钛合金胶接点焊与电阻点焊接头性能对比分析
Comparison of joint performance between spot weld bonding and resistance spot welding of titanium alloy
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摘要: 分别对1.5 mm厚的钛合金板进行胶接点焊和电阻点焊连接,获得了不同焊接电流下的胶接点焊和电阻点焊接头，从熔核的C扫描图像、接头的失效载荷和断口形貌等方面，对比分析了胶接点焊和电阻点焊的接头强度及失效样貌. 结果表明,通过观察A扫描信号的变化与C扫描图像的特征，能够很好的划分接头的热影响区、熔合区、熔核区以及检测出接头的熔核直径和焊接缺陷. 随着焊接电流(7.0～10.0 kA)的逐渐增大，接头熔核直径及失效载荷呈递增趋势；当焊接条件相同时，胶接点焊接头的熔核直径普遍大于电阻点焊接头，但接头的强度相当. 当电流在7.0～8.5 kA时，接头强度不足，熔核区的断口处出现大小不等的韧窝，呈现出韧性断裂特征；当电流为10.0 kA时，接头强度较高，主要呈现出韧性断裂与准解理断裂特征.Abstract: The technology of spot weld bonding and resistance spot welding was applied to 1.5 mm titanium alloy sheet. The spot weld bonding and resistance spot welding joints were acquired under different welding current. The joint strength and failure feature between spot weld bonding and resistance spot welding (RSW) were compared by C-scan images of nuggets, the failure load of joints and fracture morphology. Results show that the change A-scan signals and the characteristics of C-scan images can divide heat affected zone, melting area, nugget zone. It can detect nugget diameters and weld defects of joints, too. The nugget diameters of joints increase with the increase of welding current. When the welding process parameters are the same, the nugget diameters of spot weld bonding is generally larger than the nugget diameters of resistance spot welding. But their strength is similar. When the welding current is changed from 7.0 kA to 8.5 kA, there are many different size dimples of the fracture surface, which present ductile fracture. When the welding current is 10.0 kA, the joints are mainly ductile fracture and quasi-cleavage fracture.
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0. 序言
现代工业的应用工况对零件表面的耐磨性、耐蚀性、耐高温性等提出了更高要求，作为一种表面加工和再制造技术，电火花沉积技术因其优异的表面强化及工件修复效果，已广泛应用于刀具、模具、能源、航空航天等应用和研究领域[1-2].
近年来，许多新技术应用到电火花沉积中，关于电火花沉积涂层性能方面的研究较多. Kuptsov等人[3]通过用脉冲电弧蒸发与电火花沉积相结合的方式，发现真空条件下制备的纳米复合WC/a-C涂层具有很好的粘接强度. Liu等人[4]采用超声冲击处理和电火花沉积相结合的方法在Ti-6Al-4V合金上制备Ti-Al金属间化合物涂层，发现冲击过程产生的塑性变形层提高了涂层的显微硬度. Yue等人[5]采用磁场辅助方法进行电火花沉积试验，使放电沉积过程更加稳定，工件质量的增长速度得到提高. 王彦芳等人[6]利用电火花沉积技术在ZL101铝合金表面制备了锆基合金涂层，发现沉积层呈现出良好的耐磨性. 魏祥等人[7-8]采用电火花沉积工艺的方法制备了Fe-8B-Mo非晶涂层及Fe2B纳米晶涂层，结果表明，制备的涂层组织结构致密且缺陷少，与基体呈良好的冶金结合. Hong等人[9]采用电火花沉积技术，在钛合金表面制备了TiN/Zr基非晶-纳米晶体复合涂层，发现在高载荷摩擦条件下，涂层的磨损机理主要为微切削磨损. 但是，有关电火花沉积自动化和接触力控制方面的研究较少. Wang等人[10]采用计算机数控沉积工艺在TC11工件上制备CuNiTiZr中熵合金涂层，发现随着沉积层数的增加，涂层的微观结构从体心立方(BCC)固溶体转变为非晶相. Frangini等人[11]采用弹簧加载来控制动态接触力，结果表明，动态接触力能有效抑制涂层缺陷. 高莹等人[12]采用杠杆机构和配重施加接触力来研究电极力对Cr12MoV电火花沉积YG6工艺的影响，发现电极力是影响沉积层质量与沉积效率的关键参数.
