軌道車(chē)輛部件5083鋁合金電阻點(diǎn)焊工藝研究

耿靖賀

摘要：本文采用2mm+2mm重疊接頭形式的5083鋁合金板材進(jìn)行電阻點(diǎn)焊焊接工藝試驗(yàn)，通過(guò)宏觀金相試驗(yàn)、焊核剝離試驗(yàn)、熔合尺寸確定及剪拉力測(cè)試對(duì)不同工藝參數(shù)下獲得的試樣進(jìn)行焊核成形質(zhì)量和力學(xué)性能分析，運(yùn)用正交方案確定了3段電流為29KA、32KA、25KA;鍛壓時(shí)序-100ms;焊接壓力6.5KN為最佳參數(shù)，且滿(mǎn)足EN 15085-3設(shè)計(jì)規(guī)定中對(duì)焊核尺寸及剪拉力值的要求。

關(guān)鍵詞：5083鋁合金薄板;電阻點(diǎn)焊;工藝研究

1 ?電阻點(diǎn)焊工藝

電阻點(diǎn)焊主要分為單面點(diǎn)焊和雙面點(diǎn)焊，雙面點(diǎn)焊的原理是通過(guò)將工件置于夾緊電極間，由電極施加較大電流并同時(shí)對(duì)試件施加壓力使兩電極間金屬密切接觸形成電流回路，進(jìn)而使電極間金屬熔化形成熔核實(shí)現(xiàn)材料連接。電阻點(diǎn)焊一般由預(yù)壓階段保證工件間接觸緊密良好、通電焊接階段保證形成良好的焊核及塑性環(huán)、焊后保壓階段保證焊后凝固階段無(wú)縮孔及裂紋等缺陷三個(gè)階段組成一個(gè)焊接循環(huán)。其具有生產(chǎn)效率高、熱影響區(qū)小變形小、無(wú)焊材成本低、勞動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)[1]，目前該焊接方式廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道及交通運(yùn)輸車(chē)輛等行業(yè)中[2]。電阻點(diǎn)焊受焊接母材的導(dǎo)電率、熔點(diǎn)、導(dǎo)熱率、熱膨脹系數(shù)、板材厚度不同等影響，易產(chǎn)生縮孔、未融合、熔核尺寸過(guò)小、焊穿等缺陷，因此電阻點(diǎn)焊的工藝參數(shù)對(duì)焊接產(chǎn)品質(zhì)量影響重大[3]。

2 ?鋁合金車(chē)體電阻點(diǎn)焊

隨著軌道交通裝備制造業(yè)的迅速發(fā)展，輕量化機(jī)車(chē)車(chē)輛車(chē)體材料的選擇逐漸成為了焦點(diǎn)。機(jī)車(chē)車(chē)輛車(chē)體材料主要有碳鋼、不銹鋼、鋁合金三種。碳鋼材料的耐腐蝕性能較差，且密度較高，約為鋁合金材料的3倍，目前主要應(yīng)用于機(jī)車(chē)車(chē)體焊接。不銹鋼材料具有較好的耐腐蝕性，但在鹽霧條件下易發(fā)生晶間腐蝕，且制造成本高，曾用于和諧號(hào)動(dòng)車(chē)組車(chē)體焊接。鋁合金作為輕量化節(jié)能材料，在工業(yè)生產(chǎn)中的價(jià)值日益提升，鋁合金材料憑借其耐腐蝕性良好、強(qiáng)度較高、密度小質(zhì)量輕、可進(jìn)行型材加工等特點(diǎn)逐漸取代代了碳鋼、不銹鋼等材料成為了復(fù)興號(hào)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組、城軌地鐵車(chē)輛車(chē)體制造的主要材料，減少了車(chē)體的焊接量和勞動(dòng)強(qiáng)度，提升了生產(chǎn)效率。

目前鋁合金車(chē)體大部件如底架、側(cè)墻、車(chē)頂?shù)戎泻癜寮昂癜搴附踊蛄W(xué)性能要求嚴(yán)格的部件焊接主要采用MIG（熔化極惰性氣體保護(hù)焊）、TIG（非熔化極惰性氣體保護(hù)焊）、攪拌摩擦焊等方式。對(duì)于薄板焊接，MIG及TIG焊接由于其熱輸入大、焊接變形量大等特點(diǎn)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)薄板的精密焊接及變形控制。攪拌摩擦焊只適用于中厚板的平對(duì)接，適用范圍較小。而鋁合金電阻點(diǎn)焊工藝未施加焊接壓力區(qū)域受鋁合金表面氧化膜的影響，導(dǎo)電能力弱不易使電流分流，因此僅對(duì)焊點(diǎn)區(qū)域產(chǎn)生熱輸入易于形成穩(wěn)定焊核，成為了軌道車(chē)輛部件鋁合金薄板焊接的主要方式。為了保障鋁合金電阻點(diǎn)焊的焊接質(zhì)量，EN15085-3軌道車(chē)輛及其部件焊接設(shè)計(jì)要求中對(duì)電阻點(diǎn)焊也做出了相應(yīng)的要求，2mm厚鋁合金焊核尺寸及剪應(yīng)力要求如表1所示。

3 ?5083鋁合金電阻點(diǎn)焊工藝研究

試驗(yàn)采用梅達(dá)SMD-80SS中頻逆變電阻點(diǎn)焊機(jī)對(duì)2mm+2mm的5083鋁合金板材進(jìn)行搭接點(diǎn)焊試驗(yàn)。改變了焊接壓力、焊接電流、鍛壓時(shí)序三種主要變量進(jìn)行正交試驗(yàn)。通過(guò)宏觀金相試驗(yàn)、焊核剝離試驗(yàn)、焊核尺寸確定、剪應(yīng)力測(cè)試確定最優(yōu)參數(shù)和是否滿(mǎn)足EN15085標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

