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電阻點(diǎn)焊電動(dòng)機(jī)支架斷裂失效分析
引言
隨著航空航天、電子、汽車、家用電器等工業(yè)的發(fā)展，電阻焊越加受到廣泛的重視。同時(shí)，對(duì)電阻焊的質(zhì)量也提出了更高的要求[1]。然而，目前還缺乏可靠的無損檢測(cè)方法，焊接質(zhì)量只能靠工藝試樣和工件的破壞性試驗(yàn)來檢查。本文針對(duì)具有普遍性的電阻點(diǎn)焊連接中出現(xiàn)的斷裂現(xiàn)象進(jìn)行分析。
電阻點(diǎn)焊的優(yōu)點(diǎn)是成本低，操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，缺點(diǎn)是對(duì)氣密性要求不高，容易出現(xiàn)氣孔，電流過低時(shí)容易產(chǎn)生未焊透的現(xiàn)象，電流過大時(shí)容易造成材料脆性斷裂[2]。
本文所用的破壞性試驗(yàn)方法是高頻振動(dòng)試驗(yàn)，其目的在于確定所設(shè)計(jì)、制造的機(jī)器、構(gòu)件在運(yùn)輸和使用過程中承受外來振動(dòng)或者自身產(chǎn)生的振動(dòng)而不至破壞，并發(fā)揮其性能、達(dá)到預(yù)定壽命的可靠性。試驗(yàn)通過對(duì)類似結(jié)構(gòu)（螺母和板材連接）進(jìn)行高頻振動(dòng)達(dá)到支架斷裂，并對(duì)斷裂原因進(jìn)行說明分析。
1 試驗(yàn)過程
本文所用的材料是Q235 鋼，焊接螺母厚6-7mm，連接板材厚2.5mm，采用電阻點(diǎn)焊連接方法。對(duì)采用電阻點(diǎn)焊連接的電動(dòng)機(jī)支架高頻振動(dòng)破壞試樣進(jìn)行了失效分析。通過對(duì)焊接材料成分分析、斷口形貌分析、微觀金相組織分析，找出固定電動(dòng)機(jī)支架發(fā)生斷裂的原因，以提高電動(dòng)機(jī)使用過程中的安全性。
1.1 試樣成分分析
固定電動(dòng)機(jī)的支架和螺母的材料為Q235 鋼，屬于碳素結(jié)構(gòu)鋼，易于冶煉，價(jià)格低廉，性能基本滿足一般工程結(jié)構(gòu)要求。通常以熱軋空冷狀態(tài)供應(yīng)，其塑性好，焊接性能好，使用狀態(tài)下的組織為鐵素體加珠光體。成分分析如表2.1 所示，碳素結(jié)構(gòu)鋼中常含有五種元素：C、Si、S、P、Mn，其中錳含量≤1.0%，硅含量≤0.5%，硫含量和磷含量各≤1.0%[3]。
1.2 斷口宏觀形貌分析
進(jìn)行斷口宏觀形貌分析的目的是為了根據(jù)裂紋擴(kuò)展區(qū)的微觀形貌特征來判斷其金屬材料斷裂源的位置、裂紋的擴(kuò)展方向和斷裂斷口的斷裂性質(zhì)，以分析造成斷裂的原因。斷裂斷口的宏觀形貌和標(biāo)注如所示。
由可以看到斷口的形貌，發(fā)生斷裂時(shí)斷口無明顯塑性變形，為脆性斷裂。根據(jù)疲勞斷裂理論，疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)最突出的形貌特征是疲勞紋的存在。從中可以看出，斷口處有明顯的疲勞紋存在，而且以疲勞源為中心，疲勞紋不斷向外擴(kuò)散，且疲勞紋間距離不等。由中可見斷裂分為三部分：疲勞源、平滑區(qū)及瞬斷區(qū)。疲勞源的位置在螺母與板材焊點(diǎn)的板材處；沿疲勞源的板材厚度方向?yàn)槠诘钠交瑓^(qū)，此區(qū)包括疲勞裂紋的萌生及擴(kuò)展(即在疲勞裂紋擴(kuò)展前期，裂紋擴(kuò)展的速度很小，產(chǎn)生微觀的疲勞條紋；而在裂紋擴(kuò)展的后期，裂紋擴(kuò)展速率較快，容易產(chǎn)生宏觀可見的疲勞線)；沿平滑區(qū)的板材厚度方向?yàn)樗矓鄥^(qū)，此區(qū)有撕裂的痕跡，邊緣為解切唇疲勞；斷口中平滑區(qū)與瞬斷區(qū)之間的區(qū)稱之為疲勞過渡區(qū)，斷口的粗糙程度也介于平滑區(qū)與瞬斷區(qū)之間[4]。
1.3 試樣微觀組織分析
對(duì)試樣進(jìn)行磨制和拋光后，用4%硝酸酒精進(jìn)行腐蝕。然后在光學(xué)顯微鏡下，觀察試樣不同放大倍數(shù)的微觀組織。
通過可以看出，焊點(diǎn)外側(cè)未形成良好的弧形焊接表面，呈現(xiàn)整齊的銳角。
