点焊规范对201不锈钢接头质量影响的数值模拟与实验研究

本文分别采用数值模拟方法与实验方法，研究了不同点焊参数下的201不锈钢点焊接头质量。研究结果表明，201不锈钢具有较宽的规范参数选择范围。软、硬不同的点焊规范下，焊接区温度场、残余应力场的分布规律相似，其中硬规范下对应的温度梯度和残余应力峰值较高。采用回火电流双脉冲点焊时，熔核组织发生再结晶细化，接头综合力学性能最好，硬规范次之，软规范最差。

1前言

201不锈钢（1Cr17Mn6Ni5N）是近年来研发的一种节镍型奥氏体不锈钢，它不仅保留了常规奥氏体不锈钢所具有的无磁性、无相变、性能优良等特点，并以其低廉的价格引起人们的关注。除在强氧化性介质、强酸和低温条件外，大部分300系列不锈钢均可用201替代。目前201不锈钢主要用于制造食品生产设备、普通化工设备与铁路车辆等。

点焊是薄壁件201不锈钢产品在制造过程中的主要加工手段，其接头质量不仅取决于点焊熔核尺寸，焊接区的显微组织、性能与焊接残余应力分布状态，对接头的承载能力和耐腐蚀性能等都有重要影响，因此如何选择合理的点焊参数对提高201不锈钢接头的使用寿命意义重大。

本文采用ANSYS有限元分析软件，比较了软硬不同的几种点焊规范下201不锈钢接头的应力分布特点与差别，并通过实验，分析了点焊规范对接头显微组织、硬度分布及拉剪能力的影响，为点焊接头质量的综合评定与参数的合理选择提供了依据。

2点焊过程的数值模拟

以1.5mm厚201不锈钢为研究对象，事先通过点焊实验，优选出三个软硬不同的点焊规范和双脉冲点焊规范见表1，各规范都能保证获得满意的熔核尺寸。利用ANSYS有限元分析软件，模拟了上述规范下的接头温度场与应力场的变化，模拟方法详见参考文献2。

2. 1点焊焊接区的温度分布

图1是点焊加热结束时刻温度场的模拟结果。可以看出三种不同规范下的焊接区温度分布大体相同，熔核呈椭圆形，最高温度出现在贴合面中心部位。贴合面边缘与外围的温度梯度以硬规范最陡，软规范的热影响区最宽。双脉冲点焊规范的温度分布与普通规范时的基本相同。

以201不锈钢熔点作为熔核边沿，模拟所获得的熔核尺寸与实验测得的结果见表2。实测时以精度为0.01mm的读数显微镜测量熔核尺寸，测量多点后取平均值。对比表2中数据可见熔核直径的模拟值比实验结果略大一些，误差在10%以内，而焊透率的模拟结果与实测值十分接近。

2.2焊接区的残余应力分析

模拟结果表明，加热过程以及冷却过程中，由于电极压力作用，焊接区沿轴向的应力始终为压应力。在电极抬起之后的继续冷却过程中，轴向压缩应力逐渐转化为拉伸应力，但几种规范下的轴向残余应力的水平均不高且相差不大。

图2是沿熔核直径方向残余应力分布的模拟结果。可以看出几类不同规范下的径向残余应力分布规律大致相同，熔核中的应力高于外围热影响区中的应力。随点焊焊接电流的增大与焊接时间的缩短（规范变硬），接头的焊接残余应力峰值及高应力区域增大。采用回火双脉冲电流时的焊接残余应力与软规范时基本相同。

3点焊接头组织与性能的实验研究

3.1实验内容与方法

实验用201钢板的试件尺寸为150×30×1.5mm，焊前，对试件进行打磨处理。点焊在YR-350CM 2 HGE型固定式点焊机上进行，采用水冷铜合金锥形电极，端面直径6mm，上部直径16mm。焊接过程中保持电极压力5000N不变，焊接规范与模拟时完全一致。

