電阻點焊電動機支架斷裂失效分析
引言
隨著航空航天、電子、汽車、家用電器等工業的發展，電阻焊越加受到廣泛的重視。同時，對電阻焊的質量也提出了更高的要求[1]。然而，目前還缺乏可靠的無損檢測方法，焊接質量只能靠工藝試樣和工件的破壞性試驗來檢查。本文針對具有普遍性的電阻點焊連接中出現的斷裂現象進行分析。
電阻點焊的優點是成本低，操作簡單，易于實現機械化和自動化，缺點是對氣密性要求不高，容易出現氣孔，電流過低時容易產生未焊透的現象，電流過大時容易造成材料脆性斷裂[2]。
本文所用的破壞性試驗方法是高頻振動試驗，其目的在于確定所設計、制造的機器、構件在運輸和使用過程中承受外來振動或者自身產生的振動而不至破壞，并發揮其性能、達到預定壽命的可靠性。試驗通過對類似結構（螺母和板材連接）進行高頻振動達到支架斷裂，并對斷裂原因進行說明分析。
1 試驗過程
本文所用的材料是Q235 鋼，焊接螺母厚6-7mm，連接板材厚2.5mm，采用電阻點焊連接方法。對采用電阻點焊連接的電動機支架高頻振動破壞試樣進行了失效分析。通過對焊接材料成分分析、斷口形貌分析、微觀金相組織分析，找出固定電動機支架發生斷裂的原因，以提高電動機使用過程中的安全性。
1.1 試樣成分分析
固定電動機的支架和螺母的材料為Q235 鋼，屬于碳素結構鋼，易于冶煉，價格低廉，性能基本滿足一般工程結構要求。通常以熱軋空冷狀態供應，其塑性好，焊接性能好，使用狀態下的組織為鐵素體加珠光體。成分分析如表2.1 所示，碳素結構鋼中常含有五種元素：C、Si、S、P、Mn，其中錳含量≤1.0%，硅含量≤0.5%，硫含量和磷含量各≤1.0%[3]。
1.2 斷口宏觀形貌分析
進行斷口宏觀形貌分析的目的是為了根據裂紋擴展區的微觀形貌特征來判斷其金屬材料斷裂源的位置、裂紋的擴展方向和斷裂斷口的斷裂性質，以分析造成斷裂的原因。斷裂斷口的宏觀形貌和標注如所示。
由可以看到斷口的形貌，發生斷裂時斷口無明顯塑性變形，為脆性斷裂。根據疲勞斷裂理論，疲勞裂紋穩定擴展區最突出的形貌特征是疲勞紋的存在。從中可以看出，斷口處有明顯的疲勞紋存在，而且以疲勞源為中心，疲勞紋不斷向外擴散，且疲勞紋間距離不等。由中可見斷裂分為三部分：疲勞源、平滑區及瞬斷區。疲勞源的位置在螺母與板材焊點的板材處；沿疲勞源的板材厚度方向為疲勞的平滑區，此區包括疲勞裂紋的萌生及擴展(即在疲勞裂紋擴展前期，裂紋擴展的速度很小，產生微觀的疲勞條紋；而在裂紋擴展的后期，裂紋擴展速率較快，容易產生宏觀可見的疲勞線)；沿平滑區的板材厚度方向為瞬斷區，此區有撕裂的痕跡，邊緣為解切唇疲勞；斷口中平滑區與瞬斷區之間的區稱之為疲勞過渡區，斷口的粗糙程度也介于平滑區與瞬斷區之間[4]。
1.3 試樣微觀組織分析
對試樣進行磨制和拋光后，用4%硝酸酒精進行腐蝕。然后在光學顯微鏡下，觀察試樣不同放大倍數的微觀組織。
通過可以看出，焊點外側未形成良好的弧形焊接表面，呈現整齊的銳角。
并且在焊接板材和螺母外側受熱受壓變形后，焊接板材與螺母接觸邊緣有翹曲開口，產生了應力集中[5]。
而且，焊接接頭的熱影響區范圍大，容易出現晶粒度粗大組織，影響焊接接頭的性能。
故在高頻振動試驗中，這種已存在焊接應力集中的熱影響區附近區域，極易造成斷裂。
通過（a）、（b）可明顯的看出，焊縫均存在未焊透、未熔合情況。焊縫區域存在明顯的連接交線，熔合不徹底，而且焊接接頭的實際熔合長度占整條焊縫的比例較小。左側試樣在焊縫左側有未焊透部分，未熔合部分占大部分，完全熔合部分約1/3。右側試樣在焊縫兩側為未焊透部分，未熔合部分占大部分，完全熔合部分約1/5。
�。╝）中1 表示鐵素體，2 表示少量珠光體。從本圖可以看出，焊接母材的晶粒均勻，組織分布均勻，以鐵素體為主，珠光體少量彌散分布鐵素體晶界處。對于Q235 焊接材料來說，這種金相組織是符合GB/T700-1988 使用標準的。（b）中1 表示鐵素體。本圖中焊接接頭熱影響區內組織分布都不均勻。由于珠光體中的鐵素體依附在已存在的先共析鐵素體上生長，使得鐵素體晶粒度明顯增大。焊接接頭冷卻后奧氏體轉化珠光體的成分明顯增多。這成為整個焊接接頭薄弱區。
2 試驗分析
（1）電阻點焊過程中，焊接接頭受電極壓力作用，在熱狀態下產生塑性變形，焊接板材與螺母接觸邊緣有翹曲微裂口。說明焊接壓力過大，造成成型過程中不必要的變形，容易引起應力集中，成為疲勞斷裂的起因。
�。�2）由于焊接過程中熱循環的性質，焊縫本身就存在嚴重的化學和物理不均勻性，焊接熱影響區范圍大，且組織晶粒度粗大。同時在焊接接頭兩側存在未焊透和未熔合部分[6]。說明焊接規范存在焊接時間長，焊接電流小的問題。而且，螺母與板材的連接不同于板材與板材的連接，容易在焊接連接部位產生焊接電流分布不均情況，影響焊接熱影響區。
3 結論
通過對電阻點焊電動機支架斷裂失效進行初步分析，本文得到以下結論：
�。�1）斷口宏觀形貌分析表明斷裂形式為疲勞斷裂。
�。�2）由于焊接接頭兩側翹曲微裂口的存在，造成應力集中，成為疲勞斷裂的起因。因此，要在滿足焊接規范要求的情況下，減小需要施加的焊接壓力。
（3）焊接接頭中存在未焊透和未熔合部分，加快應力集中，加劇疲勞斷裂過程，不能滿足高頻振動試驗安全性要求。因此，滿足焊接接頭良好連接和熱影響區良好性能的情況下，增加焊接電流，減小焊接時間。
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[參考文獻] (References)
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[3] 崔忠圻．金屬學與熱處理原理[M]．哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2004．
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