压力电阻点焊机焊接316Ti不锈钢板状件的工艺研究

2020-06-13 02:09:50

用压力电阻点焊机作为焊接设备,对316Ti不锈钢板状结构件进行点焊试验,研究了压力电阻点焊工艺象数对焊缝质量的影响。试验结表明,焊接电流、焊接压力以及电极形状是影响压力电阻点焊模式的主要因素,在小焊接压力和低焊接电流以及不理想电极形状的条件下,焊点容易产生飞减且焊缝核较小,导致焊点外观和焊缝金相等性能均不满足要求,而过大焊接压力以及较高的焊接电流也会导致炼核及寸降低以及产生飞减等缺陷。压力电阻点焊的焊接象数需要合理匹配,才能获得好的稳定的焊缝质量。

随着国内实验快堆研究的迅速发展,316Ti不锈钢作为工作于高温钠介质环境中的不锈钢反射层组件、碳化硼屏蔽组件、辐照试验组件、燃料组件模拟件和控制组件模拟件的结构件材料得到越来越广泛的应用。压力电阻点焊作为焊接科学技术的重要组成部分之一,广泛应用于航天、航空、原子能、电子技术、汽车制造等工业部门。压力电阻点焊由于加热时间短,避免或减少空气对焊缝的沾污,在核电领域燃料组件制造中应用更为广泛。316Ti不锈钢板件的连接,能够满足试验快堆组件结构部件的要求,然而由于该材料与国内其他类型燃料组件结构材料的物理化学性能存在差异,利用压力电阻点焊对1.2mm厚度的316Ti不锈钢板件进行搭接点焊还在研究阶段。

1试验材料及试验方法

核级316Ti不锈钢0Cr17Ni12Mo2Ti)为试验材料,其化学成分如表1所示。电阻焊接设备为直流逆变电源,逆变频率为1000Hz,在400V网压50%负载率条件下电源平均功率为33kVA

焊前使用丙酮浸泡清洗,丙酮浸泡后的零部件在电热烘箱内进行烘干,控制烘干温度在80~100℃、时间在30~60min。试验件尺寸为70mm×20mm×1.2mm,使用夹紧工装夹紧试验件,确保两块试验件搭接在一起的配合间隙不超过0.2mm,保证搭接在一起的两块试验件能够通过压力电阻点焊方式连接在一起。采用3369微机控制电子万能试验机对焊点进行剪切强度试验,按照GB/T11809-2008检测焊点金相性能,按照GB/T4334-2008检测焊点抗晶间腐蚀性能。

2工艺要求及试验方案

2.1工艺要求

焊接示意如图1所示,试验快堆组件中栅板框架与外套管材料均为316Ti,两种部件的壁厚均为1.2mm,技术要求规定采用接触焊接的方式将栅板框架与外套管固定在一起,每组组件共包括12个栅板框架与外套管接触焊接接头,12个接头拉伸强度不低于2100N210kgf)。每个接头内部无裂纹等焊接缺陷。

2.2试验方案

压力电阻点焊中主要焊接参数包括焊接电流、焊接时间、预压时间、保压时间以及焊钳电极形状尺寸,由于栅板框架以及外套管壁厚较厚,同时为316Ti不锈钢材料,因此需要选择较高的焊接压力,试验中焊接压力设置为1000N,选择焊接电流为可变参数,同时使用1#2#两种焊电极进行试验,试样分布以及焊接电流的选用如表2所示。

3试验结果及分析

3.1焊点外观质量

通过试验现象分析,1#电极与2#电极在焊接过程中的焊点外观直径有明显差异,如图2所示,在相同焊接条件下,采用1#电极焊接样品的焊点外观直径比采用2#电极焊接样品的焊点外观直径小,其中1#电极在1.3~2.7kA焊接电流条件下焊接的样品焊点外观直径呈现逐渐增大的趋势,焊点直径从2.0mm增加到2.2mm,当焊接电流增加到2.3kA以后,焊点直径不再增加,达到最大值2.2mm2#电极在1.3~2.7kA焊接电流条件下焊接的样品焊点外观直径也呈现逐渐增大的趋势,焊点直径从2.3mm增加到2.6mm,当焊接电流增加到2.2kA以后,焊点直径不再增加,达到最大值2.6mm。焊点外观典型照片如图3所示。

采用不同电极焊接时,随着焊接电流的变化,焊点外观质量有着明显差异。

采用两种电极焊接,焊点表面外观质量差异明显,其中2#电极电流在1.3~2.2kA范围内,焊点表面质量非常好,电流增加至2.3kA后两焊件之间才产生挤出物。而采用1#电极电流在1.3~1.4kA,焊点表面质量好,随着电流继续增加,焊点表面质量逐渐变坏,当电流增加至1.9kA以后,焊点表面质量已经不可接受,不仅飞溅严重,到最后已经产生焊点烧穿现象。

