16MnDR鋼雙絲自動焊工藝研究

陳積翠

中車株洲電力機車有限公司 湖南株洲 412001

1 序言

隨著機車車體焊接自動化工作的深入推進[1-3]，對自動化焊接效率的提升提出了更高的要求。雙絲焊作為一項新技術，對提高自動化焊接效率具有顯著的優勢，雙絲焊系統組成如圖1所示[4]。

圖1 雙絲焊系統組成

雖然雙絲焊使效率提升明顯，但會導致焊接接頭熱輸入量增加，該變化對接頭性能的影響是一個亟需研究的課題。和諧型機車車體母材材質以16MnDR鋼為主，因此本文對16MnDR鋼開展雙絲自動焊工藝研究。

2 試驗材料與方法

試驗所用母材為12mm和20mm厚的16MnDR鋼，主要化學成分見表1，力學性能見表2。母材的顯微組織主要為鐵素體[5，6]，如圖2所示。焊接試板的尺寸為380mm×155mm，焊縫接頭形式為V形對接接頭，如圖3所示。

圖2 16MnDR鋼母材的顯微組織

圖3 焊縫接頭形式

表1 16MnDR鋼主要化學成分（質量分數） （%）

表2 16MnDR鋼力學性能

試驗設備采用克魯斯機器人，焊機型號為QINEO 600 PULSE。采用MAG焊工藝，焊絲為φ1.2mm的G2Si，保護氣體為80%Ar+20%CO2，氣體流量為18~20L/min。試驗共分為3組，每組試件的情況見表3，其中1號和2號試件采用雙絲焊，3號試件采用單絲焊作為對比組。

表3 試件分組情況

3 焊接工藝

試件1采用三層三道焊，手工焊打底、雙絲焊填充、單絲焊蓋面工藝；試件2采用四層四道焊，手工焊打底、雙絲焊填充兩層、雙絲焊蓋面工藝；試件3采用三層三道焊，手工焊打底，單絲焊填充和蓋面。3組試件焊接參數見表4。

表4 3組試件焊接參數

4 試驗結果及討論

4.1 顯微組織與硬度

焊接完成后進行金相試樣的制取，經硝酸酒精溶液腐蝕后，通過光學顯微鏡觀察試樣的微觀組織，然后利用維氏顯微硬度計測量硬度。硬度測試區域分別為母材區（BM）、熱影響區（HAZ）和焊縫熔合區（FZ），其中每個區域測試點數為3個。

對3組試件焊接接頭熱影響區的顯微組織進行觀察，結果如圖4所示。經過微觀金相分析，熱影響區組織為貝氏體+索氏體。

圖4 熱影響區的顯微組織

3組試件的硬度分布如圖5所示。從圖5可以看出，熱影響區組織與焊縫組織、母材組織相比，硬度偏高，其中試件1硬度較高，達到了211HV10。根據標準ISO 15614-1：2017中對材料允許的最高硬度值規定（≤380HV10），均符合標準要求。

圖5 3組試件硬度分布

4.2 力學性能檢測

按照ISO 15614-1：2017進行了試件力學性能檢測，焊接接頭拉伸試驗結果如圖6所示。試件1和試件2的雙絲焊抗拉強度分別為525MPa、505MPa，試件3的單絲焊抗拉強度為523MPa，母材的抗拉強度為561MPa。試件1、試件2和試件3的抗拉強度分別為母材的93.6%、90%和93.2%。其中試件1和試件3是同種規格板厚的單絲焊、雙絲焊對比，二者抗拉強度基本一致。

圖6 焊接接頭拉伸試驗結果

焊接接頭沖擊試驗結果見表5，試件1、試件2和試件3的熱影響區沖擊性能均優于焊縫區。母材在－40℃下的沖擊吸收能量為93.8J，試件3的熱影響區沖擊吸收能量與母材基本一致，試件1熱影響區沖擊吸收能量為母材的65%。由此可知，試件2的沖擊性能明顯優于試件1和試件3，主要因為試件2的抗拉強度在三者中是最低的，而焊接接頭的抗拉強度越小，沖擊吸收能量越大。

表5 焊接接頭沖擊試驗結果

EN 10025-5：2019規定沖擊吸收能量均值＞27J為合格，因此，試件1、試件2和試件3的結果均滿足要求。

4.3 焊縫表面成形

單絲焊與雙絲焊的焊縫外觀成形對比如圖7、圖8所示，雙絲焊縫無明顯魚鱗紋，焊縫表面不美觀，弧坑處未焊滿。對于對接焊縫（HV、V）的打底層，雙絲焊熱輸入過高，易造成焊穿缺陷。因此，單絲焊打底+雙絲焊填充+單絲焊蓋面的焊接工藝既有效發揮了雙絲焊的效率，又保證了焊縫表面的成形質量。

圖7 試件1單絲焊蓋面焊縫外觀成形

圖8 試件2雙絲焊蓋面焊縫外觀成形

5 結束語

通過以上研究，發現雙絲焊試件的結果均滿足標準要求，并且在同種規格板厚的情況下，雙絲焊與單絲焊試件的顯微硬度結果基本一致，沖擊性能均滿足標準要求。試件1與試件3相比，焊接效率提高了約25%。如果板厚越大，則焊接效率提升就會更加明顯。因此，雙絲焊工藝可以滿足工程化應用需求。