雙絲焊焊接接頭沖擊值偏低的原因

吳向陽(yáng)，張志毅，陶傳琦，劉擁軍，王心紅

（1.南車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司技術(shù)工程部，山東青島266111；2.西南交通大學(xué)焊接研究所，四川成都610031）

雙絲焊焊接接頭沖擊值偏低的原因

吳向陽(yáng)1，張志毅1，陶傳琦1，劉擁軍2，王心紅1

（1.南車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司技術(shù)工程部，山東青島266111；2.西南交通大學(xué)焊接研究所，四川成都610031）

雙絲焊因其具有高效、節(jié)能、焊接速度高、熔敷率高、焊接質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)而獲得了廣泛的應(yīng)用。在雙絲焊應(yīng)用于轉(zhuǎn)向架側(cè)梁、橫梁焊接的工藝評(píng)定中，雙絲焊接頭沖擊值偏低，從焊接材料、母材、焊接線(xiàn)能量（焊接工藝參數(shù)）、焊后去應(yīng)力退火處理、評(píng)定準(zhǔn)備及評(píng)定過(guò)程等方面對(duì)接頭沖擊值偏低的原因作了初步探討。試驗(yàn)結(jié)果表明，雙絲焊沖擊值偏低與材料有關(guān)，與焊接工藝、焊后熱處理的關(guān)系不大；雙絲焊在轉(zhuǎn)向架側(cè)梁、橫梁焊接的應(yīng)用方案可行。雙絲焊技在轉(zhuǎn)向架上應(yīng)用，能大大提高生產(chǎn)效率，對(duì)于高速列車(chē)制造具有重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

雙絲焊；工藝評(píng)定；沖擊功；力學(xué)性能

0 前言

隨著工業(yè)化發(fā)展和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率已經(jīng)成為各行各業(yè)的焦點(diǎn)問(wèn)題。在焊接領(lǐng)域，如何采用優(yōu)質(zhì)、高效的焊接技術(shù)則成為當(dāng)前焊接工作者面臨的重要任務(wù)。一般來(lái)說(shuō)，焊接生產(chǎn)率的提高主要有兩個(gè)方面：（1）薄板焊接時(shí)焊接速度的提高；（2）中厚板焊接時(shí)熔敷率的提高。雙絲焊是目前國(guó)際焊接研究和推廣的熱點(diǎn)之一，它既保持了單絲焊接的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還有熔敷效率高等單絲焊接所不具備的特點(diǎn)，既可以實(shí)現(xiàn)高速焊接，又可以實(shí)現(xiàn)高熔敷率焊接，既可以焊接薄板結(jié)構(gòu)，也可以在中厚大結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品制造方面發(fā)揮作用，具有高效、節(jié)能、焊接速度高、焊接熔敷率高、焊接質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，南車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司已基本實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品焊接自動(dòng)化，但在自動(dòng)化焊接生產(chǎn)效率方面卻面臨著來(lái)自產(chǎn)能的壓力。伴隨工業(yè)產(chǎn)能的不斷提高，對(duì)焊接生產(chǎn)率提出了更為苛刻的要求，單絲自動(dòng)化焊接生產(chǎn)效率達(dá)到瓶頸。如何優(yōu)質(zhì)、高效的實(shí)現(xiàn)側(cè)梁外體焊接、橫梁多層堆焊等部件的制造，則成為了提高生產(chǎn)線(xiàn)產(chǎn)能進(jìn)一步提升的關(guān)鍵?；诖碎_(kāi)展了雙絲焊技術(shù)研究。在雙絲焊工藝評(píng)定中發(fā)現(xiàn)，接頭沖擊值偏低，在此背景下，對(duì)雙絲焊接頭偏低進(jìn)行了深入分析與研究，以期能夠提高焊接生產(chǎn)率。

