不銹鋼薄板搭接等離子-MAG復(fù)合焊接工藝

張成銘，韓曉輝，寧海石，姚宇新，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 266111）

不銹鋼薄板搭接等離子-MAG復(fù)合焊接工藝

張成銘1，韓曉輝2，寧海石2，姚宇新1，史春元1

（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 266111）

針對板厚3 mm SUS301L-MT與板厚5 mm SUS304不銹鋼板材搭接組合，采用等離子-MAG復(fù)合焊工藝進(jìn)行焊接，分析等離子電流、MAG電流和焊接速度等工藝參數(shù)對搭接角焊縫成形的影響，得出合適的等離子-MAG復(fù)合焊接工藝參數(shù)，并比較等離子-MAG復(fù)合焊和電阻點(diǎn)焊兩種方法搭接接頭的準(zhǔn)靜態(tài)拉剪性能和拉剪疲勞性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，在確定的焊接工藝參數(shù)下，等離子-MAG復(fù)合焊和電阻點(diǎn)焊接頭均符合鐵道車輛用不銹鋼焊接接頭的設(shè)計要求，且與電阻點(diǎn)焊接頭相比，等離子-MAG復(fù)合焊接頭的拉剪載荷提高約92%，在循環(huán)壽命為2×106的條件下疲勞極限提高約33%。

等離子-MAG復(fù)合焊；電阻點(diǎn)焊；搭接接頭；拉剪；拉剪疲勞

0 前言

不銹鋼軌道交通車輛因具有維修成本低、使用壽命長、輕量化程度高、制造成本低、防腐蝕性好、有利于環(huán)保及安全系數(shù)高等特點(diǎn)，成為軌道車輛輕量化的重要研究方向之一[1]。不銹鋼車體常用的材料牌號主要有SUS301L和SUS304奧氏體不銹鋼，其耐蝕性好、強(qiáng)度高、易于加工且具有良好的延展性和焊接性[2]。但由于奧氏體不銹鋼熱導(dǎo)率小而線膨脹系數(shù)大，導(dǎo)致焊接變形大且變形矯正困難，因此根據(jù)不銹鋼車體結(jié)構(gòu)及材料特點(diǎn)，在車體結(jié)構(gòu)連接中以電阻點(diǎn)焊為主[3]。由于電阻點(diǎn)焊是間斷性焊接，車體密封性較差，焊后需使用密封膠進(jìn)行處理，工序繁瑣，并使不銹鋼車輛的運(yùn)行速度受到限制。雖然對于不銹鋼車體側(cè)墻結(jié)構(gòu)可采用激光焊接技術(shù)代替電阻點(diǎn)焊方法[4-5]。但在車體總組工序中，有些通長的搭接直縫，從其工藝適應(yīng)性上來看，采用激光搭接焊方法不太適合。

等離子-MAG復(fù)合焊是近年發(fā)展起來的一種復(fù)合熱源焊接新技術(shù)，該技術(shù)焊接速度快，焊縫熔深大，熱影響區(qū)窄，焊縫質(zhì)量高，焊接變形較小[6]，已經(jīng)應(yīng)用于高強(qiáng)鋼和鋁合金構(gòu)件以及不銹鋼壓力容器的焊接[7]，但對于不銹鋼車體用鋼的焊接還沒有發(fā)現(xiàn)有關(guān)的研究報導(dǎo)。

為此，本研究通過不銹鋼薄板搭接等離子-MAG復(fù)合焊工藝試驗(yàn)，分析等離子電流、MAG電流和焊接速度等工藝參數(shù)對搭接角焊縫成型的影響，并將其接頭拉剪性能和拉剪疲勞性能與傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊進(jìn)行對比，為等離子-MAG復(fù)合焊接工藝在不銹鋼車體焊接中的應(yīng)用提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)和研究基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

