电阻点焊电动机支架断裂失效分析

电阻点焊电动机支架断裂失效分析

引言
　　
　　随着航空航天、电子、汽车、家用电器等工业的发展，电阻焊越加受到广泛的重视。同时，对电阻焊的质量也提出了更高的要求[1]。然而，目前还缺乏可靠的无损检测方法，焊接质量只能靠工艺试样和工件的破坏性试验来检查。本文针对具有普遍性的电阻点焊连接中出现的断裂现象进行分析。
　　电阻点焊的优点是成本低，操作简单，易于实现机械化和自动化，缺点是对气密性要求不高，容易出现气孔，电流过低时容易产生未焊透的现象，电流过大时容易造成材料脆性断裂[2]。
　　本文所用的破坏性试验方法是高频振动试验，其目的在于确定所设计、制造的机器、构件在运输和使用过程中承受外来振动或者自身产生的振动而不至破坏，并发挥其性能、达到预定寿命的可靠性。试验通过对类似结构（螺母和板材连接）进行高频振动达到支架断裂，并对断裂原因进行说明分析。
　　
　　1 试验过程
　　
　　本文所用的材料是Q235 钢，焊接螺母厚6-7mm，连接板材厚2.5mm，采用电阻点焊连接方法。对采用电阻点焊连接的电动机支架高频振动破坏试样进行了失效分析。通过对焊接材料成分分析、断口形貌分析、微观金相组织分析，找出固定电动机支架发生断裂的原因，以提高电动机使用过程中的安全性。
　　
　　1.1 试样成分分析
　　固定电动机的支架和螺母的材料为Q235 钢，属于碳素结构钢，易于冶炼，价格低廉，性能基本满足一般工程结构要求。通常以热轧空冷状态供应，其塑性好，焊接性能好，使用状态下的组织为铁素体加珠光体。成分分析如表2.1 所示，碳素结构钢中常含有五种元素：C、Si、S、P、Mn，其中锰含量≤1.0%，硅含量≤0.5%，硫含量和磷含量各≤1.0%[3]。
　　
　　1.2 断口宏观形貌分析
　　进行断口宏观形貌分析的目的是为了根据裂纹扩展区的微观形貌特征来判断其金属材料断裂源的位置、裂纹的扩展方向和断裂断口的断裂性质，以分析造成断裂的原因。断裂断口的宏观形貌和标注如所示。
　　由可以看到断口的形貌，发生断裂时断口无明显塑性变形，为脆性断裂。根据疲劳断裂理论，疲劳裂纹稳定扩展区最突出的形貌特征是疲劳纹的存在。从中可以看出，断口处有明显的疲劳纹存在，而且以疲劳源为中心，疲劳纹不断向外扩散，且疲劳纹间距离不等。由中可见断裂分为三部分：疲劳源、平滑区及瞬断区。疲劳源的位置在螺母与板材焊点的板材处；沿疲劳源的板材厚度方向为疲劳的平滑区，此区包括疲劳裂纹的萌生及扩展(即在疲劳裂纹扩展前期，裂纹扩展的速度很小，产生微观的疲劳条纹；而在裂纹扩展的后期，裂纹扩展速率较快，容易产生宏观可见的疲劳线)；沿平滑区的板材厚度方向为瞬断区，此区有撕裂的痕迹，边缘为解切唇疲劳；断口中平滑区与瞬断区之间的区称之为疲劳过渡区，断口的粗糙程度也介于平滑区与瞬断区之间[4]。
　　
　　1.3 试样微观组织分析
　　对试样进行磨制和抛光后，用4%硝酸酒精进行腐蚀。然后在光学显微镜下，观察试样不同放大倍数的微观组织。
　　通过可以看出，焊点外侧未形成良好的弧形焊接表面，呈现整齐的锐角。
　　并且在焊接板材和螺母外侧受热受压变形后，焊接板材与螺母接触边缘有翘曲开口，产生了应力集中[5]。
　　而且，焊接接头的热影响区范围大，容易出现晶粒度粗大组织，影响焊接接头的性能。
　　故在高频振动试验中，这种已存在焊接应力集中的热影响区附近区域，极易造成断裂。
　　通过（a）、（b）可明显的看出，焊缝均存在未焊透、未熔合情况。焊缝区域存在明显的连接交线，熔合不彻底，而且焊接接头的实际熔合长度占整条焊缝的比例较小。左侧试样在焊缝左侧有未焊透部分，未熔合部分占大部分，完全熔合部分约1/3。右侧试样在焊缝两侧为未焊透部分，未熔合部分占大部分，完全熔合部分约1/5。
　　（a）中1 表示铁素体，2 表示少量珠光体。从本图可以看出，焊接母材的晶粒均匀，组织分布均匀，以铁素体为主，珠光体少量弥散分布铁素体晶界处。对于Q235 焊接材料来说，这种金相组织是符合GB/T700-1988 使用标准的。（b）中1 表示铁素体。本图中焊接接头热影响区内组织分布都不均匀。由于珠光体中的铁素体依附在已存在的先共析铁素体上生长，使得铁素体晶粒度明显增大。焊接接头冷却后奥氏体转化珠光体的成分明显增多。这成为整个焊接接头薄弱区。
　　
　　2 试验分析
　　
　　（1）电阻点焊过程中，焊接接头受电极压力作用，在热状态下产生塑性变形，焊接板材与螺母接触边缘有翘曲微裂口。说明焊接压力过大，造成成型过程中不必要的变形，容易引起应力集中，成为疲劳断裂的起因。
　　（2）由于焊接过程中热循环的性质，焊缝本身就存在严重的化学和物理不均匀性，焊接热影响区范围大，且组织晶粒度粗大。同时在焊接接头两侧存在未焊透和未熔合部分[6]。说明焊接规范存在焊接时间长，焊接电流小的问题。而且，螺母与板材的连接不同于板材与板材的连接，容易在焊接连接部位产生焊接电流分布不均情况，影响焊接热影响区。
　　
　　3 结论
　　
　　通过对电阻点焊电动机支架断裂失效进行初步分析，本文得到以下结论：
　　（1）断口宏观形貌分析表明断裂形式为疲劳断裂。
　　（2）由于焊接接头两侧翘曲微裂口的存在，造成应力集中，成为疲劳断裂的起因。因此，要在满足焊接规范要求的情况下，减小需要施加的焊接压力。
　　（3）焊接接头中存在未焊透和未熔合部分，加快应力集中，加剧疲劳断裂过程，不能满足高频振动试验安全性要求。因此，满足焊接接头良好连接和热影响区良好性能的情况下，增加焊接电流，减小焊接时间。

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　　[参考文献] (References)
　　[1] 田锡唐．焊接结构[M]．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1992．
　　[2] 赵熹华，冯吉才．压焊方法及设备[M]．北京：机械工业出版社，2005．
　　[3] 崔忠圻．金属学与热处理原理[M]．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2004．
　　[4] 张文钺．焊接冶金学[M]．北京：机械工业出版社，1999．
　　[5] 朱正行．电阻焊技术[M]．北京：机械工业出版社，2001．
　　[6] 陈金德，邢建东．材料成形技术基础[M] ．北京：机械工业出版社，2000．

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