各試樣的剝離試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，參數(shù)4試件由于焊接壓力偏小，焊點(diǎn)金屬熔化后沒(méi)有足夠的焊接壓力和鍛壓壓力，焊核金屬?gòu)?qiáng)度不足，在剝離試驗(yàn)中焊核斷裂。

各試樣焊核直徑和是否產(chǎn)生焊接飛濺的情況見(jiàn)表3，各參數(shù)試樣焊核直徑均大于EN15085-3中2mm鋁合金電阻點(diǎn)焊熔核直徑的要求（不小于7mm）。參數(shù)5試件由于焊接壓力過(guò)大，焊點(diǎn)金屬熔化后被擠出熔核區(qū)域，從兩板之間未焊接區(qū)域噴射出形成飛濺，通過(guò)對(duì)比得出焊接壓力6.5KN為最佳焊接壓力。

電阻點(diǎn)焊各試樣宏觀金相如圖2所示，各焊核外形對(duì)稱(chēng)，無(wú)表面燒穿，板間無(wú)空隙。兩試板為同種材料，且厚度相同均為2mm，施加電流和壓力，焊點(diǎn)內(nèi)部金屬熔化后焊核均勻?qū)ΨQ(chēng)，在凝固過(guò)程中內(nèi)部溫度梯度較小形成等軸晶。隨著金屬不斷凝固熔化金屬與未熔金屬間存在較大溫度梯度，于是焊核內(nèi)部沿溫度梯度下降方向形成柱狀晶，從焊核內(nèi)部向四周擴(kuò)散，形成了各試樣四周平滑均勻的宏觀金相。

如圖2（2）所示，參數(shù)2試件熔核中心有1.5mm區(qū)域縮孔，兩側(cè)金屬未完全融合，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因?yàn)殡娏鬟^(guò)小，焊接過(guò)程中縮孔附近熔核金屬未完全熔化，焊接壓力及鍛壓壓力無(wú)法將金屬完全連接在一起，隨著焊核冷卻，兩側(cè)金屬在凝固拉應(yīng)力的作用下形成縮孔。

如圖2（1）所示，參數(shù)1由于焊接電流過(guò)大，焊核尺寸隨之增大，形成熔核直徑為11.2mm，明顯大于其他參數(shù)試件，且通過(guò)觀察宏觀金相，熔核距試板表面僅1-2mm，在電流不穩(wěn)定時(shí)較大的電流易產(chǎn)生燒穿風(fēng)險(xiǎn)，因此三段焊接電流29KA、32KA、25KA為最佳電流參數(shù)。

如圖2（3）與2（6）所示，電流與焊接壓力相同的情況下，鍛壓時(shí)序-100ms與-50ms的試樣各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果無(wú)明顯差別，表明-50ms時(shí)序即可完成熔核鍛壓，但為保證焊核質(zhì)量穩(wěn)定仍選取-100ms為最優(yōu)參數(shù)。

表4所示為5組參數(shù)3試樣的進(jìn)行剪應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，將兩塊2*50*200的試樣錯(cuò)位搭接點(diǎn)焊，焊接完成后使用萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)夾持試件兩端測(cè)試斷裂所需剪應(yīng)力值。試驗(yàn)平均剪應(yīng)力值為8.859KN，且最低剪應(yīng)力測(cè)試值試樣3的剪切力為7.57KN，高于EN15085中5083鋁合金（抗拉強(qiáng)度270MPa）對(duì)應(yīng)的剪切力要求4.1KN，符合EN15085-3中對(duì)電阻點(diǎn)焊的設(shè)計(jì)要求，表明該參數(shù)可以應(yīng)用于軌道車(chē)輛部件焊接。

4 ?結(jié)論

工藝參數(shù)對(duì)焊接產(chǎn)品質(zhì)量影響明顯。當(dāng)焊接電流過(guò)小時(shí)熔核強(qiáng)度低易剝離，焊接電流過(guò)大會(huì)導(dǎo)致焊核直徑增大引發(fā)焊穿。當(dāng)焊接壓力過(guò)小時(shí)熔化金屬無(wú)法結(jié)合易產(chǎn)生縮孔，焊接壓力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致飛濺增加。鍛壓時(shí)序?qū)﹄娮椟c(diǎn)焊熔核影響不大。2mm+2mm接頭形式5083鋁合金電阻點(diǎn)焊最優(yōu)工藝參數(shù)為三段電流29KA、32KA、25KA，鍛壓時(shí)序-100ms，焊接壓力6.5KN，滿(mǎn)足EN15085標(biāo)準(zhǔn)中的要求，可應(yīng)用于軌道車(chē)輛部件的焊接。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳松，王敏，程軒挺.鋁合金電阻點(diǎn)焊研究現(xiàn)狀及工業(yè)應(yīng)用[J].電焊機(jī)，2013，09：56-58.

[2]李洋.電阻點(diǎn)焊形核基礎(chǔ)問(wèn)題及焊點(diǎn)質(zhì)量強(qiáng)化研究[D].天津大學(xué)，2014：7-9.

[3]鄭振太，單平，等.大電阻介質(zhì)下鋁合金電阻點(diǎn)焊[J].焊接學(xué)報(bào)，2006，27（7）：5-8.