SUS301L不銹鋼冷金屬過渡焊搭接接頭焊接工藝、微觀組織及力學性能

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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

隨著我國城市化建設的提速和國民經濟的飛速發展，城市交通擁堵的問題日益嚴重[1]。目前，城市軌道交通是能夠解決城市擁堵問題的一種備受推崇的交通方式，其發展程度也成為衡量一個國家社會和經濟發展水平的重要標志。在軌道交通領域，車體的減重不僅能夠減少車體制造所需材料以及運行所需能耗，還擁有長遠的經濟效益[2]。相較傳統列車車體，新型不銹鋼車體能夠減重20%～30%[3]，并且具有抗腐蝕性強、成本低、壽命長、強度高、外形美觀等特點。

隨著相關生產制造企業車體輕量化材料的升級及應用，不銹鋼薄板車體結構件的應用越來越廣泛，現階段我國一些軌道車輛生產制造廠已經逐步開始使用不銹鋼材料替代原有碳鋼材料，焊裝工藝主要采用電阻點焊及MAG焊。若采用常規MAG焊接，薄板會在焊接過程產生較大變形、較高的殘余應力及焊接接頭缺陷，嚴重情況下甚至會因熱裂紋及應力問題產生開裂。而電阻點焊工藝在無損檢測技術方面局限性很大，常規檢測方法難以對點焊接頭進行有效的無損檢測[4]；同時，該方法焊點較多，可能會導致焊點分流，影響焊接質量；此外，電阻點焊對車體美觀也有一定的影響[5]。

CMT冷金屬過渡焊接技術是奧地利福尼斯公司2002年推出的焊接技術，該種技術為熔化極氣體保護焊的應用拓展了新領域[6]，利用2套焊絲抽送機構的配合實現了“冷”金屬過渡。針對不銹鋼薄板，CMT焊接技術在相同的焊接電壓和焊接速度下所獲得的熔寬基本與傳統的熔化極氣體保護焊相差無幾，熔深卻更小，焊縫成形更加美觀，幾乎無任何飛濺。

本研究利用CMT冷金屬過渡焊接，成功實現了不等厚301L不銹鋼薄板的搭接，并對搭接接頭進行了相關力學性能測試及微觀組織分析。

1 試驗方法及材料

1.1 試驗材料

試驗選用SUS301L-MT奧氏體不銹鋼，填充材料為ER308LSi不銹鋼焊絲，直徑φ1.0 mm，母材及焊絲的化學成分、母材機械性能分別如表1、表2所示。SUS301L-MT不銹鋼材料經過形變強化以提高強度，其二次壓延率控制在9%～17%，強度較高。保護氣體為 φ（Ar）97%+φ（CO2）3%，在純 Ar氣中加入少許氧化性氣體，克服了純Ar氣在焊接不銹鋼時因液態金屬潤濕性差導致的咬邊缺陷以及陰極半點漂移造成的電弧不穩定。

表1 母材及焊絲的化學成分 %

表2 SUS301L-MT不銹鋼的基本機械性能

1.2 試驗方法

試驗采用奧地利福尼斯公司的TransPulsSynergic CMT冷金屬過渡焊機進行焊接。采用ABB IRB2600型機器人，臂長1.65 m，最高負荷20 kg，可以實現6軸協調運動，通過視教器編寫程序對機器人焊接進行控制；試驗所用焊接工作臺為焊研威達生產的HB-5型焊接變位機，能實現臺面順時針方向及逆時針方向0～180°的轉動和0～90°的翻轉。工件尺寸350 mm×150 mm，厚度分別為0.8 mm、4 mm，焊接接頭形式為4 mm板搭接在0.8 mm板上，如圖1所示。焊接時，4 mm試板約束、固定于焊接工作臺，焊縫保持懸空狀態，0.8 mm試板不施加其他約束。

在工藝參數優化過程中，通過接頭宏觀形貌和剪切拉伸試驗綜合評估各組參數，并選取最佳參數進行焊接；焊接完成后，通過激光三維掃描技術掃描試板，并選取合適的基準面進行變形情況分析計算；在焊接接頭合適位置切取金相試驗，觀察、分析焊接接頭各區域微觀組織；使用HV-30維氏硬度計測量焊接接頭硬度分布，考慮到板厚及接頭形式，采用的加載載荷為1 kN，加載時間為10 s；母材處的硬度測試點間距為1 mm，靠近熱影響區后側間距0.5 mm取測量點，以保證能夠較好地反映接頭的硬度分布情況。

圖1 搭接接頭型式

2 試驗結果和分析

2.1 4-0.8 mm搭接接頭工藝研究及焊縫成形分析

針對4-0.8 mm SUS301L-MT奧氏體不銹鋼的搭接接頭進行工藝探索試驗。焊接前，先用角磨機打磨試板，隨后使用丙酮進行清洗，去除油污。焊接過程中，干伸長為16 mm；焊槍沿焊縫方向與試板成60°夾角，沿垂直焊縫方向與試板成45°夾角；保護氣流量25 L/min。此外，為了防止電弧偏弧引起的焊接過程不穩定以及焊縫形貌過于凸出造成的應力集中，設定焊機弧長修正為+15，電弧推力修正為-5。

