基于超微弧特性的SMA490BW鋼焊接工藝試驗(yàn)研究

姚 鵬，齊維闖，吳向陽(yáng)，史春元

（1.大連交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；2.南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 技術(shù)工程部，山東 青島 26111）

0 前言

SMA490BW鋼具有較高的強(qiáng)度、塑性和韌性等綜合力學(xué)性能，同時(shí)也有良好的耐大氣腐蝕性能，專門用于制造高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架[1]。轉(zhuǎn)向架作為車輛走行部的主要構(gòu)件，在工作過(guò)程中承受著交變載荷的作用[2]。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的焊接主要采用MAG電弧焊方法。由于構(gòu)架結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，有些焊縫受空間限制只能進(jìn)行單面焊接，但按要求焊縫背面需要完全熔透。顯然，焊縫根部未焊透會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中，導(dǎo)致焊接接頭的疲勞強(qiáng)度降低，嚴(yán)重影響焊接構(gòu)架的安全可靠性及壽命。為保證焊縫根部完全熔透，可嘗試選用新型MAG焊設(shè)備進(jìn)行焊接。

德國(guó)EWM公司研制的PHOENIX 521 EXPERT PULS forceArc焊接設(shè)備，利用現(xiàn)代數(shù)字化逆變電源可產(chǎn)生一種forceArc焊接電弧[3]。ForceArc電弧在大電流工作范圍，呈現(xiàn)出能量集中的超短弧噴射過(guò)渡電弧特征，又稱超微弧[4]。超微弧具有電弧方向性強(qiáng)，焊接效率高，不易產(chǎn)生焊接缺陷，焊后變形小等特點(diǎn)。與傳統(tǒng)噴射過(guò)渡電弧相比，超微弧具有較高的等離子壓力，可獲得更大的熔深[5]。本研究針對(duì)焊接構(gòu)架用SMA490BW鋼，在超微弧焊接條件下，分別對(duì)板材對(duì)接接頭和T型接頭進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)，確定合適的坡口角度、鈍邊尺寸和組焊間隙，評(píng)定焊接接頭力學(xué)性能，為超微弧焊接技術(shù)在轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架制造中的應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用鋼為SMA490BW鋼板材（厚12 mm），化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表1。焊接設(shè)備選用德國(guó)EWM公司的PHOENIX 521 EXPERT PULS forceArc。焊絲選用CHW-55CNH的實(shí)芯焊絲(φ1.2 mm），保護(hù)氣體為φ(Ar)80%+φ(CO2)20%，氣體流量20 L/min。

1.2 試驗(yàn)方法

（1）超微弧焊接工藝參數(shù)試驗(yàn)。

在焊接工藝試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，隨著焊接電流的增大，焊接電弧的超微弧特征逐漸增強(qiáng)，即電弧長(zhǎng)度縮短并逐漸潛入熔池，電弧能量集中且挺直性增大。當(dāng)電流達(dá)到280 A時(shí)，電弧的深熔焊能力迅速增加，但當(dāng)電流超過(guò)320 A后，電弧熔深能力的增加逐漸減緩。顯然，利用超微弧焊接熔深大的特點(diǎn)，可以減少普通MAG電弧焊時(shí)的焊接道數(shù)，提高焊接生產(chǎn)效率，本試驗(yàn)采用的超微弧焊接工藝參數(shù)如表2所示。

表1 SMA490BW鋼化學(xué)成分及力學(xué)性能Tab.1 Chemical composition and mechanical properties of SMA490BW steel

表2 焊接工藝參數(shù)Tab.2 welding process parameters

（2）焊接試板幾何參數(shù)試驗(yàn)。

試驗(yàn)采用兩種接頭形式，分別是單面V型坡口的對(duì)接接頭和T型接頭。在確定的焊接工藝參數(shù)下，對(duì)試板的坡口角度、鈍邊尺寸、組焊間隙三個(gè)幾何參數(shù)，固定其中兩個(gè)參數(shù)，改變另外一個(gè)參數(shù)。以接頭的正、背面成型為標(biāo)準(zhǔn)，選擇合適的坡口角度，鈍邊尺寸和組焊間隙。

