快運貨車耐候鋼薄板CMT焊接工藝及變形規(guī)律研究

（中車眉山車輛有限公司，四川 眉山 620032）

0 前言

近年來，隨著電商物流的飛速發(fā)展，對我國現(xiàn)代鐵路運輸提高貨運效率、降低物流成本提出了更高的要求。快運貨車正是在這種條件下開發(fā)的新型車輛，能夠滿足現(xiàn)代物流高效化的需求，而為適應(yīng)快速運輸?shù)哪康模涇囓圀w的輕量化顯得尤為重要[1]。針對我國實際環(huán)境特點與資源條件，采用耐候鋼薄板制造車體可以有效減輕車體質(zhì)量[2－3]。采用傳統(tǒng)焊接方法（MAG焊）焊接耐候鋼薄板，由于熱輸入量大，會導(dǎo)致燒穿或產(chǎn)生較大的焊接變形[4]；CMT焊接過程熱輸入小，過程穩(wěn)定、飛濺少，適合焊接薄板[5]。本研究采用CMT焊接方法進行耐候鋼薄板焊接試驗，研究不同工藝參數(shù)下接頭的成形規(guī)律與性能，獲得最佳工藝參數(shù)，再對CMT焊接與MAG焊接變形進行數(shù)值模擬，對比兩種焊接方法的變形大小。

1 試驗方法和設(shè)備

1.1 試驗材料

試驗用快運貨車材料為Q450耐候鋼，其合金系統(tǒng)以Cu、P為主，配合其他合金元素。Cu和P是提高鋼材耐腐蝕性能的最有效的元素。一般認為，w（Cu）=0.2%～0.5%時既能獲得較好的耐腐蝕性能，又不明顯影響韌性。本研究以1.5 mm厚度耐候鋼為對象，采用平板對接接頭。焊絲采用1.2 mm JM－55II焊絲。母材和焊絲化學(xué)成分如表1所示。

焊接前，先用砂紙片打磨耐候鋼表面以清理氧化層，除去焊接區(qū)域油漆，再用棉花蘸取丙酮溶液擦洗焊件表面，確保清理后的表面光亮，無氧化物和油污，清洗范圍為被焊試件正反面距離焊縫中心25 mm內(nèi)的區(qū)域和試板側(cè)面。保護氣體為純度99.99%Ar，并按GB4842《氬氣》規(guī)定嚴格控制保護氣體中的水分含量。

表1 Q450耐候鋼薄板化學(xué)成分 %

1.2 試驗設(shè)備

采用奧地利福尼斯公司的 TransPuls Synergic 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，可實現(xiàn)6軸協(xié)調(diào)運動，通過示教器編寫程序控制機器人焊接。焊接工作臺為焊研威達生產(chǎn)的HB－5型焊接變位機，能實現(xiàn)臺面順時針方向及逆時針方向0°～180°轉(zhuǎn)動和 0°～90°翻轉(zhuǎn)。2塊1.5 mm薄板通過夾具四角固定在工作臺上，兩板之間不留間隙。

2 試驗結(jié)果

2.1 對接接頭工藝研究及焊縫成形

根據(jù)焊接薄板經(jīng)驗，首先劃定焊接參數(shù)的范圍進行試驗。焊接過程中，干伸長保持15 mm，焊槍沿著焊縫方向與板材保持50°夾角，與垂直焊縫方向的平面保持45°夾角，增強保護氣對焊縫的保護作用，也使得電弧燃燒更加穩(wěn)定。試驗中引入焊機內(nèi)部參數(shù)電弧修正系數(shù)，調(diào)節(jié)電弧修正系數(shù)可以改變電弧長度。弧長變大，電弧會不穩(wěn)定，但是填充金屬熔覆更好；反之焊縫填充金屬會變細，余高增加。

焊接試驗完成后對比各組焊縫整體外觀成形發(fā)現(xiàn)，若熔覆量過小，焊縫正面成形較差，無法使板熔透，熔覆金屬難以在母材上鋪展開，焊縫變細；當(dāng)熔覆量加大時，焊縫成形逐漸改善，但是熔覆量和熱輸入量過大時母材容易燒穿。增加弧長修正后，熔覆金屬可以較好地鋪展在母材上，減小焊縫余高，焊縫與母材過渡更加平緩，但過大的弧長修正會使得焊接熱輸入增加，增大不必要的變形和燒穿的風(fēng)險。綜合焊縫成形與整體變形進行篩選后，得到3組較好的參數(shù)，如表2所示，并在對應(yīng)試驗板上切取接頭截面與拉伸試樣。對應(yīng)的焊縫外觀如圖1所示。

