和大多数工程金属材料一样,中频逆变精密点焊机焊接所使用的板材已非最初的铸造结构。通过冷/热加工改性,如轧制和热处理,金属板材的结构与冶炼后的凝固结构有很大区别。在材料改性的过程中,可以通过冷加工、回火或再结晶来细化晶粒,而结构的均匀化则可通过固溶退火或淬火再回火得以实现。然而,这样的加工过程很难在焊接中实现,尤其是在电阻焊中,因为熔化和凝固均在极短的时间内发生在两块板材之间。通过调整焊接参数,如改变断电后电极的夹持时间和后加热时间,可在一定程度上改变焊件的微观结构。但由于焊接过程中焊接部位的陡峭的温度梯度、极高的冷却速度,以及非常短的操作时间,上述的处理过程与可控的基材热处理工艺没有可比性。

　　因此,精密点焊机焊出来的焊点在微观结构和材料性质方面通常不如基材。焊接中,液态焊核的凝固过程与金属铸造过程类似,也包括两个阶段:固相成核及随后的晶体生长。它的结晶过程是通过基材和电极的热传导来控制的。除了基材的合金成分,散热方向和冷却速度也决定着结晶的类型、大小和所形成的晶体的取向。在液态焊核的凝固过程中,析出晶体的合金成分与原合金成分相比会发生变化。对一个液态焊核来说,切断电流以后,它经历了一个非常快的冷却过程。它阻碍了各种元素在已经成核的固体和残余液体中及在它们之间的扩散。这种效应及多数元素在固态和液态下溶解度的差异,通过微观偏析的过程,产生了一些元素分布上的尖锐梯度。晶体核心层与外层之间的成分差异随着相图中液相线和固相线之间距离的增加而变大,随着凝固时的扩散速度及凝固时间的增加而变小。除了在晶体尺度范围发生的微观偏析,凝固过程中固-液相界面的推进也会导致剩余的合金元素熔化物的浓度富集。主要在焊核的中心附近会有一些合金元素形成熔融温度较低的共晶体,在焊核温度冷却至低于其基材的合金固相线但高于共晶的熔融温度后,它们仍处于液态,如铝合金中的A-Cu、A|-Mg和 al-mg-si共晶体,以及某些化合物如钢材中的硫和磷的共晶体。由于固相和液相的溶解度不同,冷却过程中各种合金元素由固体向液体转移,导致了合金元素的分布不均匀。在合金元素浓度比较高的地方,如晶界,这样的高浓度有效地降低了液态化合物的凝固温度,使得这部分液体成为最后凝固的部分。固体晶粒之间的液态金属没有机械强度,因此这种结构可能会在两种情况下被撕开,一种是当它受到外部拉伸载荷时,另一种是在热应力的作用下。后一种的过程与熔焊中热应力导致的裂纹相似。如果采用合适的电极和焊接工艺参数,冷却过程中电极的压力可以有效地防止拉伸应力的产生。因此,上述晶粒裂化现象在电阻焊中并不常见焊核凝固以后,可能会发生固体相变,使得焊点的显微组织形态发生变化,结果可能与刚凝固的结构完全不同。例如,焊接某些钢材时有可能发生马氏体相变,从而产生比液体凝固时形成的奥氏体更复杂的结构。

　　各种晶体(树突、球状、蜂窝晶体)的形成,是由液固界面处的金属成分和热传导控制的。当液态焊核温度达到合金液相温度时凝固便开始了,此时液体内会产生净热损失,即液体的散热量大于被其吸收的热量。在焊接过程中,水冷下的电极起到类似于一个大型散热器的作用。同时,一部分热量通过液态焊核周边的基材金属散发掉。对焊接材料的冶金和热力学性质及铸造过程的了解有助于对焊接中焊点的凝固过程的理解。点焊焊核的凝固始于焊核内靠近热影响区( heat-affected zone,HAZ)的部分熔化或“糊状”区域内的固体晶粒。进一步冷却使柱状晶粒长大,其长大的方向大致垂直于熔融线,同时固-液界面向焊核中心移动。当液体体积随着凝固的持续进行而逐渐变小时,焊核中心部分的剩余熔融金属最后凝固并形成等轴晶粒。在此过程中如果产生收缩裂纹或孔洞,则常分布于最后凝固的焊核中心部位。焊核的最终凝固结构很大程度上取决于焊接工艺流程和其他相关条件的影响。图1.1显示了一个相变诱发塑性( transformation induced plasticity,TRIP)钢的焊点。这个认真制造出来的焊点清晰而明确地显示了HAZ的结构和焊核内的柱状结构图1.1一个780 Mpa TRIP钢的焊点。

　　图中的等距白点是在显微硬度试验中形成的压痕。最后凝固的液体通常靠近板材的原始接合面,此时的体积不足容易造成裂纹或孔洞。一般来说,凝固过程中液态金属的体积不足是因施加在焊件上的电极压力不足、熔融金属的量不足,以及过快的冷却速度造成的。大的电极压力可有效弥补焊件在冷却过程中的体积收缩,从而抑制孔洞或裂纹的形成。由较低的焊接电流和或较短的焊接时间引起的加热不足,可能导致较小的熔融金属体积和比较高的冷却速度。在这种情况下,如果施加的电极压力不足,则容易形成孔洞和裂纹。这一点可以清楚地从图看出。一个焊点呈现了沿板材原始界面的开裂,并从它的断裂面上可以清晰地看到由于自由凝固而产生的宏观收缩孔洞。沿着这个由最后凝固的液体形成的大孔洞的周围,可以观察到它的表面有冷却(凝固)过程中形成的且在样品制备过程中完好无损的枝状晶体。由液态金属体积缺乏导致的孔洞边界附近的开口可能是由机械力产生的。中的白框显示了富含锌的枝晶,其中的锌可能来自镀锌双相钢板的镀层,这也是焊核熔化不充分的证据。

　　当精密点焊电极冷却受阻,如因电极偏差或电极磨损导致电极与工件实际接触面积变小时部分热量会通过金属板传导出去。因此,最后部分的液态的凝固发生在沿着厚度方向的焊核的中心。由于这部分液体的体积较小,还经常伴有体积缺失,所以在焊核中心附近沿着电极轴线常会形成裂纹和空隙。由于这些处于焊核中心的缺陷远离靠近原始板材交界面的HAZ,它们对焊点强度的影响会很小。不过,这类裂纹常以分叉的方式从焊核中心扩展至焊核边缘。

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