采用中频逆变电阻焊和闪光对焊焊接圆环链的对比研究

许祥平，李 恒，王锡岭，陈恒强

(1.江苏科技大学材料科学与工程学院，江苏镇江212003)(2.江苏省交通技师学院，江苏镇江212006)(3.中国船级社镇江办事处，江苏 镇江212003)

矿用高强度圆环链是刮板输送机、刨煤机和采煤机等煤矿机械的关键部件.圆环链在工作过程中既要承受弯曲载荷又要承受拉伸载荷，其工作环境非常恶劣.因此，煤矿工业中圆环链焊接接头的质量至关重要，其质量高低将直接影响到煤炭生产.随着煤炭工业的迅速发展，煤矿机械趋向重型化，因此如何保证和提高矿用圆环链的性能指标和质量级别，是我国制链技术跻身国际先进水平，促进煤炭生产的一项重要课题［1-2］.

闪光对焊技术日趋成熟完善，在圆环链的应用中已发展到相当高水平，但仍存在一些难以克服的问题.随着电力电子技术的发展，20世纪80年代中期出现了逆变式点焊电源，使中频逆变电阻对焊圆环链得到了迅速发展.中频逆变电阻对焊圆环链是现阶段最新的中小直径圆环链焊接方法，由此可获得较高的焊接质量、生产效率和经济效益，焊后无须清除毛刺，节能降耗显著，成本低、飞溅少、对环境污染小，是今后圆环链焊接的主流方向［3-5］.

文中采用中频逆变电阻焊和闪光对焊方法分别焊接大直径高等级圆环链，优化焊接工艺参数，对比分析了焊接工艺、接头性能及微观组织等.

1 材料与方法

文中选用的母材为80级20Mn2圆环链用钢［6-7］，其尺寸为 Φ 22mm ×66mm ×30 mm.将原材料酸洗，然后拉丝并进行退火处理，再将盘好的圆环链材料进行酸洗处理.酸洗后的材料分两种方式进行，一种是用HHB型编链机将原材料编成链条，用JYW型中频逆变电阻焊机对圆环链进行对接焊接;另一种是将原材料编链，利用UNT系列闪光对焊机对圆环链进行对接焊接.

焊接后统一进行拉伸校正，采用IGP双电源系列中频淬火机进行“淬火+回火”处理，淬火参数为中频135±8 kW、淬火温度920±25℃，回火温度为435±30℃，测试每组试样的破断力和延伸率.

连接后的试样沿纵向剖开，打磨抛光后用HCl+FeCl3+H2O溶液腐蚀，用扫描电子显微镜JSM6480分析试样的微观形貌.

2 结果与分析

2.1 编链及焊接工艺对比

HHB 编链机的工艺程序:通过夹钳口将20Mn2钢送到给料机挡块上后，将其截成一定长度的毛坯.移动滑块把毛坯送到心棒上，将其弯成U形，两个与上述滑块成垂直运动的滑块将链环的端部挤弯，直至接头部分留有稍大于母材直径的空隙为止;接着链环前进到另一位置，在那里将已编结好的、并用翻转器回转90°的环链通过接头空隙放入新的环链，再用第三对滑块将接头压紧，重复此动作，从而形成环环相扣的链条.在完成编链后，圆环链会由传送机送至中频逆变电阻焊机上进行焊接.JYW系链条自动对焊机是参照德国先进技术，采用电阻2次通电法焊接低碳合金钢起重链条，链环的输送、旋向、焊接、镦锻、去毛刺等十九道工序通过编码器和PC机控制，可进行手动、点动、半自动和全自动操作.

闪光对焊方法所采用的JC23-63A开式可倾压力编链为机械传动圆环链成型，其示意图见图1.电机启动时，通过三级皮带轮和两级齿轮变速，带动组合凸轮组旋转，送料风缸送料，将棒料从料斗推至成型模之间，夹紧凸轮带动卡嘴机构使成型模将棒料10压紧;压杆凸轮2、4带动压杆机构13，使棒料压紧;双弯曲凸轮带动双弯曲机构12，将棒料两端同时压弯，回程，合口;凸轮带动合口机构8，通过合口冲头将圆环顶压闭合，回程，机械手凸轮组3送钳，夹环退回，转向凸轮1将环转90°，接着送进链环，送料风缸再次串环送料，这样周而复始，依次循环。在链环直臂中留下一小小间隙，链环肩部通上电流并使其焊口端面接近直至局部相互接触，利用大电流加热接触点，逐渐使端面的金属熔化成液态，直至达到设定温度时快速施加一顶锻力以完成焊接.

图1 机械传动圆环链编链成型部分示意图Fig.1 Schematic diagram of making up the round-link chain

对比两种工艺方法可以看出:中频逆变电阻焊焊接圆环链的生产过程是全自动化的，从编链到焊接再到去除毛刺，都不需要工人操作，从而大大减少了工作量和劳动强度。而闪光焊焊接时，圆环链需由工人一环一环的进行手工焊接，焊后还要清除毛刺，这在很大程度上增加了工作量和劳动强度.中频逆变电阻焊的焊接过程中，飞溅很少或基本没有，焊接时弧光较小;而闪光焊焊接过程中，飞溅很大且弧光也很大，需在焊接时用一薄板挡在前方，而且闪光焊时焊接热损耗量大，使得周围环境温度较高，工作条件较恶劣.

2.2 接头性能的对比

将相同成分及尺寸的母材分别采用中频逆变电阻焊和闪光焊进行焊接，实验中采用相同的热处理工艺，最后用拉伸试样机拉断，所得焊接接头性能见表1～4.