相较于电火花去除加工与电火花沉积堆焊的区别，前者主要是非接触放电[13-14]，而后者主要是接触放电[15]. 所以，接触力是影响电火花沉积层质量和放电机理的重要因素. 在电火花沉积过程中，旋转电极与工件之间接触力都较小(大约0.5 ~ 5 N)，由于电极的旋转、粗糙的工件表面和电极与工件之间的短路粘接等，电极会产生较大的振动，其冲击力有时远大于其接触力，常常会导致小量程接触力传感器过载而失效. 为了实现电火花沉积的自动化，文中设计一种带阻尼功能的电火花沉积接触力自动控制装置，用于解决电火花沉积堆焊过程中无法保持电极与工件接触力大小恒定和振动的问题，并进行了不同接触力下的电火花沉积堆焊试验.
1. 工作原理
接触力自动控制装置的工作原理如图1所示，主要包括机械部分与气动部分. 机械部分主要包括角度调节机构、滑台、焊枪座、焊枪、砝码等；气动部分主要包括气缸、压力表、气门嘴、单向节流阀等. 气缸和滑台可以选择一体式的气动滑台，角度调节装置可以调节电极与工件之间的夹角. 滑动部分的受力分析，如图2所示，定义沿活塞轴线和滑台运动方向为A向，垂直于活塞轴线和滑台运动方向为B向.
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图 1 接触力自动控制装置的工作原理Figure 1. Working principle of contact force automatic control device气缸活塞两侧的气体压强相同，则活塞在A向上产生的推力为
$${F_1} = P\left( {{D_1} - {D_2}} \right) = P{D_3}$$ (1) 式中：D1为气缸活塞下表面的面积，m2；D2为气缸活塞上表面的面积，m2；D3为气缸活塞杆截面的面积，m2；P为气缸内气体的压强，Pa.
在电火花沉积试验前，先不施加砝码，电极与工件未接触，通过气门嘴向气缸内充气，调整气缸内气体的压强P，使滑动部分的受力达到平衡，满足公式(2)要求.
$$ {F}_{1}+{f}_{1}+{f}_{2}={G}_{1}{\rm{sin}}\theta $$ (2) 式中：f1为活塞与缸体的摩擦力，N；f2为滑台与导轨的摩擦力，N；G1为包括焊枪及其夹持机构、滑台、电极等滑动部分的重力之和，N；θ为滑台运动方向与水平面的倾角，°.
在电火花沉积试验时，在滑台上施加砝码，受力平衡被打破，滑台向下移动，使电极与工件接触，电极与工件的接触力使受力重新达到平衡，受力如公式(3)所示.
$$ {F}_{1}+{f}_{1}+{f}_{2}+{F}_{2}{\rm{sin}}\theta ={G}_{1}{\rm{sin}}\theta +{G}_{2}{\rm{sin}}\theta $$ (3) 式中：F2为工件对电极的支反力，即电极与工件之间的接触力，N；G2为砝码的重力，N.
由公式(2)～式(3)可推出
$$ {F}_{2}={G}_{2}$$ (4) 此时电极与工件的接触力大小刚好等于施加砝码的重力，调整砝码的重力即可调整电极与工件的接触力.
电极与工件相对运动时，由于接触表面很不光滑，接触力F2会产生突变，推动滑动部分向后跳动. 此时，摩擦力f1和f2会改变方向，起到一定的阻尼作用. 同时，气缸活塞向上运动时，节流阀可以限制气体的流速，对活塞的移动也产生阻尼作用，减小电极和滑动部分的振动. 电极的轴线方向与滑台的运动方向平行，当电极损耗而缩短使滑台继续向下时可确保电极与工件的接触力保持不变，也会确保电极与工件的接触位置保持不变.
在电火花沉积堆焊过程中，该装置能够控制电极与工件的接触力保持恒定，出现突变的反作用力时能够提供阻尼功能而避免电极的振动，电极消耗后能确保电极的自动进给和沉积位置不变，有利于实现电火花沉积堆焊的自动化.
