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摘 要：本文采用微电阻点焊对厚度0.3mm的镀镍钢片进行了连接,利用光学显微镜，电子精密拉伸机等分析测试手段，研究了焊接电流、电极压力和焊接时间对焊接接头成形及组织性能的影响。研究结果表明，当焊接电流为2.3kA、电极压力为160N、焊接时间为3cyc时，接头成形良好，抗剪切强度为552.1N，接头断裂形貌为“纽扣”状。焊接接头熔核区显微组织由粗大柱状晶构成，晶内析出针状铁素体及板条马氏体组织，焊接接头显微硬度高于母材。
1前言
近几年来，世界各国政府及汽车、电力、能源等产业部门极为重视燃料电池科技的发展，燃料电池技术研发不断突破，并加速产业化的进程[1-3]。随着电池行业的发展，电池的壳体材料选择成为关键问题。镀镍钢片以优异的综合力学性能和加工性能，并且有着优良的耐腐蚀性，是目前广泛应用的电池壳体材料[4,5]。微电阻焊是利用电流通过工件接触面产生的电阻热进行焊接的方法[6]，作为一种重要的微连接技术，广泛应用于微电子、MEMS及生物医疗器械的制造中，如电池、PCB 板互连、继电器、传感器和心脏起搏器等[7]。微电阻焊可控因素较多，稳定的焊接质量对工艺规范要求严格，对于带有镀层的同种材料点焊，镀层参与熔核金属的冶金反应，因此合适的工艺参数对接头的影响较大。电池壳体常用的技术有钎焊、微激光焊、微电阻焊等。钎焊加热速度慢，过多的热输入会破坏电池内部的结构，造成短路，一般不采用钎焊；微激光搭接, 焊点小，影响导电性能；采用微电阻焊接技术，能够满足接头导电性好，抗腐蚀，可靠性高的要求，因此被广泛采用[2,3]。但该方面的研究还很少，壳体点焊接头高温腐蚀行为的研究报道[3]，对高熔点镀层钢板的微电阻点焊还在摸索，镀层材料却使得微电阻点焊过程复杂化，本文对厚度为0.3mm镀镍钢片的微电阻点焊试验，观察接头横截面形貌，研究接头微观组织及性能，分析各工艺参数对接头的影响。
2 试验条件及方法
试验采用经过轧制的镀镍钢片，厚度为0.3mm，进行点焊。将试样的侧面用W20金相砂纸打磨，除去试样毛刺。用丙酮擦拭试样表面并吹干，去除表面的油污。
焊接设备为日本MIYACHI公司的MEA-100A交流微电阻焊机，可控制的的参数有焊接电流、预加压力、焊接时间和电极直径。实验过程中采用的电极直径不变，改变焊接电流、预加压力和焊接时间研究接头性能的变化。
焊后沿接头中心截取横截面，采用4XB-TV倒置金相显微镜观察焊接接头不同区域横截面宏观形貌和金相组织，接头采用4%硝酸溶液腐蚀；采用INSTRON5543型材料试验机测试最大静载荷；采用WT-401MVD型数显显微硬度计测量横截面上的显微硬度。结合焊缝形貌、金相组织、最大静载荷和接头硬度分析点焊接头的性能。
3 实验结果及分析
3.1 工艺参数对接头横截面形貌的影响
焊前通过预试验，采用不同的工艺参数对试样进行搭接试验，每组准备三个试样（25mm×5mm×0.3mm）, 测得最大静载荷取其平均值，通过对比确定焊接的最佳参数范围，通过金相组织、最大静载荷和接头的硬度，来获得良好的工艺参数。
通过试样宏观金相图发现，当电极压力和焊接时间一定的情况下，焊接电流对接头的影响如图1所示， （图片） 焊接电流（2.1~2.4kA）增加，电流密度变大，热输入大，点焊过程中材料能够较好的熔合，抑止缺陷的产生；电流过小，加热不足，造成未熔核；电流过大（>2.5kA）会粘损电极，焊接过程造成材料的烧损和喷溅，焊接熔合区变大，导致接头的拉剪力变差。当焊接电流和焊接时间不变的情况下，电极压力对接头的影响也很明显，如图2所示，焊接压力过小，材料的接触面变小，局部受热不均匀，易产生缩孔，缩孔会成为裂纹源，导致裂纹的产生，影响接头拉剪强度；电极压力过大，压痕较深，熔核半径变大，接头的拉剪力减小。焊接加热时间与焊接电流作用相似，焊接时间过长导致晶粒变大，影响接头强度。（图片） 微电阻焊过程中焊接电流、电极压力、焊接时间对接头的影响很大，通过优化实验获得最佳参数，I=2.3kA、F=160N、t=3cyc
3.2 接头的显微组织
