不銹鋼冷金屬過渡焊角接接頭應力及變形規律研究

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（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.西南交通大學材料科學與工程學院，四川成都610031）

0 前言

近年來，我國鐵路運輸業發展迅速，高速列車車體逐漸朝著輕量化趨勢發展，因此不銹鋼薄板的車體結構得到了非常廣泛的應用。但是傳統的MAG/MIG焊存在熱輸入較大、熱作用范圍較寬等問題，容易導致薄板在焊接過程中存在嚴重的焊接變形和較高的殘余應力，且傳統焊接方法飛濺嚴重，影響焊縫美觀[1]。相比于碳鋼，奧氏體不銹鋼電阻率高、熱導率小、線膨脹系數大，在焊接過程中會產生較大的熱應力，容易出現燒穿和較大的焊接變形[2]。

冷金屬過渡焊（Cold Metal Transfer，CMT）作為一種新型焊接技術，具有低能耗、低污染、高品質、無飛濺等優點，廣泛應用于航空航天、機車制造、微電子器件等行業[3]。CMT是以熔化極氣體保護焊為基礎，基于熔化極氣體保護焊的短路過渡方式，對焊接過程進行數字化監控，將熔滴過渡和送絲運動相結合，可降低熱輸入且焊接過程無飛濺產生[4]。本研究采用CMT技術獲得了異種厚度不銹鋼薄板的角接接頭，在焊接過程中使用熱電偶采集焊接熱循環曲線。對于成形良好的角接接頭，分別用X射線測試儀及3D激光掃描儀測殘余應力和焊接變形。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

選用0.8 mm與4 mm異種厚度的SUS301L不銹鋼進行角接試驗（0.8 mm板為底板，4 mm板為腹板），焊絲為直徑1.0 mm的ER308LSi焊絲。母材和焊絲的成分如表1所示。試板在試驗前均用酒精擦拭。焊絲的干伸長約15 mm。

表1 SUS301L不銹鋼化學成分表 %

1.2 試驗方法和設備

在進行工藝試驗時，采用讓焊縫處于懸空狀態的方法，即0.8 mm底板進行角接的一側不施加任何約束使其自由變形，而另一側用機械約束進行固定。優化后的焊接工藝參數如表2所示。焊接設備為TPS4000 CMT焊機，如圖1所示。目前，車頂波紋板和底架波紋板與其他薄板部件的焊接擬采用CMT以填補薄板焊接技術的空白，實現車體結構件質量的全面提升，如圖2所示。

表2 焊接工藝參數

圖1 CMT焊接及機械臂

為獲得角接接頭的焊接熱循環參數，在焊接前將熱電偶布置在0.8 mm薄板上分別距焊縫中心0 mm、4 mm處。使用CREAFORM手持式3D激光掃描儀（見圖3）對角接試板的焊后變形進行掃描測量。基于X射線法使用μ-X360殘余應力分析儀（見圖4）測試角接試板殘余應力，接頭模型及殘余應力分布點如圖5所示。

圖2 車體結構示意

圖3 手持式3D激光掃描儀

2 試驗結果

2.1 焊縫形貌和熱循環過程

采用優化后的工藝參數獲得的角接接頭如圖6所示，焊縫均勻美觀，表面無明顯缺陷，接頭無飛濺。由于0.8 mm底板在接頭側未受到約束，因而發生了較大的波浪狀變形。接頭的橫截面宏觀形貌如圖7所示，焊縫鋪展均勻，與底板和腹板的熔合情況良好，且在優化的工藝參數下，0.8mm薄板不會發生燒穿現象。