（3）焊接接頭組織與力學(xué)性能試驗(yàn)。

在確定的焊接工藝參數(shù)和焊接試板幾何參數(shù)下，依據(jù)ISO15614-1：2004金屬材料焊接工藝規(guī)程及評(píng)定—鋼的電弧焊和氣焊，對(duì)全熔透板材對(duì)接接頭與T型接頭進(jìn)行組織與力學(xué)性能試驗(yàn)。焊后試板均經(jīng)過(guò)590±15℃/2 h去應(yīng)力退火處理。

拉伸試驗(yàn)參照ISO 4136：2001金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn)—橫向拉伸試驗(yàn)，彎曲試驗(yàn)參照ISO 5173：2000金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn)—彎曲試驗(yàn)，拉伸和彎曲試驗(yàn)在WE-30液壓式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。沖擊試驗(yàn)參照ISO 9016：2001金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn)—沖擊試驗(yàn)，在JB-30B型沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，斷口分析在JSM-6360LV型掃描電鏡上完成。硬度測(cè)定參照ISO 9015-1：2001金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn)—硬度試驗(yàn)，在HV-10型維氏硬度計(jì)上完成，載荷10 kg，保荷時(shí)間15 s。接頭宏觀形貌與微觀組織分析參照ISO 17639：2003金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn)—焊縫宏觀和微觀檢驗(yàn)，接頭宏觀形貌檢驗(yàn)在KEYENCE VHX-1000視頻顯微鏡上進(jìn)行，微觀組織分析在OLYMPUS-X51顯微鏡上進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊接試板幾何參數(shù)試驗(yàn)

焊接試板幾何參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3?？梢钥闯觯瑢?duì)于板材對(duì)接接頭，當(dāng)坡口角度為60°，組焊間隙為1 mm時(shí)，鈍邊為0與1 mm時(shí)焊縫完全熔透且背面成型良好，相比之下鈍邊為0時(shí)焊縫正面和背面成型更平直和均勻?？梢?jiàn)選擇坡口角度60°、鈍邊尺寸0～1 mm、組焊間隙1 mm為宜。

對(duì)于T型接頭，當(dāng)坡口角度為55°，組焊間隙為2 mm時(shí)，鈍邊為0和1 mm時(shí)焊縫完全熔透且背面成型良好，其中鈍邊為0時(shí)焊縫正面及背面的成型更為均勻。可見(jiàn)選擇坡口角度為55°，鈍邊尺寸0～1 mm、組焊間隙為2 mm為宜。鈍邊尺寸為0時(shí)，全熔透板材對(duì)接接頭與T型接頭焊縫正、背面成型如圖1所示。

表3 焊接試板幾何參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 The test result of plates’geometric parameters

圖1 焊縫正面與背面成形Fig.1 The forming of the weld’s frontage and back

2.2 焊接接頭組織與力學(xué)性能試驗(yàn)

（1）焊接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)。

板材對(duì)接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4?？梢钥闯?，其拉伸性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的SMA490BW母材相應(yīng)力學(xué)性能指標(biāo)。其中屈服強(qiáng)度均高于365 MPa，抗拉強(qiáng)度均介于490～610 MPa之間，斷后伸長(zhǎng)率均大于15%。拉伸試樣均斷裂在遠(yuǎn)離焊縫的母材處。彎曲試樣經(jīng)過(guò)180°側(cè)彎后，拉伸面均未出現(xiàn)裂紋。焊縫及熱影響區(qū)在-40℃環(huán)境下的夏比V型缺口沖擊功均大于27 J，其中HAZ的沖擊功高于焊縫，表明HAZ沖擊韌性優(yōu)于焊縫。