工藝優化試驗參數及結果如表3所示。#3、#6、#9工藝參數下獲得的焊縫形貌良好且連續，無明顯缺陷及飛濺；#1、#2、#7、#8參數下所得搭接接頭焊縫形貌較差，極為不連續。故在其他組工藝參數所得搭接接頭的合適位置切取拉伸剪切試樣，并在試樣4 mm、0.8 mm兩端分別放置補償塊以保證拉伸載荷的軸向作用，最終使用試驗過程中的最大拉伸力表征0.8-4 mm搭接接頭的抗拉性能。由拉伸剪切試驗結果可知，#3工藝所得搭接接頭具有最高的最大拉伸剪切力，為22 234.42 N，其拉伸剪切取樣示意及力-時間曲線如圖2所示。

表3 4-0.8 mm不銹鋼搭接接頭工藝試驗參數及拉伸剪切最大力

采用#3工藝參數所得焊縫外觀如圖3a所示。在#3參數下，CMT冷金屬過渡焊接對于4-0.8 mm搭接接頭的橋接能力較好。焊縫整體形貌良好，表面均勻、美觀，無飛濺及咬邊、塌陷等明顯缺陷。經過腐蝕處理的焊縫橫截面宏觀形貌如圖3b所示。可以看出，在2塊試板板厚差較大的情況下，利用#3參數獲得的焊接接頭的熔寬合適，4 mm側熔深較大，而0.8 mm側較小的熔深確保了底板不會被焊穿。綜上所述，當焊接速度為7 mm/s、送絲速度為4.0 m/min、弧長修正為+15、電弧推力修正為-5時，獲得的4-0.8 mm搭接接頭最為理想。

圖2 搭接接頭拉伸剪切試驗

圖3 #3工藝參數所得搭接接頭

2.2 微觀組織分析

在4-0.8 mm搭接接頭合適位置取金相試樣，經不同粗糙度砂紙粗磨、細磨及機械拋光后使用10 g FeCl3+30 ml HCl+120 ml蒸餾水的腐蝕溶液進行室溫侵蝕，隨后使用金相顯微鏡觀察焊接接頭各區域微觀組織。

搭接接頭焊縫區、熔合線、熱影響區及母材在不同倍數下的微觀組織如圖4所示。結果表明，焊縫區的黑色樹枝晶為沿奧氏體晶粒邊界析出的鐵素體，白色組織為奧氏體組織，奧氏體晶粒以柱狀晶形態向焊縫中心生長，而焊縫中心則為細小、均勻的等軸晶。在焊縫邊緣熔合區附近，觀察到部分細小的柱狀晶垂直于熔合線向焊縫中心生長，其原因可能是凝固初始時期，溫度梯度較大，結晶速度較慢，所以成分過冷區較小，在熔合線附近產生了細小的柱狀晶[7]，母材與焊縫熔合良好。除此之外，在熔合線附近的熱影響區出現了層狀生長的鐵素體組織，這是由于高溫影響下的鐵素體生成元素形成了第二相的偏聚所產生[5]。

熱影響區的組織主要為奧氏體晶粒，相比于母材，其奧氏體晶粒受焊接過程熱作用發生了再結晶和晶粒長大，從而造成熱影響區晶粒粗化。隨著距焊縫距離的增加，粗化作用被削弱，形成了不完全重結晶區。上述原因使熱影響區組織不均勻，從而降低了其整體力學性能。而搭接接頭母材區主要組織為奧氏體，由于來料為冷軋態，能明顯觀察到軋制流線和形變馬氏體。

圖4 4-0.8 mm搭接接頭微觀組織

2.3 搭接接頭硬度分布

4-0.8 mm不銹鋼搭接接頭硬度分布如圖5所示。針對該類搭接接頭，分別在0.8 m試板厚度方向中心線處和距離該中心線2mm處進行硬度測試，分別用Line2和Line1表示。由圖5可知，該搭接接頭硬度最低點出現在焊縫區，Line1中硬度最小值約為HV152.14，Line2中硬度最小值約為HV178.08。

圖5 4-0.8 mm搭接接頭硬度分布

2.4 變形測量

利用激光三維掃描技術掃描焊接完成的4-0.8 mm不銹鋼搭接接頭。掃描測試時，試板約束狀態與焊接時相同。根據掃描得到的實體模型，在約束較好的部位選取變形測量基準點和基準平面，對試板的z方向變形進行模型擬合計算，計算結果如圖6所示。由測試結果可知，試板在焊接完成后發生波浪變形，在0.8 mm試板無約束側尤為明顯，在其兩端邊緣上最大變形量達到6.492 mm；而試板中心邊緣處最大變形量為-5.251 mm。

圖6 激光三維掃描變形測量結果

3 結論

（1）由工藝優化試驗可知，4-0.8 mm搭接接頭的最優工藝參數為：焊接速度7 mm/s，送絲速度為4 m/min，采用該參數獲得的焊縫成形美觀，無明顯缺陷，焊縫與母材熔合良好，且擁有最佳的最大拉伸剪切力，為22 234.42 N。

（2）利用金相顯微鏡分析觀察接頭不同區域組織：焊縫區主要組織為枝晶狀鐵素體和奧氏體；熱影響區附近觀察到粗化后的奧氏體晶粒；母材組織主要為奧氏體與冷作硬化后產生的形變馬氏體。

（3）硬度測試結果表明，硬度最低點出現在焊縫，Line1中硬度最小值約為HV152.14，Line2中硬度最小值約為HV178.08。

（4）通過激光三維掃描z方向變形測量可知，焊后試板出現波浪邊形，0.8 mm無約束試板邊緣處變形量最大，且試板兩邊變形量為正，中間變形量為負。

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