1 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)選用日本JIS G 3114制造的SMA490BW（板厚12 mm），采用IGM焊接機(jī)器人RTI330i進(jìn)行自動(dòng)焊接，焊接設(shè)備在選用弗尼斯焊機(jī)TPS5000的此基礎(chǔ)上，更換了雙絲焊接串聯(lián)電源、送絲系統(tǒng)及焊槍、雙絲弧控板、送絲同步控制器、外接電源110 kVA穩(wěn)壓電源，并重新編寫(xiě)了控制底層的基本代碼及重新定義TCP等設(shè)備改造工作。焊接位置為平焊（PA），采用單絲MAG自動(dòng)焊打底，雙絲MAG自動(dòng)焊填充蓋面，保護(hù)氣體選用混合氣體φ（Ar）80%+φ（CO2）20%，焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表1。焊接時(shí)為防止焊接變形，采用工裝剛性固定。

表1 雙絲焊工藝參數(shù)Tab.1 Welding parameters of double-wire Welding

焊接完成之后采用磁粉探傷（MT）、超聲波探傷（UT）檢驗(yàn)，合格后按表2進(jìn)行去應(yīng)力退火處理，再進(jìn)行工藝評(píng)定。

2 試驗(yàn)結(jié)果及問(wèn)題

焊縫宏觀(guān)金相如圖1所示，由圖1可知，斷面沒(méi)有明顯裂紋、夾渣、未焊透、為熔合缺陷，焊縫成形良好。

對(duì)接頭進(jìn)行的拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，焊接接頭抗拉強(qiáng)度為525～570 MPa，符合設(shè)計(jì)要求（不得低于母材抗拉強(qiáng)度最低值490 MPa），斷裂位置均在焊接熱影響區(qū)，延伸率高于設(shè)計(jì)要求值15%，結(jié)果合格。同時(shí)開(kāi)展了雙絲焊接頭彎曲試驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)彎曲處有明顯的裂紋或開(kāi)裂，彎曲試驗(yàn)合格。

試板焊接接頭在-40℃沖擊試驗(yàn)結(jié)果不理想。在-40℃條件下，缺口開(kāi)在焊縫中心處的試樣平均沖擊值在40 J，缺口開(kāi)在焊接熱影響區(qū)的試樣平均沖擊值約45 J，接頭沖擊值偏低。本研究對(duì)沖擊值偏低的原因從焊接材料、母材、焊接線(xiàn)能量等多個(gè)方面進(jìn)行了分析，并制定了相應(yīng)措施。

表2 焊后熱處理工藝參數(shù)Tab.2 Heat treatment process parameters

圖1 宏觀(guān)金相Fig.1 Macro-metallographic of the butt joint

3 分析與討論

觀(guān)察沖擊值偏低試樣，斷口較為平整，有金屬光澤。SEM觀(guān)察試樣，其沖擊SEM斷口形貌如圖2所示。由圖2可知，在-40℃的條件下，雙絲焊接頭沖擊試樣斷口具有明顯的河流狀的脆性斷裂特征，局部位置還具有孔洞型缺陷。在此對(duì)沖擊值偏低原因進(jìn)行了分析。

3.1 材料及其化學(xué)成分對(duì)沖擊值的影響

所選焊接材料在單位使用多年，接頭沖擊值在-40℃情況下沖擊值都在80 J以上。對(duì)熔敷金屬在沖擊功-40℃條件下進(jìn)行測(cè)試，熔敷金屬在沖擊功平均值117 J，滿(mǎn)足在-40℃條件下不低于75 J的要求。盡管熔敷金屬?zèng)_擊功滿(mǎn)足要求，但是焊接過(guò)程中，焊縫金屬是焊接材料在高溫條件下與母材發(fā)生冶金作用共同形成，熔敷金屬?zèng)_擊功并不能確保焊接接頭沖擊功。為了進(jìn)一步驗(yàn)證焊接材料問(wèn)題，將單位使用多年的另一廠(chǎng)家的焊接材料進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果同樣是焊接接頭低溫沖擊值偏低。

