不同直径螺柱下的拉弧螺柱焊工艺优化及接头组织性能分析

戴忠晨，葛怀普，金文涛，火巧英，于泽州

（1.中车南京浦镇车辆有限公司，江苏 南京 210031；2.西南交通大学 材料学院，四川 成都610031）

0 前言

螺柱焊具有焊接时间短、焊接强度高、焊接能量集中、操作方便、对母材热损伤小等优点，广泛应用于汽车、铁路、钢结构、建筑、锅炉制造、造船工业、电气设备、钣金加工等领域[1-2]。其大规模且合理化的运用可显著提高焊接构件的轻量化水平，并达到模块化的设计目标。为适应不同作业条件而开发的螺柱直径的优化选用直接关系到与之匹配的具体焊接工艺参数的选取，从而决定焊接接头组织及性能，制约焊接构件在使用过程中的稳定性及服役寿命。

针对目前螺柱焊接存在的问题，相关研究多集中于新型螺柱焊方法的开发和螺柱焊工艺参数的优化设计。N.B.FETHKE等人[3]开发了一种新型可选择性的螺柱焊系统，采用t测试方法测试操作人员躯干平均倾斜角度及倾斜角度大于60°的百分数，与传统螺柱焊系统相比较，新型螺柱焊系统可以显著降低肩胛力并提高生产率。张德库等人[4]开拓性地提出了TIG-拉弧复合热源螺柱焊技术，进行了相应的铝合金螺柱焊接，发现通过此项热源改进措施可有效地提高铝合金螺柱焊接头的力学性能，改善其接头组织。丁凤联[5]研究了拉弧螺柱焊工艺参数中的焊接电流、焊接时间、螺柱提升高度、螺柱伸出长度4因素，优化出较为合理的工艺参数。

受实际工况的约束及具体使用范围的限制，螺柱直径的合理选取及其焊接工艺参数的优化匹配对焊缝组织及性能的调控起到至关重要的作用，但目前鲜有针对性研究。本试验采用M6、M8两种不同直径的螺柱进行拉弧焊接，研究螺柱直径对焊接时间及接头组织性能的影响，以期为螺柱焊工艺技术的进一步优化提供理论支撑。

1 试验材料和方法

试验基板材选用316不锈钢，焊前对其表面进行打磨除锈并用酒精擦拭去除油污，螺柱材料为316奥氏体不锈钢，主要化学成分如表1所示。

表1 316奥氏体不锈钢螺柱的化学成分Table 1 Chemical compositions of 316 oustentic stainless steel studs %

采用BMH-22SV3000A的SOYER拉弧式螺柱焊机，匹配SOYER PH-5L型螺柱焊焊枪，选择焊接时间、螺柱直径作为变量进行多组螺柱焊接，结合螺柱焊接生产厂家建议值范围确定具体焊接工艺参数，如表2所示。

螺柱焊接试验完成后，按照EN ISO 14555：2006标准对焊接试验试样进行目测及弯曲试验，采用奥林巴斯SE61-SET型体式显微镜观察焊接接头横截面，对性能最优焊接参数下的螺柱采用HAL-100型蔡司显微镜观察焊接接头微观组织，使用JSM700型扫描电子显微镜对焊接接头弯曲断口进行扫描分析。

表2 焊接工艺参数Table 2 Welding parameters

2 试验结果与分析

2.1 螺柱直径对较优焊接时间的影响

在不同螺柱焊接工艺参数下，螺柱焊焊接试验目测及弯曲试验结果如表3所示，组1、组4、组5、组6、组9、组10螺柱焊接头截面照片如图1所示。

表3 目测及弯曲试验结果Table 3 Result of visual measurement and bending

分析表3、图1并结合表2对应的焊接工艺参数可知，随着焊接时间的延长，焊接接头组织、形态、性能均由差变好再变差。组1、组6分别为对M6、M8施加较小的焊接时间，弯曲试验均出现接头断裂现象，由图1a、图1d可知，焊缝熔合较小，均出现大面积未熔合。这是因为在焊接电流和焊接电压一定的条件下，焊接时间越短，其热输入越少，导致熔化量不足，熔合率降低。随着焊接时间的延长，M6焊接时间为60 ms，M8焊接时间为68 ms时，其性能达到最好，焊缝截面对称性好（见图1b、1e），熔深较深，熔合完全，不存在气孔及飞溅现象。这是因为随着焊接时间的延长，热输入增大，处于熔融状态的金属增多，熔合率得以提高，焊缝成形性能得到改善。比较M6和M8最佳焊接时间可知，随着螺柱直径的增大，热输入提高，要达到理想熔合的熔合面相应扩大，即所需熔融金属量增多，其最佳焊接时间相应延长。