選用板厚3 mm的SUS301L-MT和板厚5 mm的SUS304不銹鋼板材，采用搭接接頭。焊接試板尺寸350 mm×150 mm，搭接量40 mm，并定義3 mm SUS301L-MT為上板，5 mm SUS304為下板。試板焊前用丙酮清洗去除油污。不銹鋼焊絲采用直徑φ1.0 mm的ER308LSi焊絲，等離子氣采用純度99.999%氬氣，焊接保護(hù)氣采用φ（Ar）98%+φ（CO2）2%混合氣體。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備和方法

采用標(biāo)準(zhǔn)型Super-MIGR復(fù)合焊接設(shè)備，配以TPS4000數(shù)字化MAG焊機(jī)及MOTOMAN機(jī)器人。試驗(yàn)使用的復(fù)合焊槍為一體式焊槍，等離子弧置前，MAG電弧隨后。焊接時利用夾具對焊接試板剛性固定和施加壓力，保證搭接板間無間隙。焊后在AG-IC100KN型電子萬能試驗(yàn)機(jī)上對接頭標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行拉剪試驗(yàn)，在MTS318型電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉剪疲勞試驗(yàn)，疲勞試驗(yàn)采用軸向加載，加載波形為正弦波，頻率20 Hz，循環(huán)應(yīng)力比R=0，循環(huán)壽命設(shè)定2×106周次，試驗(yàn)在室溫下空氣中進(jìn)行。為了防止試件在軸向拉伸過程中偏離軸線，在搭接試板的兩側(cè)各相應(yīng)點(diǎn)焊上墊板，如圖1所示。搭接接頭宏觀形貌分析在KEYENCE VHX-1000型視頻顯微鏡上進(jìn)行，疲勞斷口分析在JSM-6360LV型電子掃描電鏡上完成。

圖1 拉剪和拉剪疲勞試件Fig.1 Tensile-shear and tensile-shear fatigue specimen

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 焊接工藝參數(shù)及焊縫成形

2.1.1 等離子電流

在MAG電流200 A、焊接速度120 cm/min等工藝參數(shù)不變的條件下，在90～130 A范圍改變等離子電流，觀察焊縫成形變化特征。不同等離子電流下焊縫截面形貌如圖2所示，等離子電流對焊縫寬度和厚度的影響如表1所示?？梢钥闯?，隨著等離子電流的增大，焊縫寬度和厚度均增加，并且焊趾處過渡逐漸陡峭。這是有由于焊接熱輸入加大，等離子弧挺度增強(qiáng)的原因。當(dāng)?shù)入x子電流較小為90 A時，焊縫存在一定的咬邊缺陷且焊縫金屬與下板母材熔合不均勻；當(dāng)?shù)入x子電流增加到130 A時，焊腳高度超出上板約1 mm，由于不銹鋼車體不需要涂裝，焊腳高度過大影響其美觀性，且焊縫金屬與下板母材幾乎垂直過渡，導(dǎo)致下板焊趾處局部應(yīng)力集中，易于誘發(fā)疲勞裂紋。當(dāng)?shù)入x子電流為110 A時，既能保證焊縫熔深，又獲得良好的焊縫成形。且焊縫上表面與上板外面基本平齊，下板的焊趾處過渡平滑緩解了應(yīng)力集中程度。

2.1.2 MAG電流

在等離子電流110 A，焊接速度120 cm/min等工藝參數(shù)不變的條件下，從180～220 A改變MAG電流。不同MAG電流下焊縫截面形貌如圖3所示，MAG電流對焊縫寬度和厚度的影響如表2所示。可看出，隨著MAG電流的增加，焊縫寬度和厚度均逐步增加，這是由于電弧對工件的熱輸入增大，熱源位置下移，有利于熱量向深度方向傳導(dǎo)的原因[8]。當(dāng)MAG電流較小為180 A時，焊縫厚度較小，角焊縫根部焊透深度較淺，影響接頭的拉剪強(qiáng)度；當(dāng)MAG電流增大到220A時，雖然角焊縫根部熔透深度加大，但焊縫有咬邊缺陷，導(dǎo)致上板焊趾處局部應(yīng)力集中，易于誘發(fā)疲勞裂紋。綜上考慮，最終確定MAG電流為200 A。