圖2 沖擊值偏低試樣斷口Fig.2 The fracture of lower impact

焊接接頭性能主要依靠焊接過(guò)程中冶金作用來(lái)調(diào)整焊縫金屬成分[1]，確保接頭力學(xué)性能。通常在允許范圍內(nèi)適當(dāng)增加錳、鎳、鉻等元素的含量，降低碳、硫、磷等元素的含量，有助于降低焊接接頭的脆性，提高焊接接頭的沖擊值。其中，含錳量越高，含碳量越低，即較高的Mn/C含量有利于提高接頭沖擊值，硅對(duì)韌性有不良的影響，磷等雜質(zhì)容易偏聚在晶界，降低晶界表面能，降低韌性。試驗(yàn)用材料中碳、硫、磷含量盡管都在材料許可范圍內(nèi)，但對(duì)接頭沖擊值的偏低有一定的影響。Ni是提高鐵素體基體韌性，是提高焊縫韌性的最主要元素。此外，鉬元素有利于形成高密度位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)針狀鐵素體，鈮元素有抑制再結(jié)晶并細(xì)化晶粒的效果，釩對(duì)鋼的韌性有一定的改善，這些元素對(duì)于提高沖擊值有利[2-3]。一旦母材自身成分有小的波動(dòng)，對(duì)母材自身性能的影響較大，焊后對(duì)焊接接頭沖擊性能的影響也較大，加之本次試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)焊接熱影響區(qū)的沖擊功在低溫條件下也要低許多，甚至出現(xiàn)了缺口開(kāi)在焊接熱影響區(qū)的沖擊功平均值偏低的現(xiàn)象，因此，該批次母材在性能方面有待進(jìn)一步檢驗(yàn)。

3.2 接頭組織對(duì)沖擊值的影響

焊接工藝不合理是引起焊接接頭發(fā)生質(zhì)量事故的重要原因。選擇較大的工藝參數(shù)，造成焊接接頭晶粒組織粗大，影響接頭性能；選擇較小的工藝參數(shù)，必然導(dǎo)致接頭成形不良。因此，合理制定焊接工藝，是焊接接頭獲得優(yōu)良性能的前提。本次試驗(yàn)在充分參考單絲自動(dòng)焊的基礎(chǔ)上，通過(guò)不斷優(yōu)化工藝而制定，接頭各區(qū)顯微組織如圖3所示。

由圖3可知，母材組織為鐵素體和珠光體組織，焊縫區(qū)金相大都為先析鐵素體，晶內(nèi)為上貝氏體（或粒狀貝氏體）、針狀鐵素體和珠光體組織，粗晶區(qū)為上貝氏體和珠光體組織。母材中的鐵素體呈片條狀，其尺寸十分細(xì)小，能夠有效地阻礙缺陷的擴(kuò)展，提高其韌性。鐵素體內(nèi)部的高密度位錯(cuò)和亞結(jié)構(gòu)，在一定程度上可以提高韌性，確保沖擊值。在焊縫區(qū)，接頭的顯微組織成分、大小、分布都不是很均勻，上貝氏體的存在對(duì)接頭的沖擊韌性十分不利，會(huì)嚴(yán)重降低接頭的沖擊功[4-5]。高密度位錯(cuò)和微細(xì)鐵素體的存在，在一定程度上降低了上貝氏體的不利影響，使得接頭在-40℃低溫條件下仍具有一定的沖擊韌性。顯然，上貝氏體的存在也是接頭沖擊值不高的重要原因。

焊接接頭各種組織的晶粒尺寸對(duì)接頭的沖擊韌性有著較大的影響。派奇方程描述了晶粒尺寸與韌-脆轉(zhuǎn)變溫度的關(guān)系[6]：

式中 β、B、C均為常數(shù)；d為鐵素體的晶粒尺寸；Tc為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。為分析方便，將上式簡(jiǎn)單表示為