表1 中频逆变电阻焊工艺参数Table 1 Process parameters of medium frequency inverter resistance welding

表2 中频逆变电阻焊焊接所得数据Table 2 Breaking force and elongation rate of medium frequency inverter resistance welding

表3 闪光对焊工艺参数Table 3 Process parameters of flash butt welding

表4 闪光对焊焊接所得数据Table 4 Breaking force and elongation rate of flash butt welding

由表2和表4可以看出，中频逆变电阻焊对焊圆环链所得接头的性能较闪光焊要好.

2.3 接头微观组织的对比

1)图2为用中频逆变电阻焊方法所得试样1-1的接头金相图.图中为粒状贝氏体组织，在铁素体基体中分布着许多小岛，这些小岛无论是残留奥氏体、马氏体，还是奥氏体的分解产物都可起到第二相强化作用.图中小岛所占面积较大，因而其抗拉强度和屈服强度都很高，其破断力达到810kN(抗拉强度为1066 MPa).

图2 试样1-1焊缝处微观组织Fig.2 Weld line microstructures of sample 1-1

图3为试样1-4的接头金相图.图中为下贝氏体组织，其铁素体和碳化物的颗粒较小，其中铁素体的含碳量高于上贝氏体.在图中下贝氏体呈针状，可以在奥氏体晶界上形成，但更多的是在奥氏体晶粒内沿某些晶面单独或成堆地长成针叶状，具有较好的综合性能，其破断力达到824 kN(抗拉强度为1085 MPa).

图3 试样1-4焊缝处微观组织Fig.3 Weld line microstructures of sample 1-4

2)图4为闪光对焊方法所得试样2-1的接头金相图.图中大部分区域呈板条状组织，板条群由一束束板条束组成，每一束内部板条平行，束与束之间相交，故为典型的板条马氏体组织，因此焊缝具有很高的强度和良好的韧性，同时还具有脆性转折温度低、缺口敏感性小等优点.但是图中还有少部分区域为上贝氏体组织，铁素体晶粒和碳化物颗粒较粗大，碳化物呈短杆状平行分布在铁素体板条之间，铁素体和碳化物分布具有明显的方向性.这种组织状态使铁素体条间易产生脆断，铁素体条也可能成为裂纹扩展的途径.其破断力达到706kN(抗拉强度为929 MPa)，综合性能不如中频逆变电阻焊得到的组织性能.

图4 试样2-1焊缝处微观组织Fig.4 Weld line microstructures of sample 2-1

图5为闪光对焊方法所得试样2-2的接头金相图.图中大部分为上贝氏体组织，呈针状，它可以在奥氏体晶界上形成，但更多的是在奥氏体晶粒内沿某些晶面单独或成堆地长成针叶状，具有较好的综合性能.在图中右侧可以明显看出还有少部分的白色羽毛状、平行的下贝氏体，它将影响试样的综合性能，其破断力为773 kN(抗拉强度为1 017 MPa)，比中频逆变电阻焊所得组织的性能低.

图5 试样2-2焊缝处微观组织Fig.5 Weld line micro structures of sample 2-2

2.4 接头断口形貌的对比

1)图6为闪光对焊方法下所得试样2-4的拉伸断口微观形貌.图中出现了大量等轴韧窝，在韧窝底部有少量夹杂物或析出相粒子，这是20Mn2钢中微量合金元素Cr、Ni、Mo形成的沉淀强化相，可使材料具有很高的强韧性.图中还存在少量椭圆形剪切韧窝，表明该断口为塑性断裂，其破断力为697 kN(抗拉强度为917MPa)，延伸率为19.04%.

图6 试样2-4的微观断口形貌Fig.6 Macro fracture morphology of sample 2-4

图7为闪光对焊方法下采用焊接电流75.6 kA，顶锻量3.4mm，预热电流70.59kA获得的拉伸断口微观形貌.图中有少量的剪切韧窝以及大量的冰糖状、细瓷状的沿晶脆性表面，还有少量的河流花样表面，说明该断口为脆性断裂，其塑韧性较低，破断力为472kN(抗拉强度为621MPa)，延伸率为8.08%.

图7 较低性能的微观断口形貌Fig.7 Macro fracture morphology of low properties samples

2)用中频逆变电阻焊得到的所有试样中，大部分破断力都能达到700kN(抗拉强度为921 Mpa)以上，在拉伸试样过程中断口均断在母材上，说明焊接接头处的性能良好，均超过母材性能.少数断在焊缝上的试样，其破断力都不超过450 kN(抗拉强度为592MPa)，说明主要是受工艺参数的影响.图8为中频逆变电阻焊方法采用焊接电流40.5 kA，顶锻量4.5mm，焊接时间1380ms获得的微观断口形貌图.图中组织明显均为细瓷状、冰糖状沿晶脆性断裂表面，其破断力仅为220kN(抗拉强度为290 MPa)，延伸率仅为4.04%.

综上所述，工艺参数对中频逆变电阻焊接头性能的影响较大，在合适的工艺参数下连接圆环链，中频逆变电阻焊方法所得接头性能较优于闪光对焊方法所得接头性能.

图8 最低性能的微观断口形貌Fig.8 Macro fracture morphology of lowest properties sample

3 结论

1)在圆环链的焊接过程中，中频逆变电阻焊的编链和焊接工艺过程具有生产自动化程度高、生产效率高、生产环境好、焊后无需清除毛刺、产品合格率高等优点.

2)在各自最优工艺参数条件下，根据力学实验、微观组织及断口形貌对比分析，得出中频逆变电阻焊方法所得接头性能优于闪光对焊方法所得接头性能.

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