圖2 不同等離子電流下焊縫截面形貌Fig.2 Morphology of weld section under different plasma currents

表1 等離子電流對焊縫寬度和厚度的影響Tab.1 Effect of plasma currents on the width and thickness of fillet weld

2.1.3 焊接速度

在等離子電流110A，MAG電流200A等工藝參數(shù)不變的情況下，從120～140cm/min改變焊接速度。不同焊接速度下焊縫截面形貌如圖4所示，焊接速度對焊縫寬度和厚度的影響如表3所示?？梢钥闯觯S著焊接速度的增加，焊縫寬度和厚度均逐漸減小，且下板焊趾處過渡逐漸陡峭，這是由于焊接熱輸入減小，等離子弧預(yù)熱作用減弱的原因。當(dāng)焊接速度增加到140 cm/min時，焊縫根部熔透深度過淺，并且焊縫金屬與下板母材幾乎垂直過渡，使得下板焊趾處局部應(yīng)力集中。綜合考慮以上因素，確定焊接速度為120 cm/min。

圖3 不同MAG電流下焊縫截面形貌Fig.3 Morphology of weld section under different MAG currents

表2 MAG電流對焊縫寬度和厚度的影響Tab.2 Effect of MAG currents on the width and thickness of fillet weld

2.2 搭接焊接頭力學(xué)性能

2.2.1 準(zhǔn)靜態(tài)拉剪強(qiáng)度

圖4 不同的焊接速度下焊縫截面形貌Fig.4 Morphology of weld section under different welding speeds

表3 焊接速度對焊縫寬度和厚度的影響Tab.3 Effect of welding speeds on the width and thickness of fillet weld

對等離子-MAG復(fù)合焊接頭和電阻點(diǎn)焊接頭各取5個拉剪試件，獲得的準(zhǔn)靜態(tài)拉剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。參照J(rèn)IS E4049-1990標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小拉伸剪斷力不低于31.97 kN，電阻點(diǎn)焊接頭的最小剪切力和平均剪切力均符合強(qiáng)度要求。與點(diǎn)焊接頭相比，等離子-MAG復(fù)合焊接頭的最小剪切力和平均剪切力都高于點(diǎn)焊接頭，其平均拉剪載荷提高約92%，滿足鐵道車輛用不銹鋼焊接接頭的設(shè)計要求。

表4 拉剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Result of shear-tensile strength test

等離子-MAG復(fù)合焊搭接接頭拉剪斷口形貌如圖5所示。由圖5可知，接頭在軸向拉剪載荷的作用下，首先在搭接角焊縫附近局部區(qū)域發(fā)生彎曲變形，并隨著拉伸過程的進(jìn)行塑性變形不斷累積增大，當(dāng)變形量超過金屬塑性極限在角焊縫根部發(fā)生開裂[9]，然后沿著接頭薄板一側(cè)的焊縫厚度方向破斷。由SEM照片可知，在拉剪斷口上分布大量的韌窩，因此從微觀形貌上來說接頭呈韌性斷裂特征。

圖5 拉剪試件斷口形貌Fig.5 Morphology of tensile-shear specimen

2.2.2 拉剪疲勞極限及S-N曲線

根據(jù)等離子-MAG復(fù)合焊接頭和電阻點(diǎn)焊接頭軸向脈動拉剪疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的雙對數(shù)S-N曲線如圖6所示。由圖6可知，不論在低壽命區(qū)還是在高壽命區(qū)，等離子-MAG復(fù)合焊接頭的疲勞載荷值均高于點(diǎn)焊接頭，通過擬合方程計算獲得在疲勞壽命為2×106的條件下，點(diǎn)焊接頭的疲勞極限為5.83 kN，等離子-MAG復(fù)合焊接頭的疲勞極限為7.75 kN。顯然與點(diǎn)焊接頭相比，等離子-MAG復(fù)合焊接頭的疲勞極限提高了約33%。