由式（1）、式（2）可知，晶粒直徑越大，其韌脆轉(zhuǎn)變溫度就越高，韌性就越差，反之韌性則越好。晶粒細(xì)化時(shí)，單位體積內(nèi)的晶粒數(shù)量就越多，塑性變形可分散在更多的晶粒上進(jìn)行，塑性變形就會(huì)更均勻。晶粒細(xì)化使得晶界總面積增加，致使裂紋擴(kuò)張阻力增加，降低了脆性斷裂的傾向。由圖2可知，粗晶區(qū)及焊接熱影響區(qū)晶粒度較大。這是因?yàn)?，焊道之間不停歇施焊，會(huì)使后續(xù)焊接時(shí)的層間溫度提高而產(chǎn)生焊接熱輸入量的累積效應(yīng)，導(dǎo)致粗晶區(qū)、焊接熱影響區(qū)的晶粒增大。因此工藝及所引起的晶粒尺寸長(zhǎng)大不是沖擊值偏低的主要原因。

圖3 接頭各區(qū)顯微組織Fig.3 Microstructure of the welded joints

3.3 應(yīng)力狀態(tài)對(duì)沖擊值的影響

研究表明[7]，試件受到外載時(shí)，在主平面上作用有最大正應(yīng)力σmax，與主平面呈45°的平面上作用有最大切應(yīng)力τmax，與主平面垂直的平面上有最小正應(yīng)力σmin。如果在τmax達(dá)到屈服點(diǎn)前，σmin先達(dá)到抗拉強(qiáng)度，往往容易發(fā)生脆性斷裂。

在焊接過(guò)程中，為防止焊接變形，采用工裝剛性固定試件（試件厚度為12mm），焊接結(jié)束后，沿著焊縫方向的縱向殘余應(yīng)力、橫向殘余應(yīng)力表現(xiàn)出拉應(yīng)力。焊接完成之后進(jìn)行去應(yīng)力退火熱處理，但焊后熱處理對(duì)接頭組織細(xì)微結(jié)構(gòu)、局部應(yīng)力狀態(tài)具有一定的調(diào)節(jié)改善作用，能夠提高接頭低溫韌性，但無(wú)法改變接頭組織的基本形態(tài)，對(duì)低溫韌性的改變有限[8]。

4 結(jié)論

（1）在-40℃條件下，雙絲焊接頭沖擊值偏低是因?yàn)榻宇^具有脆性斷裂特征。

（2）接頭韌脆轉(zhuǎn)變的因素主要由材料引起，與焊接工藝、焊后熱處理的關(guān)系不大，建議加大材料入廠(chǎng)檢驗(yàn)力度。

（3）上貝氏體的存在也是接頭沖擊值偏低的重要原因。

（4）通過(guò)系列措施，雙絲焊已用于在轉(zhuǎn)向架側(cè)梁、橫梁焊接的生產(chǎn)制造，并提高了生產(chǎn)效率，提高了經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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Analysis and study on low impact value of welded joint in double-wire welding

WU Xiangyang1，ZHANG Zhiyi1，TAO Chuanqi1，LIU Yongjun2，WANG Xinhong1
（1.Department of Technology Engineering，CSR Qingdao Sifang Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China；2.Welding Institute，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

Double-wire welding is widely used because of high efficiency，energy saving，high welding speed，high deposition efficiency and good welding quality.In the procedure qualification of bogie side beam and beam with double-wire welding，the welded joints have low impact value.From the aspects of welding material，base material，welding line energy(welding parameter)，postweld stress relieving by annealing，assessment preparation and process，the reasons for low impact value of welded joints are preliminary discussed. The results show that the low impact value of double-wire welding relates to materials but rarely concerns the welding technology and postweld heat treatment.And double-wire welding is feasible for the bogie side beam and beam.The application of double-wire welding technology in bogie can greatly improve the production efficiency and has important economic and social benefits for high speed train manufacturing.

double-wire welding；procedure qualification；impact energy；mechanical property

TG446

：A

1001-2303（2015）09-0156-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.09.35

2014-12-05

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“更高速度等級(jí)轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵技術(shù)及裝備研制”（2011BAG10B01）資助

吳向陽(yáng)（1983—），男，江蘇連云港人，在讀碩士，主要從事高速列車(chē)轉(zhuǎn)向架焊接工藝及機(jī)器人二次應(yīng)用開(kāi)發(fā)與系統(tǒng)集成技術(shù)的研究工作。