兩種接頭維氏硬度測(cè)試位置見(jiàn)圖2，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。對(duì)于板材對(duì)接接頭，焊縫硬度的最高值為215 HV10，熱影響區(qū)硬度的最高值為221 HV10。對(duì)于T型接頭，焊縫硬度的最高值為215 HV10，熱影響區(qū)硬度的最高值為237 HV10。兩種接頭焊縫和熱影響區(qū)最高硬度值均小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定退火狀態(tài)下允許的最高硬度值320 HV10。

圖2 焊接接頭維氏硬度測(cè)試位置Fig.2 Test position of the welding joint’s HV hardness

對(duì)接接頭在-40℃下的沖擊斷口形貌見(jiàn)圖3?？梢钥闯?，焊縫和HAZ的沖擊斷口均呈準(zhǔn)解理加韌窩狀態(tài)，其中焊縫斷口以準(zhǔn)解理為主，而HAZ斷口主要呈韌窩態(tài)，故HAZ的沖擊韌性優(yōu)于焊縫。

（2）接頭宏觀形貌與微觀組織分析。

對(duì)接接頭和T型接頭的宏觀形貌及微觀組織分別如圖4和圖5所示?？梢钥闯?，兩種接頭焊縫完全熔透，各焊道之間及焊縫與母材之間熔合良好，沒(méi)有出現(xiàn)氣孔、裂紋、夾雜等焊接缺陷。焊縫與母材之間的焊趾處過(guò)渡平滑，有利于改善接頭的抗疲勞性能。焊縫組織為柱狀結(jié)晶的鐵素體和針狀鐵素體及少量珠光體及少量貝氏體；熔合區(qū)及HAZ過(guò)熱區(qū)組織為沿晶析出的塊狀先共析鐵素體、晶內(nèi)細(xì)條狀鐵素體及少量貝氏體和珠光體，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)粗大魏氏組織或其他脆性組織。

表4 對(duì)接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 The test result of mechanical properties of the butt joint

表5 接頭硬度測(cè)試結(jié)果（HV10）Tab.5 The test result of HV10 hardness of the welding joint

圖4 接頭宏觀形貌Fig.4 Macrostructure of the welding joint

3 結(jié)論

（1）SMA490BW鋼超微弧焊接工藝參數(shù)范圍確定為：底層焊電流 190～210 A，電壓 23～25 V，焊速25～30 cm/min；填充及蓋面焊電流 290～310 A，電壓31～33 V，焊速 30～35 cm/min。對(duì)于板材對(duì)接接頭，選擇坡口角度60°、鈍邊尺寸0～1 mm、組焊間隙1 mm為宜，而對(duì)于T型接頭，坡口角度55°、鈍邊尺寸0～1 mm、組焊間隙1 mm為宜。

（2）在超微弧焊接條件下，選用CHW-55CNH(φ1.2 mm)焊絲并且配以 φ(Ar)80%+φ(CO2)20%保護(hù)氣體，SMA490BW鋼焊接接頭經(jīng)590±15℃/2 h退火處理后，其強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌性等常規(guī)力學(xué)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求，拉伸試件均破斷在遠(yuǎn)離焊縫的母材中。

圖5 接頭微觀形貌Fig.5 Microstructure of the welding joint

（3）在超微弧條件下焊接的SMA490BW鋼對(duì)接接頭和T型接頭，焊縫表面成型良好，背面焊道完全熔透，沒(méi)有咬邊、裂紋、氣孔及未熔合等缺陷，焊縫與母材之間焊趾部位過(guò)渡平滑。焊縫組織為柱狀結(jié)晶的鐵素體和針狀鐵素體+少量珠光體及少量貝氏體，熔合區(qū)及HAZ粗晶區(qū)組織為沿晶析出的塊狀先共析鐵素體、晶內(nèi)細(xì)條狀鐵素體及少量貝氏體和珠光體。

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