图1 焊接接头截面照片Fig.1 Photo of cross section of welding joint

2.2 螺柱直径对较优焊接优化区间的影响

分析表3、图1并结合表2对应的焊接工艺参数，在焊接时间较小时，焊接接头均出现断裂，当M6的焊接时间选取为52 ms、56 ms、60 ms，M8 的焊接时间选取为64 ms、66 ms、68 ms时，其焊缝成形性能得以改善，且抗弯性能逐步提高。但当M6取62 ms，M8取70 ms时，组6和组10弯曲时均存在断裂现象，图1c和图1f明显可见焊缝出现不对称现象——偏焊行为，这是因为在较长焊接时间下出现“磁偏吹”。由试验结果可知，不同的螺柱直径存在一个合理的焊接时间区间，在此试验条件下M6焊接时间区间为 52～60ms，M8 焊接时间区间为 64～68 ms。M8可取的焊接时间区间较M6窄，是因为随着螺柱直径的增大，焊接时间相应延长。而较长的焊接时间使热磁效应激烈发生，不仅容易造成焊缝形状的不规则，还会产生飞溅、咬边等缺陷。

2.3 螺柱直径对较优焊接时间下力学性能及组织的影响

焊缝组织显微金相照片如图2所示，焊缝组织存在明显的柱状晶趋势，M8柱状晶长大明显，宽长比更小。这是因为随着焊接时间的延长，热输入增加，焊缝中心升温剧烈，焊缝与母材温差变大，成分过冷效应显著。

M6、M8螺柱在各自较佳焊接时间下的弯曲角度如图3所示。在较佳焊接时间下，二者焊后接头弯曲角度存在差异，M6高于M8，即其弯曲性能较M8好。试样对应的弯曲断口扫描形貌如图4所示。由图4a可知，其断口主要由等轴韧窝组成，但存在较大区域的解理刻面，为以韧窝断裂为辅、解理断裂为主的断裂。图4b则表现出明显的准解理断裂和解理断裂伴生现象，撕裂棱清晰可见，微孔较大，呈弥散分布，韧窝为平面韧窝，塑性较差。M8中柱状晶较M6中的柱状晶明显长大，柱状晶的存在严重破坏了焊缝组织及性能的连续性和均匀性，使其显示出显著的各向异性，特别是对塑性和韧性极为不利。柱状晶越大，宽长比越小，其恶化越明显。由形核率公式表示为[6]

式中 J为形核率；σ为比表面能；d0为尺寸特征参数；c为环境相基本单位；wc为临界形核功；kB为波尔兹曼常数；T为绝对度。

由式（1）可知，当热输入较大时，冷却速度较慢，形核率较小，最后形成的晶粒较大。有效晶界变少，难以有效地抵制外力，抑制裂纹扩展，导致综合力学性能变差。

图2 焊缝微观组织Fig.2 Microstrcture of welding seam

图3 不同直径螺柱较优焊接时间下的弯曲角度Fig.3 Bending angle for superior welding time of different scale stud welding

3 结论

（1）随着螺柱直径的增大，所需的较优焊接时间相应延长。M6较优的焊接时间为60 ms，M8较优的焊接时间可达68 ms。

（2）随着螺柱直径的增大，优化的可调焊接时间范围变窄，M6优化的可调焊接时间范围为52～60 ms，而 M8 的范围为64～68 ms。

图4 焊缝弯曲断口扫描形貌Fig.4 Bending fracture photograph of the welding seam

（3）随着螺柱直径的增大，焊接难度变大，焊后接头成形及力学性能变差，在相应较优参数下，M8焊缝柱状晶长大明显，宽长比变小。M6在未出现裂纹时的最大弯曲角度可达75°，M8最高达到66°。