打磨拋光焊縫截面，并用硝酸酒精混合溶液進行腐蝕，腐蝕時間10～15 s，在顯微鏡下進行觀察，如圖2所示。由圖2可知，#1參數(shù)與#3參數(shù)雖然都為全熔透接頭，但是#1參數(shù)的接頭錯邊較大，#3參數(shù)的錯邊量小，且熔覆金屬過渡更為平緩。#2參數(shù)熱輸入量小，焊縫未熔透，錯邊量小，且熔覆金屬鋪展性較差。

表2 焊接參數(shù)

由于得到的焊接接頭有熔透和半熔透兩種形式，需要驗證各組拉伸性能才能最終確定最優(yōu)參數(shù)，每個參數(shù)取3個拉伸試樣進行拉伸試驗，得到各組抗拉強度如圖3所示。由圖3可知，全熔透接頭的抗拉強度高于半熔透接頭，#1參數(shù)最大抗拉強度為582.3 MPa，最小為579.3 MPa；#2參數(shù)最大抗拉強度為502.5.3 MPa，最小為397.3 MPa；#3參數(shù)最大抗拉強度為669.6 MPa，最小為645.1 MPa。半熔透接頭的熱影響區(qū)和焊縫區(qū)為脆弱部位，全熔透接頭拉伸都在母材處發(fā)生斷裂，但#3參數(shù)的接頭抗拉強度明顯高于其他2組，這是因為提高焊接速度后接頭錯邊量減少。綜合外觀成形與接頭性能可知，最佳參數(shù)為#3，即焊接速度8 mm/s、送絲速度4.5 m/min，電弧修正系數(shù)為5。

圖1 整板焊縫宏觀成形

圖3 拉伸試驗結(jié)果

2.2 焊接變形測試與變形數(shù)值模擬結(jié)果

選用尺寸200 mm×50 mm×1.5 mm的耐候鋼薄板，4點固定后采用最佳參數(shù)進行整板焊接，焊后將試件放置于三坐標測量平臺進行變形測量，變形云圖如圖4所示，板中間位置發(fā)生了較大的變形，最大變形量為+2.456 7 mm。

為了對比傳統(tǒng)焊接方法（MAG焊）與CMT焊接耐候鋼薄板的變形，采用SYSWELD軟件對相同的約束狀態(tài)及工藝參數(shù)的CMT與MAG焊對接接頭焊接過程進行數(shù)值模擬，獲得預(yù)測的焊接變形量如圖5所示。

圖4 1.5 mm耐候鋼CMT對接接頭變形

圖5 整體變形模擬示意

由圖5可知，兩種焊接方法產(chǎn)生的變形趨勢大致相同，焊縫中間與兩板邊緣處變形量大，MAG焊接最大變形量為+4.87 mm，CMT焊接最大變形量為+3.86 mm。CMT焊接變形模擬與實際變形測量結(jié)果基本相同，模擬結(jié)果略大于實際值，原因是實際焊接時使用了最佳固定方式。由此可知，在相同焊接參數(shù)下，CMT能夠焊接耐候鋼薄板，且獲得性能良好的接頭，其熱輸入量小，焊接變形小于傳統(tǒng)焊接方法。

3 結(jié)論

（1）使用CMT焊接1.5 mm耐候鋼薄板時，通過調(diào)節(jié)焊接參數(shù)可以得到無飛濺、成形良好焊縫，增大電弧修正系數(shù)可以改善熔覆金屬鋪展性，但會增加燒穿的可能性。

（2）耐候鋼CMT焊接全熔透焊縫性能優(yōu)于半熔透焊縫性能，半熔透焊縫最大抗拉強度為502.53MPa，全熔透焊縫剪切拉伸力最大達到669.6MPa。增加焊速可以減少錯邊量，提高接頭性能。

（3）CMT焊接薄板變形小于傳統(tǒng)焊接方法（MAG），最大變形出現(xiàn)在焊縫中心與板邊緣中心處。