等離子-MAG復(fù)合焊搭接接頭拉剪疲勞斷口形貌如圖7所示。由圖7可知，宏觀疲勞斷口平齊，斷口周圍沒有宏觀塑性變形。疲勞裂紋起始于焊趾處的顯微缺口及近表面板材內(nèi)部夾雜物等應(yīng)力集中部位。在裂紋擴(kuò)展區(qū)發(fā)現(xiàn)一系列基本上互相平行，間距規(guī)則的疲勞輝紋，呈典型的塑性疲勞條帶特征。在瞬時斷裂區(qū)，疲勞裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，斷口形態(tài)為大量等軸韌窩，呈韌性斷裂特征。

圖6 焊接接頭S-N曲線Fig.6 S-N curve of welding joint

圖7 拉剪疲勞試件斷口形貌Fig.7 Morphology of tensile-shear fatigue specimen

3 結(jié)論

（1）厚度3 mm的SUS301L-MT與厚度5 mm的SUS304不銹鋼薄板搭接等離子-MAG復(fù)合焊接工藝參數(shù)為：等離子電流110 A，MAG電流200 A，MAG電壓22.3 V，焊接速度120 cm/min，等離子氣體流量3 L/min，保護(hù)氣體流量26 L/min。

（2）與電阻點(diǎn)焊接頭相比，不銹鋼搭接等離子-MAG復(fù)合焊接頭的拉剪強(qiáng)度提高約92%，在疲勞壽命為2×106條件下的疲勞極限提高約33%，符合鐵道車輛用不銹鋼焊接接頭的設(shè)計要求。

（3）不銹鋼搭接等離子-MAG復(fù)合焊接頭拉剪破斷起始于角焊縫根部，沿著接頭鄰近薄板熔合線的焊縫一側(cè)呈韌性斷裂；拉剪疲勞裂紋萌生于焊趾應(yīng)力集中處，沿著板材厚度方向擴(kuò)展直至斷裂。

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Page 28補(bǔ)償應(yīng)變片線路產(chǎn)生的感應(yīng)電勢相互抵消等措施，減小了點(diǎn)焊大電流產(chǎn)生的強(qiáng)磁場對應(yīng)力應(yīng)變式壓力傳感器信號的干擾，傳感器輸出信號能夠?qū)崟r有效地反映點(diǎn)焊壓力的變化。

圖9 短路焊接時壓力信號

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Research on plasma-MAG hybrid lap welding technology for stainless steel sheet

ZHANG Chengming1，HAN Xiaohui2，NING Haishi2，YAO Yuxin1，SHI Chunyuan1
（1.Institute of Material science and Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China；2.Department of Technology Engineering，CSR Qingdao Sifang Locomotive and Rolling Stock Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China）

Based on the lap combination of 3 mm SUS301L-MT and 5mm SUS304 stainless steel sheets，the plasma-MAG hybrid welding technology is used.The effects of plasma curren，MAG current and welding speed on the appearance of lap fillet welds are analyzed to obtain the optimal welding parameters.The quasi-static shear-tensile property and shear-tensile fatigue property of the lap joints with plasma-MAG hybrid welding and resistance spot welding are compared.The results show that under the determined welding parameters，plasma-MAG hybrid welding joints and resistance spot welding joints both meet the technical conditions for stainless steel welded joints for railway vehicle.Comparing with spot welding joints，the tensile-shear strength of plasma-MAG hybrid welding joints is increased by about 92%，and the fatigue strength is enhanced by about 33%under the fatigue cycle life of 2×106.

plasma-MAG hybrid welding；resistance spot welding；lap joint；tensile-shear；tensile-shear fatigue

TG444

：A

1001-2303（2015）09-0034-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.09.08

2015-04-01

張成銘（1990—），男，遼寧鳳城人，在讀碩士，主要從事不銹鋼車體焊接技術(shù)的研究工作。