2. 试验方法
电火花自动沉积装置的工作原理，如图3所示，由9188H2型电火花沉积电源、接触力自动控制装置、三维工作台、数控系统和压力传感器等组成. 电火花沉积电源的输出正极与旋转焊枪相接，负极与工件相接. 数控系统采用雷赛SMC304运动控制器，显示和操作装置选用TK6071IQ触摸屏，3个轴的运动既可以手工操作，也可以按照设计的G代码格式的数控程序自动控制. 工件和压力传感器固定在x轴和y轴滑台组成的十字滑台上，接触力自动控制装置固定在z轴滑台上，手动操作使电极接近工件，添加砝码使电极与工件接触，压力传感器和压力显示器可实时测量和显示相应的接触力，调整砝码使接触力为试验所需的设定值. 在沉积电源中设定好沉积规范参数，数控系统可控制沉积电源的启动和停止，同时通过x轴和y轴驱动器分别控制x轴和y轴步进电机运动，在平面内控制焊枪与零件之间按照一定的曲线运动，从而实现工件的电火花自动沉积.
不同接触力下自动沉积试验的接触力大小分别为0.5，1.0，1.5，2.0，2.5 N，工件相对焊枪的运动轨迹如图4所示，焊枪由A点沿轨迹移动到B点后，再沿原轨迹返回到A点，如此循环往复. 沉积面积为10 mm × 10 mm，电极移动速度为1 mm/s，焊道间隔为0.5 mm.
沉积试验的工艺参数，如表1所示. 电极材料选用直径3 mm的45钢棒，工件材料选用15 mm × 15 mm × 3 mm的45钢板. 试验前分别对电极端部与工件依次用400号、600号、800号砂纸进行打磨，然后使用丙酮清洗电极端部与工件表面进行除油去污. 试验在室温下进行，使用氩气作为保护气体，旋转焊枪与工件呈45°夹角，利用示波器检测沉积过程中电极与工件之间的放电电压和电流波形. 在试验前后使用精密电子天平分别记录电极及工件的质量，每次试验各进行5次，分别计算出电极消耗量m1、工件增加量m2、沉积效率η及质量转移效率K的平均值进行对比. 试验完成后采用SRL-7045型双目连续变倍体视显微镜观察沉积层的表面形貌及沉积层厚度，使用纳米压痕仪测量沉积层的表面硬度，在沉积层表面等间距选取5个点进行测量，取其平均值作为沉积层的表面硬度值.
表 1 沉积试验的工艺参数Table 1. Specification parameters of deposition test脉冲电压U/V 脉冲频率f/Hz 脉冲宽度t/μs 电极转速n/(r·min−1) 沉积时间t/min 氩气流量Q/(L·min−1) 26 50 138 1 000 10 10 3. 结果及分析
3.1 沉积效率及质量转移效率
连续沉积10 min后，不同接触力下自动沉积试验的沉积效率η及质量转移效率K，如表2所示. 随着接触力的增大，沉积效率和质量转移效率的变化呈先上升后下降的变化趋势. 当接触力为1.0 N时，沉积效率和质量转移效率均达到最大值；当接触力为2.5 N时，沉积效率和质量转移效率均达到最小值.
表 2 不同接触力下沉积效率η和质量转移效率KTable 2. Deposition efficiency η and mass transfer efficiency K under different contact forces接触力F/N 电极消耗量m1/mg 工件增加量m2/mg 沉积效率η/(mg·s−1) 质量转移效率K(%) 0.5 50.3 33.3 0.056 66.3 1.0 61.9 54.1 0.090 87.4 1.5 54.6 41.7 0.070 76.4 2.0 32.1 24.1 0.040 75.1 2.5 30.2 19.3 0.032 63.9 3.2 沉积层表面形貌
图5为沉积10 min后不同接触力自动沉积的沉积层表面形貌. 从图5可以看出，沉积层是由很多沉积点堆积、重叠形成. 在自动沉积过程中，接触力为0.5 N时产生了较大的电火花和飞溅，其沉积层呈橘子皮褶皱状，表面有较大的溅射状沉积点(图5a). 随着接触力的不断增大，自动沉积过程产生的电火花和飞溅逐渐减小，其沉积层逐渐由褶皱状转变为高低不平的山丘状，溅射状沉积点逐渐变少和减小，如图5b ~ 5d所示. 当接触力为2.5 N 时，自动沉积过程几乎没有大的电火花和飞溅出现，而沉积层很不平整，有许多大小不一的凸峰(图5e).