焊后对各类点焊接头进行了金相组织与力学性能实验。以5%的FeC l3和浓度为30%的HCl混合溶液作为腐蚀剂制备焊点轴截面试样，用XJP-6A型金相显微镜观察点焊接头显微组织。在MH-3型显微硬度仪上测量熔核内、外的显微硬度分布，压头载荷50g，维持10s，测点位置如图3所示。接头拉剪实验在数控液压机上进行，每类规范各取四对拉剪试样，取其平均值。

3.2熔核显微组织

实验结果表明，以一次电流脉冲为基本特征的三种规范所获得的接头组织基本相同，熔核中全部由柱状晶组成，至贴合面柱状晶的对合面也未发现等轴晶。在熔核外围存在一个环状细等轴晶区，其竖直方向（沿电极轴线方向）宽度约200μm，而水平方向宽度不足100μm。该环状区域便是点焊热影响区，又称塑性环。

图4为普通规范与双脉冲规范下熔核的显微组织。观察a、b两图，可以看到有许多与柱状晶生长方向近乎垂直的黑色条纹，分析认为是在熔核冷却过程中，已经凝固的枝晶受电极压力的作用发生了横向切变滑移，黑色条纹应当是比较集中的滑移带。C、d为双脉冲规范下熔核中心及边缘的显微组织，不难看出，二次电流脉冲对熔核外围塑性环的大小几乎没有影响，熔核中的黑色条纹几乎完全消失，取而代之的是柱状枝晶间出现了许多细小的等轴晶，尤其在熔核端部，柱状晶几乎完全消失，呈现出均匀、细小的等轴晶粒。这是由于在二次电流脉冲加热时，这些部位被加热到再结晶温度以上，之前在熔核内部储存的塑性变形功促进了再结晶形核，使晶粒细化。熔核端部的塑性变形程度较大且温度梯度相对较小，因此再结晶程度充分且再结晶区域较宽。

3.3接头显微硬度分布

图5是四种规范下接头显微硬度分布曲线，由图可以看出：

（1）四条曲线都是在两个相同部位出现了硬度峰值，一处发生在熔核近轴线部位，一处发生在熔核与塑性环的交界部位。

（2）点焊规范的软硬对接头显微硬度具有一定影响，硬规范下熔核中的显微硬度较高，普通规范次之，软规范最低。

（3）经过二次电流脉冲后，熔核中心及端部由于回火再结晶显微硬度出现不同程度的降低，但对于塑性环区域的显微硬度影响不大。

3.4接头拉剪实验

拉剪断裂载荷及断裂方式见表3。拉剪强度以软规范最小、普通规范次之，硬规范稍大，双脉冲最大。断裂方式分为两种，软规范下沿贴合面断裂，其他三种规范均沿母材撕裂。硬规范所焊的接头撕开后发现板间的喷溅物最多，因此只要设备条件许可，选用普通规范电流双脉冲时点焊效果最为理想。部分拉剪断裂试样见图6。

4结论

本文分别采用数值模拟方法及实验方法，对不同点焊参数下的201不锈钢点焊接头质量进行了综合分析，得出以下结论：

（1）软、硬不同的点焊规范下，焊接区温度场、残余应力场的分布规律相似，其中硬规范下对应的温度梯度和残余应力峰值较高。

（2）单脉冲点焊时，熔核组织为粗大的柱状晶，熔核中存在大量因压溃塑变而形成的滑移带。采用回火电流双脉冲点焊时，熔核中高于再结晶温度的区域形成细小的等轴晶，使接头性能得到优化。

（3）201不锈钢的点焊工艺性能良好，具有较宽的规范参数选择范围。其中普通规范电流双脉冲条件下，接头综合力学性能最好，硬规范次之，软规范最差。

（4）实验与模拟所得的规律一致，所得数据基本吻合，验证了模拟方法的合理性及模拟结果的准确性。