3.2焊接电流对焊点质量的影响

3.2.1焊接电流对焊点剪切力的影响

焊点剪切力值直接反映焊点强度,是衡量焊点质量的重要指标之一,为了寻找出合适的满足技术要求规定的焊点剪切强度,在使用两种电极的条件下,分析焊接电流在1.3~2.7kA范围内焊接的剪切试样结果。两种电极采用不同焊接电流焊接,焊点剪切力变化如图4所示,采用1#电极与2#电极焊接时,随着焊接电流的逐渐增加,焊点剪切力值随电流的增加而增加,其中采用2#电极焊接时,焊接电流在1.3~1.5kA范围变化,焊点剪切力增幅比较缓慢,从936N增加至1000N;电流在1.6~2.4kA区间增加,焊制的焊点剪切力增幅较大,从1154N增加至3108N;而电流在2.5~2.7kA区间增加,焊制的焊点剪切力增幅已经不明显,趋于稳定。其中采用1#电极焊接时,焊接电流在1.3~2.7kA区间增加,焊制的焊点剪切力增幅较明显,从953N增加至3760N,在整个变化范围内,焊接电流在最小值1.3kA焊接的样品剪切力值与2#电极在同样条件下焊接的样品剪切力值相当,随着电流增加,1#电极焊制的样品剪切力值大多比2#电极在相同条件下焊接的样品剪切力值大,甚至在最大焊接电流2.7kA焊接时,样品剪切力值的变化趋势仍在增加。从剪切力值分析,1#电极焊制的样品剪切力大于2#电极在相同条件下焊接的样品剪切力值,但是分析焊点外观质量,1#电极焊制的样品焊点表面质量在电流增加至1.9kA以后已经不可接受,不仅飞溅严重,到最后已经产生焊点烧穿现象。2#电极电流在1.3~2.2kA范围内,焊点表面质量非常好,电流增加至2.3kA以后两焊件之间才产生挤出物。

3.2.2焊接电流对焊点熔核质量的影响

尽管技术要求没有对焊点熔核质量作明确的规定,但是通过检查焊点熔核可以判断熔核直径大小、焊核内是否存在缺陷,从而进一步判断焊点质量。在使用两种电极的条件下,分析焊接电流在1.3~2.7kA范围内焊接的焊点熔核结果。两种电极采用不同焊接电流焊接,焊点熔核变化如图5所示,采用1#电极焊接时,除了焊接电流在1.3kA电流焊接时,焊点熔核直径为0,焊接电流在1.4~2.7kA变化时,焊点熔核尺寸均大于0.67mm,呈现逐渐增加趋势,但是当电流增加至1.6kA以后,熔核内逐渐产生裂纹、气孔等缺陷,当电流增加到2.7kA焊接,焊点熔核直径反而急剧下降,这是由于电流足够大时,出现焊点烧穿现象,导致熔核尺寸减小。采用2#电极焊接时,电流在1.3~1.4kA区间焊接时,焊点熔核直径为0,随着电流的增加,从1.5kA增加到1.6kA,熔核直径从0急剧增加至0.86mm,电流在1.6~1.8kA区间变化时,熔核直径增幅较平缓,在1.8kA变化到1.9kA时,熔核尺寸出现陡增,电流增加到1.9kA以后,熔核尺寸增幅再一次趋于平缓,因此2#电极在不同电流下焊接时,在1.6~1.8kA1.9~2.7kA两个区间内,熔核尺寸增幅均呈现平缓趋势,但是电流在2.0kA以后,熔核内部逐渐出现气孔、裂纹等缺陷,而在1.6~1.8kA区间段内焊接的样品熔核内部基本没有缺陷。

3.2.3焊接电流对焊点抗晶间腐蚀能力的影响

1#电极采用1.4~2.7kA电流焊接时,焊点均没有晶间腐蚀倾向;2#电极采用1.5~2.7kA电流焊接时,焊点均没有晶间腐蚀倾向。当采用很小的电流焊接时,由于焊点内部没有形成焊点熔核,因此检测焊点抗晶间腐蚀能力没有实际意义。从检测结果分析,两种电极采用不同电流焊接,焊点均无晶间腐蚀倾向。

3.3焊接压力对焊点质量的影响

焊接压力是接触焊的重要参数,为寻求合适的焊接压力,使用2#电极选择800N1000N1200N三种压力,分别在1.5kA1.6kA1.7kA1.8kA焊接电流条件下焊接1个剪切试样和1个金相试样,试样结果如图7和表4所示。

采用三种焊接压力焊接时,在上述四种电流的条件下,压力800N焊接的焊点剪切强度均大于压力1000N焊接的焊点剪切强度,压力1000N焊接的焊点剪切强度均大于压力1200N焊接的焊点剪切强度。

压力在800N时,当电流在1.6kA以后焊点内部产生气孔等缺陷。在上述四种电流的条件下,压力800N焊接的焊点熔核直径均大于压力1000N焊接的焊点熔核直径,压力1000N焊接的焊点熔核均大于压力1200N焊接的焊点熔核直径。

可见,在相同条件下,焊接压力越大,焊点剪切强度越小,焊点熔核直径越小,焊点出现缺陷的几率越小。在满足焊点强度的情况下,综合考虑压力的影响,选择焊接压力1000N

4结论

根据试验结果,选择焊接压力1000N、焊接电流1.6~1.8kA2#焊钳电极进行栅板框架与外套管接触焊,目前已经通过工艺合格性鉴定,并顺利完成转换区组件以及含铮缠变组件模拟件的制造。

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