不銹鋼冷金屬過渡焊角接接頭應(yīng)力及變形規(guī)律研究

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（1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610031）

0 前言

近年來，我國鐵路運(yùn)輸業(yè)發(fā)展迅速，高速列車車體逐漸朝著輕量化趨勢(shì)發(fā)展，因此不銹鋼薄板的車體結(jié)構(gòu)得到了非常廣泛的應(yīng)用。但是傳統(tǒng)的MAG/MIG焊存在熱輸入較大、熱作用范圍較寬等問題，容易導(dǎo)致薄板在焊接過程中存在嚴(yán)重的焊接變形和較高的殘余應(yīng)力，且傳統(tǒng)焊接方法飛濺嚴(yán)重，影響焊縫美觀[1]。相比于碳鋼，奧氏體不銹鋼電阻率高、熱導(dǎo)率小、線膨脹系數(shù)大，在焊接過程中會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，容易出現(xiàn)燒穿和較大的焊接變形[2]。

冷金屬過渡焊（Cold Metal Transfer，CMT）作為一種新型焊接技術(shù)，具有低能耗、低污染、高品質(zhì)、無飛濺等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)車制造、微電子器件等行業(yè)[3]。CMT是以熔化極氣體保護(hù)焊為基礎(chǔ)，基于熔化極氣體保護(hù)焊的短路過渡方式，對(duì)焊接過程進(jìn)行數(shù)字化監(jiān)控，將熔滴過渡和送絲運(yùn)動(dòng)相結(jié)合，可降低熱輸入且焊接過程無飛濺產(chǎn)生[4]。本研究采用CMT技術(shù)獲得了異種厚度不銹鋼薄板的角接接頭，在焊接過程中使用熱電偶采集焊接熱循環(huán)曲線。對(duì)于成形良好的角接接頭，分別用X射線測試儀及3D激光掃描儀測殘余應(yīng)力和焊接變形。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

選用0.8 mm與4 mm異種厚度的SUS301L不銹鋼進(jìn)行角接試驗(yàn)（0.8 mm板為底板，4 mm板為腹板），焊絲為直徑1.0 mm的ER308LSi焊絲。母材和焊絲的成分如表1所示。試板在試驗(yàn)前均用酒精擦拭。焊絲的干伸長約15 mm。

表1 SUS301L不銹鋼化學(xué)成分表 %

1.2 試驗(yàn)方法和設(shè)備

在進(jìn)行工藝試驗(yàn)時(shí)，采用讓焊縫處于懸空狀態(tài)的方法，即0.8 mm底板進(jìn)行角接的一側(cè)不施加任何約束使其自由變形，而另一側(cè)用機(jī)械約束進(jìn)行固定。優(yōu)化后的焊接工藝參數(shù)如表2所示。焊接設(shè)備為TPS4000 CMT焊機(jī)，如圖1所示。目前，車頂波紋板和底架波紋板與其他薄板部件的焊接擬采用CMT以填補(bǔ)薄板焊接技術(shù)的空白，實(shí)現(xiàn)車體結(jié)構(gòu)件質(zhì)量的全面提升，如圖2所示。

表2 焊接工藝參數(shù)

圖1 CMT焊接及機(jī)械臂

為獲得角接接頭的焊接熱循環(huán)參數(shù)，在焊接前將熱電偶布置在0.8 mm薄板上分別距焊縫中心0 mm、4 mm處。使用CREAFORM手持式3D激光掃描儀（見圖3）對(duì)角接試板的焊后變形進(jìn)行掃描測量?；赬射線法使用μ-X360殘余應(yīng)力分析儀（見圖4）測試角接試板殘余應(yīng)力，接頭模型及殘余應(yīng)力分布點(diǎn)如圖5所示。

