轉向架用SMA490BW耐候鋼超射流過渡焊接工藝試驗

張世欣 ，汪 認 ，謝 旭 ，楊 蔚 ，史春元

（1.南車青島四方機車車輛股份有限公司技術工程部，山東青島266111；2.大連交通大學材料科學與工程學院，遼寧大連116028）

轉向架用SMA490BW耐候鋼超射流過渡焊接工藝試驗

張世欣1，汪 認1，謝 旭2，楊 蔚2，史春元2

（1.南車青島四方機車車輛股份有限公司技術工程部，山東青島266111；2.大連交通大學材料科學與工程學院，遼寧大連116028）

采用超射流過渡焊接工藝模式，分別對轉向架用SMA490BW鋼對接接頭和T型接頭的底層焊道進行焊接工藝參數優化試驗，并研究焊接接頭的微觀組織和力學性能。結果表明：在其他焊接工藝條件不變的情況下，當對接接頭底層焊道的電流290 A、電壓27.8 V、焊速9.4 mm/s和鈍邊0.5 mm時，T型接頭底層焊道的電流280 A、電壓27.2 V、焊速6 mm/s和坡口角度50°時，可獲得較為理想的焊縫成形。與傳統的脈沖MAG焊接工藝相比，超射流過渡MAG焊接工藝的熔深能力更大，焊接接頭的屈服強度、抗拉強度和延伸率有所提高，符合焊接工藝評定試驗標準的要求。

12CrMoV；焊接；缺陷；氣孔

0 前言

SMA490BW耐候鋼具有較高的強度、塑性和韌性以及良好的耐大氣腐蝕性能，專門用于制造高速動車組轉向架焊接構架[1]。由于焊接構架的結構較為復雜，有些焊縫受到操作空間的限制只能實施單面焊接，并且要求底層焊道必須完全熔透。而目前構架焊接主要采用傳統的脈沖MAG焊接工藝，在焊接熱輸入量不宜增大的情況下，該焊接工藝的熔深能力有限[2]。

法國SAF公司推出的DIGIPULSⅡ全數字式逆變脈沖氣保護焊機不僅配有傳統的脈沖MAG焊接工藝焊接模式，還擁有超射流過渡MAG焊接工藝模式。與傳統工藝相比，超射流過渡MAG焊接過程中因脈沖峰值電流持續時間長，形成較大的電弧力作用于熔池表面，使熔池表面下凹，有利于電弧熱量傳遞到熔池底部，同時大峰值電流產生的熱量較高，使熔滴更容易過渡到熔池底部，增大熔深[3-4]。

本研究以焊接構架用SMA490BW鋼板對接、T型接頭形式為例，采用正交試驗法進行超射流過渡MAG焊接工藝參數優化試驗，并評定焊接接頭的力學性能[5-6]，為超射流過渡MAG焊接工藝在轉向架焊接構架制造中的應用提供實驗依據。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

材料為動車組轉向架用12 mm厚SMA490BW鋼板材，其化學成分及力學性能如表1所示。選用法國SAF公司生產的DIGIPULSⅡ焊機。選用CHW-55CNH 實心焊絲（φ1.2 mm），保護氣體為 φ（Ar）80%+φ（CO2）20%，氣體流量 22 L/min。

表1 SMA490BW鋼化學成分及力學性能Table 1 Chemical composition and mechanical properties of SMA490BW steel

1.2 試驗方法

1.2.1 正交試驗設計

焊接電流、電弧電壓（弧長）、焊接速度、鈍邊尺寸以及坡口角度對焊縫熔深的影響較大，因此選取其中4個因素為研究對象。對接接頭選擇電流、電壓、焊速和鈍邊4個影響因素，坡口60°，間隙為0；T型接頭選擇電流、電壓、焊速和坡口4個影響因素，鈍邊為0.5 mm，間隙為0。選用L9（34）正交表設計方案，共9次試驗。對接接頭和T型接頭的焊接工藝參數因素水平如表2所示。正交試驗設計的評定指標為焊縫熔深值[7]。

極差分析方法是利用數理統計方法計算出正交表中每列的極差R值來判斷影響因素的主次關系，尋找較優的水平組合。具體計算如下

式中 i為水平數；j為正交表中的列數，即因素數；r為某因素中相同水平重復試驗的次數；Kij為第j列第i水平的試驗平均值；Tij為正交表中第j列第i水平的試驗結果 yi之和；Kij（max）為第 j列中的最大的Kij值；Kij（min）為第j列中的最小的Kij值；Rj為第j列的極差值。

