焊接工艺参数对实芯焊丝熔敷金属及接头组织与性能的影响毕业论文.doc

吉林化工学院
外 文 翻 译

焊接工艺参数对实芯焊丝熔敷金属及接头组织与性能的影响
Welding Parameters for Solid Wire Deposited Metal and Joint Microstructure and Properties

性 质: □毕业设计 □毕业论文

教 学 院：
机电工程学院
系 别：
材料成型及控制工程系
学生学号：
11470106
学生姓名：

专业班级：
材控1101
指导教师：

职 称：

起止日期：
2015.3.1～2015.3.31

吉 林 化 工 学 院
Jilin Institute of Chemical Technology

电阻点焊焊接参数对高强度钢组织和力学性能的影响
本文介绍的实验是通过硬度测试研究高强度钢电阻点焊焊接接头的物理机械性能（AISI 4130）。以焊接电流和电弧电压作为实验参数。通过焊接接头的拉伸剪切试验，以确定焊接区的强度。硬度和微观检测是为了研究焊接工艺参数对焊接接头的影响。硬度线测试焊接区大部分区域，包括热影响区和母材。硬度测试主要研究电流对接头不同区域硬度和微结构的影响。焊接过程中使用低电压高电流，增加了熔深。通过使用6.5 kA的焊接电流获得一个最佳的焊接质量。人们发现，电阻点焊试样的机械性能由熔宽和熔深控制。结果表明，硬度测试技术为硬度标准和微结构检查提供了物理和机械研究的最好方法。
关键词：焊接电流；金相组织；硬度测试；熔深；熔敷金属
1. 简介
热处理低合金钢因为其良好的耐腐蚀性和强度在船舶行业被广泛使用，电阻点焊用于连接金属薄板在汽车行业被广泛应用。焊接电流是电阻点焊的最重要参数，随着电流的增大焊接热量增加，在电阻点焊过程中压力也被认为是作为一种重要的参数影响焊接质量，融合区大小或试块直径及其微观结构参数是影响点焊试样最重要的力学因素。因为钢的机械性能高度依赖于组织和每个阶段的分布,所以，改变焊接电流即改变机械性能。一些微观成分在焊接过程中产生的机械性能差，例如，不均匀的马氏体微观结构的韧性差。当这些特殊微观结构的主要焊缝体积分数增大时这些微观结构更有害。焊件的硬度值作为某些工业应用的验收标准，材料的硬度取决于其微观结构。因此，硬度测量将是一个关键的质量保证测试，因为它快速确定了处理进度是否达到所要求的特性，Moon[1]等研究了基于低碳钢气体金属电弧焊接时硬度的变化过程。在一些报道中，硬度测试被用于研究焊接工艺参数对组织的影响[2-4] ；Naderi等[5,6]用硬度测试技术研究异构的微观结构，许多研究人员研究了焊接参数对电阻点焊[7-10]接合强度的影响；Liao等[11]研究了在一电阻点焊微观结构焊接的高强度双相钢；Marashi等人[12]研究了不同的电阻点焊微观结构和破坏行为；Pouranvari研究了异种电阻点焊[13]熔融区域的大小和失效模式对机械性能的影响。本实验研究的目的是通过焊接样品中硬度测试的比较结果探讨点焊参数对组织和力学性能的影响。
2. 实验
2.1材料准备
实验在此研究2mm厚的AISI4130钢板作为底板，表面由盐酸溶液清洗以消除表面污染，薄板通过电阻点焊作为搭接焊接。AISI4130钢的化学组成列于表1；焊接是使用45±截锥形RWMA，2类电极与6毫米直径进行；在此过程中所用的参数列于表2中。

表1 4130钢的化学成分

C

Si

Mn

Cr

Mo

Cu

P

S

Ni

Fe

0.305

0.25

0.5

0.95

0.2

0.17

0.012

0.012

0.125

均衡

表2 每个试样电阻点焊条件

样品编号
电极压力 (kN)

焊接电流(kA)

1

5

5

2

5

5.5

3

5

6

4

5

6.5

5

5

7

6

5

7.5

7

3.8

6.5

8

4.4

6.5

9

5

6.5

10

5.6

6.5

11

6.2

6.5

12

6.8

6.5

然后将样品抛光和腐蚀在3％HNO3+乙醇的溶液中，微结构是由光学显微范围（LOM）观察到的，焊接部分在实验室进行载荷为1mm/min的拉伸-剪切实验，以确定在一个Santam STM-600测试机的拉伸-剪切强度，如图1。

图1 剪切拉伸试样示意图[10]

2.2硬度测试规范
表面硬度测量是从固定材料和样品之间距边界0.2毫米开始的，由于样品边缘的硬度值高，进行表面硬度测量用1公斤负荷与0.1毫米间隔下扫描硬度机，每个样品绘制了900缩进（60*15），测量的位置示意如图2。