并且在焊接板材和螺母外側(cè)受熱受壓變形后，焊接板材與螺母接觸邊緣有翹曲開口，產(chǎn)生了應(yīng)力集中[5]。
而且，焊接接頭的熱影響區(qū)范圍大，容易出現(xiàn)晶粒度粗大組織，影響焊接接頭的性能。
故在高頻振動(dòng)試驗(yàn)中，這種已存在焊接應(yīng)力集中的熱影響區(qū)附近區(qū)域，極易造成斷裂。
通過（a）、（b）可明顯的看出，焊縫均存在未焊透、未熔合情況。焊縫區(qū)域存在明顯的連接交線，熔合不徹底，而且焊接接頭的實(shí)際熔合長(zhǎng)度占整條焊縫的比例較小。左側(cè)試樣在焊縫左側(cè)有未焊透部分，未熔合部分占大部分，完全熔合部分約1/3。右側(cè)試樣在焊縫兩側(cè)為未焊透部分，未熔合部分占大部分，完全熔合部分約1/5。
（a）中1 表示鐵素體，2 表示少量珠光體。從本圖可以看出，焊接母材的晶粒均勻，組織分布均勻，以鐵素體為主，珠光體少量彌散分布鐵素體晶界處。對(duì)于Q235 焊接材料來說，這種金相組織是符合GB/T700-1988 使用標(biāo)準(zhǔn)的。（b）中1 表示鐵素體。本圖中焊接接頭熱影響區(qū)內(nèi)組織分布都不均勻。由于珠光體中的鐵素體依附在已存在的先共析鐵素體上生長(zhǎng)，使得鐵素體晶粒度明顯增大。焊接接頭冷卻后奧氏體轉(zhuǎn)化珠光體的成分明顯增多。這成為整個(gè)焊接接頭薄弱區(qū)。
2 試驗(yàn)分析
（1）電阻點(diǎn)焊過程中，焊接接頭受電極壓力作用，在熱狀態(tài)下產(chǎn)生塑性變形，焊接板材與螺母接觸邊緣有翹曲微裂口。說明焊接壓力過大，造成成型過程中不必要的變形，容易引起應(yīng)力集中，成為疲勞斷裂的起因。
（2）由于焊接過程中熱循環(huán)的性質(zhì)，焊縫本身就存在嚴(yán)重的化學(xué)和物理不均勻性，焊接熱影響區(qū)范圍大，且組織晶粒度粗大。同時(shí)在焊接接頭兩側(cè)存在未焊透和未熔合部分[6]。說明焊接規(guī)范存在焊接時(shí)間長(zhǎng)，焊接電流小的問題。而且，螺母與板材的連接不同于板材與板材的連接，容易在焊接連接部位產(chǎn)生焊接電流分布不均情況，影響焊接熱影響區(qū)。
3 結(jié)論
通過對(duì)電阻點(diǎn)焊電動(dòng)機(jī)支架斷裂失效進(jìn)行初步分析，本文得到以下結(jié)論：
（1）斷口宏觀形貌分析表明斷裂形式為疲勞斷裂。
（2）由于焊接接頭兩側(cè)翹曲微裂口的存在，造成應(yīng)力集中，成為疲勞斷裂的起因。因此，要在滿足焊接規(guī)范要求的情況下，減小需要施加的焊接壓力。
（3）焊接接頭中存在未焊透和未熔合部分，加快應(yīng)力集中，加劇疲勞斷裂過程，不能滿足高頻振動(dòng)試驗(yàn)安全性要求。因此，滿足焊接接頭良好連接和熱影響區(qū)良好性能的情況下，增加焊接電流，減小焊接時(shí)間。
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[參考文獻(xiàn)] (References)
[1] 田錫唐．焊接結(jié)構(gòu)[M]．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1992．
[2] 趙熹華，馮吉才．壓焊方法及設(shè)備[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005．
[3] 崔忠圻．金屬學(xué)與熱處理原理[M]．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2004．
[4] 張文鉞．焊接冶金學(xué)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999．
[5] 朱正行．電阻焊技術(shù)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001．
[6] 陳金德，邢建東．材料成形技術(shù)基礎(chǔ)[M] ．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000．
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