根據極差分析數據表可確定4種因素對焊接熔深影響的主次順序和各因素的優化水平，并確定最優焊接工藝參數組合。

表2 焊接工藝參數因素水平Table 2 Welding process parameter factor level

1.2.2 焊接接頭組織與力學性能試驗

在優化焊接工藝參數條件下，依據ISO15614-1：2004焊接工藝評定試驗標準對全熔透板材對接接頭進行組織和力學性能試驗。焊后試板均經過590℃±15℃/2 h去應力退火處理。

拉伸試驗參照ISO 4136：2001，彎曲試驗參照ISO 5173：2000，在WDW-300E電子萬能試驗機上進行拉伸和彎曲試驗。參照ISO 9016：2001在JB-300A型沖擊試驗機上進行沖擊試驗，選用德國蔡司SUPRA 55場發射掃描電子顯微鏡完成斷口分析。參照ISO 17639：2003，利用OLYMPUS-X51顯微鏡進行接頭微觀組織分析。

2 試驗結果和分析

2.1 焊接工藝參數試驗

極差分析結果如表3、表4所示。由表3可知，對接接頭4種因素對焊縫底層焊道熔深影響的主次順序為焊接電流、焊接速度、電弧電壓和鈍邊尺寸。各因素的優化水平分別為焊接電流I=290 A、電弧電壓U=27.8 V、焊接速度v=9.4 mm/s、鈍邊尺寸h=0.5 mm。由表4可知，T型接頭4種因素對焊縫底層焊道熔深影響的主次順序為焊接電流、焊接速度、電弧電壓和坡口角度。結合各因素的優化水平，選擇焊接電流I=280 A、電弧電壓U=27.2 V、焊接速度 v=6 mm/s、坡口角度 α=50°。

表3 對接接頭焊接參數正交試驗極差分析Table 3 Orthogonal test scale analysis of butt joint welding parameters

在底層焊工藝參數基礎上進行填充和蓋面焊，要求焊縫完全填充，對接接頭填充和蓋面焊選用電流250 A、電壓24.5 V、焊速5 mm/s，T型接頭填充和蓋面焊選用電流260 A、電壓26.5 V、焊速3.8 mm/s。底層焊對接接頭和T型接頭焊縫斷面形貌如圖1所示，焊縫與母材金屬之間熔合良好，無夾雜、氣孔、裂紋等缺陷。

2.2 焊接接頭組織和力學性能

2.2.1 宏觀形貌和微觀組織

焊接接頭宏觀形貌和顯微組織如圖2所示。可以看出，在超射流過渡MAG焊接工藝條件下，焊縫表面平滑，焊縫與母材之間及焊道之間熔合良好，未發現咬邊、裂紋、氣孔等焊接缺欠。與傳統脈沖MAG焊接工藝相比，采用超射流過渡MAG焊接工藝時，焊縫正面熔寬減小而背面熔寬增大（見圖2a），表明超射流過渡MAG焊接電弧的熔深能力更大。

兩種焊接工藝下接頭微觀組織相近。焊縫金相組織為柱狀結晶的鐵素體、針狀鐵素體和少量珠光體以及少量貝氏體；熔合區和HAZ過熱區組織為沿晶析出的塊狀先共析鐵素體、晶內細條狀鐵素體及少量貝氏體和珠光體，未發現粗大魏氏組織或其他脆性相（見圖 2b、2c、2d）。

表4 T型接頭焊接參數正交試驗極差分析Table 4 Orthogonal test scale analysis of T joint welding parameters

圖1 底層焊道斷面形貌Fig.1 Section morphology of the backing weld

2.2.2 力學性能

采用超射流過渡MAG焊接的SMA490BW耐候鋼接頭經（590±15）℃×2 h退火處理后進行準靜態橫向拉伸試驗，并與傳統脈沖MAG焊接的接頭進行對比，結果如表5所示。焊接接頭均斷裂在母材區，斷口附近存在明顯的塑性變形，呈典型的韌性斷裂特征。所有接頭的屈服強度、抗拉強度都符合規定（大于等于母材強度下限值），斷后延伸率也都滿足大于等于15%的要求。與傳統脈沖MAG焊相比，采用超射流過渡MAG焊接時，接頭的屈服強度、抗拉強度和延伸率均有所提高。所有接頭試樣經過180°側彎后均完好，未發生裂紋，符合規定要求。

采用超射流過渡MAG焊和傳統脈沖MAG焊的對接接頭的焊縫區和熱影響區經（590±15）℃×2 h退火處理后的沖擊試驗結果如表6所示。

由表6可知，隨著溫度的降低，焊縫區沖擊功逐漸減小，但在20～-40℃范圍內，焊縫沖擊功都超過規定的最小沖擊功27 J。與傳統脈沖MAG焊相比，采用超射流過渡MAG焊接頭焊縫區的沖擊功在20～0℃范圍內有所降低，但在-20～-40℃范圍內有所提高，并且沖擊數據的離散性減小。