图3为低倍显微镜下焊接接头的显微组织，接头成形良好，微电阻焊焊接镀镍钢片焊缝无明显缺陷，焊核内部以柱状晶为主，交错排列；固态金属因加热而膨胀，在电极压力的作用下金属产生塑性变形并挤向板缝，导致了板缝发生翘离，并未影响接头力学性能；焊核和热影响区之间有明显的塑性环包围焊核。（图片） 母材的微观组织如图4a，试验材料经过轧制处理，以块状的铁素体基体晶粒为主，晶粒之间有明显的界线, 块状铁素体晶粒上有细小的碳化物分布，晶粒沿着轧制方向伸长；图4b为熔合区附近的焊缝及热影响区，电极通电停止，液态金属开始冷却结晶，熔合线处液态金属首先处于过冷，以半熔化状态的晶粒为现成表面，大量的形核, 以树枝晶形式沿着与散热相反的方向向熔核中心生长，树枝晶一直延伸到彼此相遇为止，形成板间的接触面，此过程塑性环伴随着熔核不断长大。由于焊件为超薄材料散热速度快，熔核中心无等轴晶粒产生；图4c为熔核中心位置处组织，从图中可以看出，熔核中粗大柱状晶相互交错分布，晶内有针状铁素体及板条状马氏体组织。（图片） 3.3接头的力学性能
选取成性较好的试样3块，取其平均值来评价试样的拉剪性能。0.3mm镀镍钢片微电阻点焊接头力学性能试验数据见附表。（图片） 拉剪试验断裂部位大都在热影响区，接头的拉剪断裂形式沿焊点周围“钮扣”状撕裂，焊核未变形，如图5所示，试样接头强度的因素分析：快速冷却过程中，接头的组织发生变化, 马氏体出现对接头的抗拉强度起到强化作用；而在熔核区中有结合线的伸入，点焊熔合区附近金属的塑性差，在冷却结晶过程中由于晶粒的尺寸过渡较快，接头受载时应力集中，形成断裂裂纹，脆性破坏的发源地。熔核边缘抵抗拉剪力小，易形成裂纹源，随着拉剪力的增加裂纹会沿结合线处扩展，熔合线附近组织的分布不均匀, 晶体取向不同，导致接头的断裂。（图片） 图6显示的接头的硬度曲线图，从图中可以看出，整体的硬度相差很明显，母材的硬度明显低于熔核区，通过熔核区及母材之间的组织可知，微电阻焊熔核区的组织，沿柱状晶界生长伸入晶内的针状铁素体及板条状马氏体；同时由于镀层镍对熔池的冶金过程有一定的影响，细化焊缝金相组织，增大针状铁素体与先共析铁素体的体积量比，改善了接头显微硬度，从而导致了熔核区硬度显著提高，同时降低冷脆转变温度，提高接头的韧性；在熔核中心处硬度曲线有所下降, 对应一个相对低值，这主要归结于冷却结晶过程中熔核中心过冷度小，马氏体的含量相对减小，因此硬度有明显的降低；离熔核近受温度的影响大, 热影响区附近硬度逐渐升高，主要是在冷却过程中碳化物小颗粒起到第二相强化作用及靠近熔合线上组织的变化，使该区硬度增加；而母材晶粒粗大，以块状铁素体为基体，硬度偏低。（图片） 4结束语
4.1 采用微电阻焊对0.3mm镀镍钢片进行点焊时，其最优工艺参数是焊接电流2.3kA、焊接压力160N、焊接时间3cyc时，此时焊接接头获得最大的承载力。
4.2 工艺参数对接头力学性能的影响规律：焊接电流影响最大，焊接压力次之，焊接时间最小。
4.3 熔核以粗大的柱状晶为主，晶内出现针状铁素体及板条马氏体，母材以块状的铁素体为基体，从母材到熔核的硬度逐渐增加；熔合区附近金属的塑性差，接头受载时应力集中，易形成断裂裂纹，导致接头的拉剪力减小。
参考文献
[1] Tucker, Michael C. Progress in metal-supported solid oxide fuel cells: A review[J]. Journal of Power Sources, 2010, 195(15): 4570～4582
[2] Subhash, C.Singhal, Kevin主编. 韩敏芳,蒋先锋 译. 高温固体氧化物燃料电池——原理、设计和应用[M]. 北京: 化学工业出版社, 2004.
[3] 衣宝廉. 燃料电池—高效、环境友好的发电方式[M]. 北京: 化学工业出版社, 2000.
[4] 李超群,李新海,王志兴等.镀镍钢带和冲孔钢带在电池中的应用[J].电源技术,2008,32(1).
[5] 唐甜,潘勇,周益春. 碱锰电池钢壳用镀镍钢带的力学和耐腐蚀性能[J].电池,2005,35(5);380~381.
[6] O, Brien R. L. Welding handbook[M]. NY: American. Welding. Society,1991.
[7] ZhouY. Microjoining. and. Nanojoining[M]. cambridge. wordhead publishing Limited.
6/25/2012
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