一种火工品电容储能焊接头力学性能匹配研究

王 窈，付秋菠，王 猛，只永发，郭 菲

（中国工程物理研究院化工材料研究所，四川 绵阳，621900）

随着武器系统使用环境、贮存环境的多样性变化，对其内部的火工品也提出了越来越高的要求，不仅要求其在恶劣环境中具有高可靠性，而且要求其具有一定的密封性能。目前使用的火工品均是采用灌胶的方式实现其密封性，这种封装方法无法满足现行国军标对火工品密封性指标的要求（1×10-6Pa·m3·s-1），在恶劣环境下使用有可能造成火工品的失效；而且采用人工刷胶的方式制备火工品，存在固化时间长、制备效率低、成本较高的问题，因此需要探索和发展火工品装配的新方法以实现其密封。

目前，电容储能焊具有焊接时间短（毫秒级）、热影响区窄、焊接变形和残余应力小等优点，冷却速度高达 106K·s-1，易获得组织细小、致密的高质量焊接接头[1-3]。这一焊接方法已被广泛地应用于电子元器件、通讯器材、医疗器械、计算机设备等金属小零件的连接上[4]。因此，应该可以利用储能焊接技术实现火工品的密封。

目前，对于储能焊接的研究主要在于点焊研究，探索其连接机理和力学性能，而对凸焊研究较少，并且材料主要以 TiNi形状记忆合金、铝合金和 0Cr18 Ni9Ti为主[5-8]。凸焊由于凸点的存在改变了电流场和温度场的形态，而且在其压溃过程中使焊接区产生很大的塑性变形，使焊接过程比点焊过程复杂。

为此，本文采用 NTE储能焊机对火工品常见材料 1Cr18Ni9Ti、4J29可伐合金进行快速凝固凸焊连接，对焊接接头的力学性能进行了匹配分析；同时对可伐合金样件掺杂金后进行焊接，研究金添加元素对焊接接头力学性能的影响。

1 实验方法

实验材料为1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢、4J29可伐合金和4J29可伐合金（掺杂金），经酒精清洗和烘干后，按图1所示装配搭接接头，在NTE电容储能焊机上进行快速凸焊连接。固定焊接电极压力，调节储能焊机的电压（250V、300V、330V和360V），分别焊接4J29/1Cr18Ni9Ti、4J29/4J29、4J29（掺杂金）/1Cr18Ni9Ti、4J29（掺杂金）/4J29（掺杂金），制备焊接接头。焊接后的焊接接头用CT观察其焊接缺陷；用英斯特朗材料试验机5582对焊接接头进行拉伸强度实验；对拉伸完的焊件用非接触式三坐标测量机Scope check 322测量断口的宽度。

图1 储能焊实验装置图Fig.1 Sketch map of capacitor discharge welding experiment device

2 实验结果分析

2.1 实验结果

对储能焊接接头进行拉伸强度实验，测量拉断后的样品的断口宽度，实验结果见表1。

表1 焊接接头的储能电压与破坏力实验结果Tab.1 The results of capacitor discharge welding voltage and destroying force

整体上分析，焊接材料和储能电压的确会影响焊接接头的破坏力值和断口宽度，而且焊接接头出现宽窄不一的现象，通过CT检测图片也得到了这一结论，如图2所示。

当焊接材料为可伐合金（掺杂金）/可伐合金（掺杂金），在 360V电压下获得最大的破坏力（3.213 0kN）。

2.2 焊接电压对力学性能的影响

根据表1对焊接电压、破坏力和断口宽度值进行数据处理，见图3。

图2 4J29/1Cr18Ni9Ti在330V，500Ib条件下焊接后的CT检测图片Fig.2 The detecting picture of 4J29/1Cr18Ni9Ti welding sample in 330V, 500Ib

图3 焊接电压对焊接接头拉伸强度、断口宽度的影响Fig.3 Effect of the welding voltage on tensile strength and fractured surface width of the welding joint