圖2 對接接頭宏觀形貌和微觀組織Fig.2 Macrostructure and microstructure of the welding joint

表5 對接接頭室溫拉伸和彎曲試驗結果Table 5 Results of the tensile and bending test of the butt joint at room temperature

焊接熱影響區的沖擊功也隨著試驗溫度的降低而減小。當試驗溫度從20℃降至-40℃時，焊接熱影響區沖擊功仍超過標準規定的最低值27 J。與傳統脈沖MAG焊相比，超射流過渡MAG焊接頭的熱影響區沖擊韌性在20～-40℃范圍內均有所提高，尤其在-40℃時增加明顯。

在相同的試驗溫度條件下，焊接熱影響區的沖擊韌性高于焊縫。

超射流過渡MAG焊對接接頭焊縫區和熱影響區系列-40℃沖擊試驗后斷口微觀特征的SEM照片如圖3所示。由圖3可知，沖擊斷口呈準解理+韌窩狀態，而熱影響區斷口主要呈韌窩狀態，熱影響區的沖擊韌性優于焊縫。

表6 對接接頭系列沖擊功AkvTable 6 Impact energy of the butt joint Akv J

圖3 超射流過渡MAG焊對接接頭低溫沖擊斷口形貌Fig.3 Impact fracture appearance of the super-spray transfer MAG welding butt joint at low temprature

3 結論

（1）通過正交試驗優化了SMA490BW耐候鋼超射流過渡MAG焊接工藝參數，并獲得對接接頭和T型接頭的焊接工藝參數。

（2）在超射流過渡MAG焊接條件下，選用CHW-55CNH（φ1.2 mm）焊絲并配以 φ（Ar）80%+φ（CO2）20%保護氣體焊接的SMA490BW鋼對接接頭經590℃±15℃/2 h退火處理后，其強度、塑性、沖擊韌性等力學性能均符合標準的要求。與傳統脈沖MAG焊相比，超射流過渡MAG焊接頭的屈服強度、抗拉強度以及延伸率均有所提高。

（3）采用超射流過渡MAG焊接SMA490BW鋼對接接頭和T型接頭，焊縫表面平滑，焊縫與母材之間及焊道之間熔合良好，未發現咬邊、裂紋、氣孔等焊接缺欠。與傳統脈沖MAG焊接工藝相比，超射流過渡MAG焊接工藝的熔深能力更大。

[1]李丹丹，張志毅，史春元.多次補焊對SMA490BW鋼焊接過熱區沖擊性能的影響[J].熱加工工藝，2011，40（17）：161-166.

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[5]束德林.工程材料力學性能[M].北京：機械工業出版社，2007.

[6]劉會杰.焊接冶金與焊接性[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2012.

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Investigation of super-spray transfer welding technology of SMA490BW weathering steel for bogie

ZHANG Shixin1，WANG Ren1，XIE Xu2，YANG Wei2，SHI Chunyuan2
（1.Department of Technology Engineering，CSR Qingdao Sifang Locomotive and Rolling Stock Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China；2.Institute of Material science and Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China）

Taking the pattern of super-spray transfer welding technology，the welding parameter optimization tests are carried out respectively to the backing welds of SMA490BW steel butt joints and T joints，and the microstructure and mechanical properties of welded joints are studied.The results show that when other welding parameters remain unchanged，and the backing weld of butt joint with current 290 A，voltage 27.8 V，welding speed 9.4 mm/s and root face 0.5 mm，or the backing weld of T joint with current 280 A，voltage 27.2 V，welding speed 6 mm/s and groove angle 50°,the ideal welds can be obtained.Comparing with the traditional pulsed MAG welding technology，the super-spray transfer MAG welding technology has a greater penetration capability，and the yield strength，tensile strength and elongation of the welded joints are improved，and meet the requirements of the welding procedure qualification test standard.

SMA490BW weathering steel；super-spray transfer；welding technology

TG457.11

B

1001-2303（2017）10-0040-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.10.08

本文參考文獻引用格式：張世欣，汪認，謝旭，等.轉向架用SMA490BW耐候鋼超射流過渡焊接工藝試驗[J].電焊機，2017，47（10）：40-45.

2017-08-07；

2017-09-15

張世欣（1973—），男，高級工程師，學士，主要從事軌道車輛裝備制造技術研究工作。E-mail：zhangshixin@cqsf.com。

楊 蔚（1961—），女，高級實驗師，學士，主要從事金屬材料焊接工藝及接頭組織與性能的研究工作。E-mail：yangwei_dl@126.com。