiáng)]

Abstract: Using mini welder, the study focuses on storage capacity welding of dissimilar bar with the size of Φ2.5 mm. A parametric optimization is completed with orthogonal disign. The effects of welding parameters on the tensile strength and fracture characteristic have been studied through a series of experiments using orthogonal experiment method. The results show that，at the condition of welding voltage 195 V, capacitance 9 900 μF and pole pressure 15 N, the tensile strength of welded joints can reach 708.23 MPa.

Keywords: capacitor discharge welding; orthogonal experiment; microstructure and property of joint

The capacitor discharge welding parameters optimization of TA2 and 0Cr18Ni9Ti small-sized bars

XU Feng

(School of Materials Science and Engineering, Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723003, China)

1673-2944(2014)03-0015-03

2014-03-06

陜西省教育廳科研基金資助項(xiàng)目(2013JK0911)

徐峰(1977—)，男，陜西省西安市人，陜西理工學(xué)院副教授，碩士，主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)材料及其焊接技術(shù)。

TG456.9

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