图3的曲线呈上升趋势，表明可伐/可伐、可伐/不锈钢、可伐（掺杂金）/可伐（掺杂金）和可伐（掺杂金）/不锈钢的焊接接头随着焊接电压的上升，破坏力变大，而且断口的宽度变大。凸焊分为3个阶段，即预压阶段、通电加热阶段和冷却结晶阶段。首先，在电极压力作用下凸点产生变形，压力达到设定值以后，凸点高度下降约一半以上，这是预压阶段。本文采取的焊接压力和材料一定，所以在预压阶段焊接截面下降的高度应该一致。随着焊接电源的接通，凸点由于焦耳热产生热量，个别接触点的熔化逐步扩大，形成足够尺寸的熔化核心和塑性区。通电结束后，溶核在压力作用下迅速冷却结晶，形成焊接接头。在接头形成的过程中，焊接电压主要影响通电加热阶段，焊接电压增加，产生的焦耳热增加，熔化的金属多，通电结束后，结晶的宽度加大，需要的破坏力变大。所以，焊接电压的加大，有利于提高焊接接头的拉伸性能。

2.3 焊接材料对力学性能的影响

图4为焊接接头拉伸强度、断口宽度与焊接电压和材料的关系。由图4可明显地看出，焊接材料的确影响焊接接头的拉伸强度，在相同的焊接电压下，4J29/4J29焊接接头的拉伸性能明显优于 4J29/1Cr18 Ni9Ti接头，但是4J29/4J29焊接接头的断面宽度却小于4J29/1Cr18Ni9Ti的接头断面。材料一样的条件下，焊接接头的宽度越宽，需要的破坏力就越大，证明焊接接头的拉伸性能不仅与接头的宽度有关，而且与焊接材料也有着紧密的关系。

图4 焊接材料对焊接接头拉伸强度、断口宽度的影响Fig.4 Effect of the material on tensile strength and fractured surface width of the welding joint

首先，在压力下焊接凸点产生变形，高度下降，这个过程由于不锈钢硬度比4J29大，使4J29凸点下压的高度较多，故焊接接头面积大。通电加热后，由于可伐合金的电阻小（接触面积大）、产热少，熔化的金属随之少，故冷却后焊接接头的宽度比不锈钢的窄。金属焊接接头的连接形式取决于金属组元间的原子尺寸、负电性、电子浓度和晶体结构等因素。只有当两组元的原子半径相对小于14%时[5]，才有可能形成固溶体。同种金属焊接时，固溶度大于异种金属，在焊接中较容易形成金属间化合物，在结合面上形成共同晶粒而得到焊接接头，故结合力较好，导致4J29/4J29材料焊接形成的焊接接头的拉伸性能优于4J29/1Cr18Ni9Ti，提高了拉伸性能。

2.4 添加金元素对力学性能的影响

图5的曲线表现了焊接接头拉伸强度与金掺杂元素的关系。

图5 金添加元素对焊接接头拉伸强度的影响Fig.5 Effect of gold additive on tensile strength of the welding joint

当焊接材料掺杂金后，只要焊接电压高于300V，那么形成的焊接接头的破坏力值大于不掺杂金的可伐合金。表 1中当焊接材料选用 4J29（掺杂金）/1Cr18Ni9Ti时，焊接电压为300V时得到的焊接接头的拉伸性能仍然优于不掺杂金处理的接头。综上所述，4J29材料掺杂金后的确会提高焊接接头的拉伸性能，焊接电压越大，这种现象越明显。在金属焊接学中，改善焊缝金属凝固组织有效方法之一就是向焊缝中添加某些合金元素，起固溶强化和变质处理的作用。根据目的和要求的不同，可加入不同的元素，以改变凝固组织的形态，从而提高焊缝金属的力学性能，例如，在低碳钢和低合金钢焊缝中加入Mn和Si元素，一方面可使焊缝金属充分脱氧，另一方面可提高焊缝的抗拉强度（属于固溶强化）[9]。在这里加入了金元素有可能也是改变了凝固组织的形态，提高了焊接接头的拉伸性能，具体影响需要进一步研究。

3 结论

（1）本文采用电容储能焊接方法实现了火工品常见材料4J29可伐合金和1Cr18Ni9Ti不锈钢的凸焊快速凝固连接。

（2）当焊接材料为4J29（掺杂金）/4J29（掺杂金），焊接电压为360V的条件下获得的焊接接头需要的破坏力最大，可达3. 213 0kN。

（3）选定材料后，焊接电压越大，焊接接头的宽度越大，需要的破坏力越大，拉伸性能更优。

（4）当焊接电压一定时，4J29/4J29焊接后形成的焊接接头的拉伸性能优于4J29/1Cr18Ni9Ti焊接后的焊接接头。

（5）将4J29材料掺杂金后，可以提高焊接接头的拉伸性能。

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