圖2 車體結(jié)構(gòu)示意

圖3 手持式3D激光掃描儀

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 焊縫形貌和熱循環(huán)過程

采用優(yōu)化后的工藝參數(shù)獲得的角接接頭如圖6所示，焊縫均勻美觀，表面無明顯缺陷，接頭無飛濺。由于0.8 mm底板在接頭側(cè)未受到約束，因而發(fā)生了較大的波浪狀變形。接頭的橫截面宏觀形貌如圖7所示，焊縫鋪展均勻，與底板和腹板的熔合情況良好，且在優(yōu)化的工藝參數(shù)下，0.8mm薄板不會(huì)發(fā)生燒穿現(xiàn)象。

圖4 μ-X360殘余應(yīng)力分析儀

圖5 角接接頭模型及殘余應(yīng)力布點(diǎn)示意

圖6 角接接頭宏觀形貌

圖7 接頭截面形貌

熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一，它可與被測工件之間接觸因而測量精度較高，溫度的測量范圍廣且可根據(jù)不同需求使用不同材質(zhì)的熱電偶，構(gòu)造及使用也相當(dāng)方便[5]。分別在距焊縫0 mm、4 mm處布置熱電偶，采集該處在焊接過程中溫度的變化曲線。焊接熱循環(huán)曲線如圖8所示，焊縫中心溫度約1 100℃，距焊縫4 mm處最高溫度達(dá)到600℃。在焊接過程中，焊縫區(qū)及遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域溫度會(huì)經(jīng)歷先升高后下降的過程，而由于熱傳導(dǎo)，靠近焊縫區(qū)溫度變化更為劇烈，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)的溫度變化較平緩[5]。距離焊縫中心越近，溫度變化范圍越大，變化速率越快，在焊縫中心處熱循環(huán)曲線比較“尖”，隨著距焊縫中心的距離增加，熱循環(huán)曲線會(huì)變“鈍”[6]。

圖8 焊接熱循環(huán)曲線

2.2 焊接變形測量結(jié)果

3D激光掃描儀具有掃描速度快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、精度高等特點(diǎn)，可以顯著降低成本，并且使用方便，能夠?qū)崿F(xiàn)與設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行分析比較，以確定其變形的大小[7]。利用該設(shè)備獲得的焊接變形測量結(jié)果如圖9所示，可以看出0.8 mm底板的變形相對(duì)很大，呈波浪形態(tài)，其最大變形量為6.545 mm。

圖9 焊接變形

2.3 殘余應(yīng)力測試結(jié)果

X射線法測殘余應(yīng)力是根據(jù)晶面間距的變化來確定應(yīng)變，可以測定很小范圍內(nèi)的應(yīng)變。該方法理論推導(dǎo)嚴(yán)謹(jǐn)，試驗(yàn)技術(shù)完備，測量結(jié)果可靠，已在科研和生產(chǎn)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[8]。根據(jù)圖5的布點(diǎn)順序，從腹板向底板依次測得的殘余應(yīng)力結(jié)果如圖10所示。殘余應(yīng)力呈“M”型分布，即在熱影響區(qū)為拉應(yīng)力，焊縫中心及母材處均為壓應(yīng)力。由于是不同厚度不銹鋼薄板的接頭，焊縫兩側(cè)殘余應(yīng)力分布趨勢(shì)不同，0.8 mm底板發(fā)生較大的不均勻變形，其殘余應(yīng)力的變化范圍也較大，而4mm腹板的殘余應(yīng)力從母材至焊縫中心變化較小。

圖10 角接接頭殘余應(yīng)力分布

3 結(jié)論

采用冷金屬過渡技術(shù)焊接4 mm與0.8 mm異種厚度的角接接頭，采集距焊縫不同位置的焊接熱循環(huán)曲線，測試接頭的殘余應(yīng)力與焊接變形。

（1）采用優(yōu)化后的工藝參數(shù)獲得的角接接頭成形良好，焊縫美觀，無明顯飛濺。

（2）用熱電偶測得焊縫溫度約1 100℃，距焊縫4 mm處溫度為600℃。

（3）厚度0.8 mm底板發(fā)生了較大的波浪狀焊接變形，最大變形量為6.545 mm。

（4）接頭的殘余應(yīng)力呈“M”型分布，焊縫中心和母材處為壓應(yīng)力，熱影響區(qū)為拉應(yīng)力。

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