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图 5 不同接触力自动沉积下的沉积层表面形貌Figure 5. Surface morphology of deposition layer with different contact forces under automatic deposition. (a) contact force F = 0.5 N；(b) contact force F = 1.0 N；(c) contact force F = 1.5 N；(d) contact force F = 2.0 N；(e) contact force F = 2.5 N3.3 沉积层截面显微形貌
图6为接触力1.0 N自动沉积10 min 的沉积层截面显微形貌. 由图6可以看出，沉积层的截面形貌致密，沉积层与基体间的过渡区域很小，与基体呈良好的冶金结合. 沉积层的平均厚度约为116 μm，但沉积层的厚度不太均匀，这可能与自动沉积时工件相对焊枪移动时的运动轨迹、移动速度和焊道间隔等有关，有待进一步研究.
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图 6 接触力1.0 N的沉积层截面微观形貌Figure 6. Microstructure of the cross-section of the deposition layer with a contact force of 1.0 N3.4 沉积层表面显微硬度
图7为不同接触力下的沉积层表面显微硬度，在接触力为1.5 N时，沉积层的表面显微硬度达到最大值为638 HV，在接触力为0.5 N时，沉积层的表面显微硬度最低为340 HV，相较于45钢基体本身的显微硬度(275 HV)，沉积层表面显微硬度得到显著提高. 这是因为在电火花沉积过程中沉积金属的冷却速度极快，沉积层获得了细小的晶粒，导致其表面显微硬度明显增加.
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图 7 不同接触力下的沉积层表面显微硬度Figure 7. Surface microhardness of the deposited layer under different contact forces3.5 接触力影响电火花沉积过程的分析
根据文献[15]的研究，旋转电极电火花沉积有短路放电、接触放电和空载3种放电波形，其中接触放电由短路放电和间隙放电组成. 对不同接触力下自动沉积试验采集的20个放电波形进行统计与分析，各种放电波形的数量，如表3所示. 从该表可以看出，随着接触力的增大，自动沉积过程中的空载数量迅速下降，接触放电数量大致呈下降趋势，而短路放电数量则逐渐增加，在接触力1.5 N时短路放电数量占总体放电数量的80%，在接触力2.0 N时空载数量为0.
表 3 不同接触力下各种放电波形的数量Table 3. Number of various discharge waveforms under different contact forces接触力
F/N短路放电数量
N1(个)接触放电数量
N2(个)空载数量
N3(个)0.5 7 6 7 1.0 9 7 4 1.5 16 3 1 2.0 17 3 0 2.5 19 1 0 由此可以看出，接触力的大小直接影响了电极与工件之间的接触状态，从而改变了沉积过程中各种放电波形的数量和所占比例，进而影响了电火花沉积的效率和沉积层的形貌与质量. 当接触力较小时，电极与工件的微凸峰接触面积较小，短路电流密度较大，短路放电时接触点的熔化量较大，通过挤压过渡到工件表面的质量也较多；接触放电时短路接触点容易被熔爆，产生较大的飞溅，由短路放电转为间隙放电的放电间隙也较大，工件表面会形成较大的溅射状沉积点，导致接触放电的质量转移效率较小. 同时，较小的接触力(如0.5 N)引起电极与工件的接触不良，造成接触放电和空载数量较多，沉积效率和质量转移效率都较小，形成由众多溅射沉积点堆积成形的褶皱状沉积层.
当接触力较大时，电极与工件的微凸峰接触面积较大，短路电流密度较小，短路放电时接触点的熔化量较小甚至没有熔化，通过挤压过渡到工件表面的质量也较少；同时，接触放电时形成的飞溅较小，间隙放电的放电间隙也较小，形成溅射状沉积点也较小，提高了接触放电的质量转移效率. 但是，较大的接触力(如2.5 N)造成短路放电数量较多而接触放电数量很少，沉积效率和质量转移效率都较小，而较少的接触放电数量无法将众多短路放电形成的凸状沉积点熔爆打平，形成了凹凸不平的沉积层. 因此，接触力存在一个最佳值，可获得较高的沉积效率和较好沉积层质量. 在该试验条件下，接触力为1.0 N时取得了较大的沉积效率和质量转移效率，沉积层的表面质量也较好.
4. 结论
(1) 设计的电火花沉积接触力自动控制装置能够恒定保持电极与工件之间接触力，减少电极的振动，实现电极自动进给，可用于电火花的自动化沉积.
(2) 接触力的变化改变了电极与工件的接触状态，随着接触力的增大，自动沉积过程产生的火花和飞溅减少，短路放电数量增加而接触放电数量减少，从而影响自动沉积效率和沉积层的质量.
(3) 在一定试验条件下，接触力为1.0 N时，获得的沉积效率和质量转移效率较大，沉积层质量较好.
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