图2 选择用于硬度试验的草图区域

3.结果与讨论
3.1微观结构表征
图3示出了焊接硬度测试压痕横截面的典型宏观结构，不同微结构区域可以看出三个宏观图像：焊接，热影响区（HAZ）和母材。

图3 点焊试样接头各区宏观特征
母材的焊接温度一般保持在200℃以下远离焊缝。所以，微观结构成分不受影响是因为组织成分没有被激活[16]，图4示出了母材的微观结构。

图4 母材的微观结构

图5显示了焊缝的微观结构，主要是马氏体微观结构。焊缝区是由加热熔点以上,重复快速冷却,奥氏体转变成马氏体而形成的。如图5所示,较低的焊接电流焊接时发现板条状马氏体宽度较小。结果表明,由于焊接电流越高焊接温度越高,高焊接电流焊接区的马氏体板条宽度增大。

图5 光学显微镜下焊缝的微观结构:(a)5.5 kA,(b)6.5 kA,(c)7.5 kA
计算马氏体板条宽度,焊接区中的几个字段都被光学显微镜光和成像以确定马氏体板条宽度，每张图片10个数据记录，平均值是马氏体板条焊缝的宽度。图6显示焊接电流影响马氏体板条的宽度。

H. Ghazanfari和M. Naderi: Acta Metall. Sin.(英格兰),2013,26(5),635 - 640

焊接电流(kA)
图6 焊接电流对板条宽度的影响曲线

图7显示双相钢热影响区（HAZ IC）的微观结构。因为，峰值温度在IC HAZ范围Ac1和Ac3之间，在此范围内，由于峰值温度的作用，增加的铁素体溶解在奥氏体中。焊后的快速冷却会导致临界奥氏体晶粒转变为双相马氏体 - 铁素体结构[16; 17]。典型的IC HAZ组织由未溶铁素体和分散贝氏体组成[18]，增大焊接电流则峰值温度增加，即增加了溶解于奥氏体中的铁素体成分。多种铁素体向奥氏体溶解，存在于奥氏体中的碳含量更少。因为，碳增加淬透性和显微组织的硬度，增大焊接电流在双相HAZ的结果是提高了马氏体或具有较低硬度值的贝氏体的体积分数。

图7 光学显微镜获得的IC HAZ显微组织:（a）5.5 kA（b）6.5 kA（c）7.5 kA

3.2硬度测量
图8示出不同试样的硬度分布，母材具有最低范围（190HV-250HV）的硬度。HAZ的不同子区域包括次临界（SC），双相（IC）和上限临界热影响区，可以看出，不同区域具有不同的硬度分布范围，亚临界HAZ和母材具有相同的硬度值。双相HAZ硬度值在250HV-325HV、325HV-400HV之间。

图8 各试样硬度测试：（a）5.5 kA（b）6.5 kA（c）7.5 kA

人们发现，焊接区的平均硬度值随着焊接电流增大而减小。有人还发现，增加焊接电流至6.5 kA时焊接区将延伸，喷溅视为焊接电流超过6.5 kA电阻点焊的缺损。当熔融体积是从焊点[19]排出而发生热量损失时喷溅熔核直径减小（图8）。
图9和图10示出了焊接电流和熔核直径对拉伸剪切力及电极力的影响。在熔核电极力的作用下相对于电阻焊接使用的基本热方程是H=I2Rt，低电极压力将加大该方程的电阻因子R，而引起的高电阻会产生更多的热量，带来金属喷溅[20]的负面影响。

图9 电极力对熔核直径和拉伸剪切强度的影响

图10 焊接电流对熔核直径和拉伸剪切强度的影响

如图9所示，在低电极力时，焊点直径随着电极力的减小而增加。在低电极力时，焊接熔核直径比焊点金属喷溅的预期值稍小，这种效果是由于方程H = I2Rt所致，该方程中热量与电流的平方成正比，电阻本身却与焊接电流成反比。因此，随着焊接电流的增加，焊点熔核的直径是有突然上升的趋势，如图10所示。但是，在7.5 kA的焊接电流范围内，焊点熔核直径的减小是由于金属喷溅引起的。高焊接电流导致喷溅的焊缝熔核直径迅速减小，类似的结果有Hasanbasoglu[21]和Ozyurek[9]等人获得的奥氏体不锈钢和Aslanlar[7]获得的镀锌钢板。
4.结论
（1） 焊接电流的增加引起焊接区微观结构粗化和区域硬度的减小；
（2） 300-400 HV之间的硬度值通过增加焊接电流得到；
（3） 在微观IC HAZ 较高的焊接电流引起的铁素体少；
（4） 焊接电流在6.5 kA所获得的最大拉伸剪切强度值是由于熔核尺寸的扩大，超出这个电流，拉伸剪切强度降低，因为高电流将导致熔核直径的喷溅效果降低；
（5） 低电极力和高焊接电流在焊接过程中增加喷溅，熔核直径下降。

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