圖4 μ-X360殘余應力分析儀

圖5 角接接頭模型及殘余應力布點示意

圖6 角接接頭宏觀形貌

圖7 接頭截面形貌

熱電偶是工業上最常用的溫度檢測元件之一，它可與被測工件之間接觸因而測量精度較高，溫度的測量范圍廣且可根據不同需求使用不同材質的熱電偶，構造及使用也相當方便[5]。分別在距焊縫0 mm、4 mm處布置熱電偶，采集該處在焊接過程中溫度的變化曲線。焊接熱循環曲線如圖8所示，焊縫中心溫度約1 100℃，距焊縫4 mm處最高溫度達到600℃。在焊接過程中，焊縫區及遠離焊縫區域溫度會經歷先升高后下降的過程，而由于熱傳導，靠近焊縫區溫度變化更為劇烈，遠離焊縫區的溫度變化較平緩[5]。距離焊縫中心越近，溫度變化范圍越大，變化速率越快，在焊縫中心處熱循環曲線比較“尖”，隨著距焊縫中心的距離增加，熱循環曲線會變“鈍”[6]。

圖8 焊接熱循環曲線

2.2 焊接變形測量結果

3D激光掃描儀具有掃描速度快、實時性強、精度高等特點，可以顯著降低成本，并且使用方便，能夠實現與設計圖紙進行分析比較，以確定其變形的大小[7]。利用該設備獲得的焊接變形測量結果如圖9所示，可以看出0.8 mm底板的變形相對很大，呈波浪形態，其最大變形量為6.545 mm。

圖9 焊接變形

2.3 殘余應力測試結果

X射線法測殘余應力是根據晶面間距的變化來確定應變，可以測定很小范圍內的應變。該方法理論推導嚴謹，試驗技術完備，測量結果可靠，已在科研和生產領域中得到廣泛應用[8]。根據圖5的布點順序，從腹板向底板依次測得的殘余應力結果如圖10所示。殘余應力呈“M”型分布，即在熱影響區為拉應力，焊縫中心及母材處均為壓應力。由于是不同厚度不銹鋼薄板的接頭，焊縫兩側殘余應力分布趨勢不同，0.8 mm底板發生較大的不均勻變形，其殘余應力的變化范圍也較大，而4mm腹板的殘余應力從母材至焊縫中心變化較小。

圖10 角接接頭殘余應力分布

3 結論

采用冷金屬過渡技術焊接4 mm與0.8 mm異種厚度的角接接頭，采集距焊縫不同位置的焊接熱循環曲線，測試接頭的殘余應力與焊接變形。

（1）采用優化后的工藝參數獲得的角接接頭成形良好，焊縫美觀，無明顯飛濺。

（2）用熱電偶測得焊縫溫度約1 100℃，距焊縫4 mm處溫度為600℃。

（3）厚度0.8 mm底板發生了較大的波浪狀焊接變形，最大變形量為6.545 mm。

（4）接頭的殘余應力呈“M”型分布，焊縫中心和母材處為壓應力，熱影響區為拉應力。

[1]張洪濤，馮吉才，胡樂亮.CMT能量輸入特點與熔滴過渡行為[J].材料科學與工藝，2012，20（2）：128-132.

[2]董強，許鴻吉，謝明，等.薄板06Cr19Ni10不銹鋼焊接接頭組織與性能的研究[J].制造技術與機床，2016（4）：65-69.

[3]張棟.波形參數對高速CMT焊接穩定性及焊縫成形影響的研究[D].山東：山東大學，2016.

[4]盧江.雙機器人齒盤協同堆焊生產線關鍵技術研究[D].浙江：浙江大學，2017.

[5]王勇.熔化焊焊接接頭的溫度場和應力數值模擬[D].北京：北京交通大學，2009.

[6]張洪才，吉華，茍國慶，等.高速列車用A5083P-O鋁合金MIG焊熱循環分析及殘余應力研究[J].電焊機，2011，41（11）：30-34.

[7]譚國銓.3D激光掃描儀在電廠冷卻塔變形監測中的應用探討[J].電力勘測設計，2009（4）：30-32.

[8]鄭卜祥，宋永倫，席峰，等.對接焊鋁合金板材殘余應力的 X 射線測試[J].機械工程學報，2009，45（3）：275-281.