SUS301L不銹鋼冷金屬過渡焊搭接接頭焊接工藝、微觀組織及力學(xué)性能

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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

隨著我國城市化建設(shè)的提速和國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市交通擁堵的問題日益嚴(yán)重[1]。目前，城市軌道交通是能夠解決城市擁堵問題的一種備受推崇的交通方式，其發(fā)展程度也成為衡量一個(gè)國家社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。在軌道交通領(lǐng)域，車體的減重不僅能夠減少車體制造所需材料以及運(yùn)行所需能耗，還擁有長遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)效益[2]。相較傳統(tǒng)列車車體，新型不銹鋼車體能夠減重20%～30%[3]，并且具有抗腐蝕性強(qiáng)、成本低、壽命長、強(qiáng)度高、外形美觀等特點(diǎn)。

隨著相關(guān)生產(chǎn)制造企業(yè)車體輕量化材料的升級(jí)及應(yīng)用，不銹鋼薄板車體結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用越來越廣泛，現(xiàn)階段我國一些軌道車輛生產(chǎn)制造廠已經(jīng)逐步開始使用不銹鋼材料替代原有碳鋼材料，焊裝工藝主要采用電阻點(diǎn)焊及MAG焊。若采用常規(guī)MAG焊接，薄板會(huì)在焊接過程產(chǎn)生較大變形、較高的殘余應(yīng)力及焊接接頭缺陷，嚴(yán)重情況下甚至?xí)驘崃鸭y及應(yīng)力問題產(chǎn)生開裂。而電阻點(diǎn)焊工藝在無損檢測(cè)技術(shù)方面局限性很大，常規(guī)檢測(cè)方法難以對(duì)點(diǎn)焊接頭進(jìn)行有效的無損檢測(cè)[4]；同時(shí)，該方法焊點(diǎn)較多，可能會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)分流，影響焊接質(zhì)量；此外，電阻點(diǎn)焊對(duì)車體美觀也有一定的影響[5]。

CMT冷金屬過渡焊接技術(shù)是奧地利福尼斯公司2002年推出的焊接技術(shù)，該種技術(shù)為熔化極氣體保護(hù)焊的應(yīng)用拓展了新領(lǐng)域[6]，利用2套焊絲抽送機(jī)構(gòu)的配合實(shí)現(xiàn)了“冷”金屬過渡。針對(duì)不銹鋼薄板，CMT焊接技術(shù)在相同的焊接電壓和焊接速度下所獲得的熔寬基本與傳統(tǒng)的熔化極氣體保護(hù)焊相差無幾，熔深卻更小，焊縫成形更加美觀，幾乎無任何飛濺。

本研究利用CMT冷金屬過渡焊接，成功實(shí)現(xiàn)了不等厚301L不銹鋼薄板的搭接，并對(duì)搭接接頭進(jìn)行了相關(guān)力學(xué)性能測(cè)試及微觀組織分析。

1 試驗(yàn)方法及材料

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用SUS301L-MT奧氏體不銹鋼，填充材料為ER308LSi不銹鋼焊絲，直徑φ1.0 mm，母材及焊絲的化學(xué)成分、母材機(jī)械性能分別如表1、表2所示。SUS301L-MT不銹鋼材料經(jīng)過形變強(qiáng)化以提高強(qiáng)度，其二次壓延率控制在9%～17%，強(qiáng)度較高。保護(hù)氣體為 φ（Ar）97%+φ（CO2）3%，在純 Ar氣中加入少許氧化性氣體，克服了純Ar氣在焊接不銹鋼時(shí)因液態(tài)金屬潤濕性差導(dǎo)致的咬邊缺陷以及陰極半點(diǎn)漂移造成的電弧不穩(wěn)定。

表1 母材及焊絲的化學(xué)成分 %

表2 SUS301L-MT不銹鋼的基本機(jī)械性能

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用奧地利福尼斯公司的TransPulsSynergic CMT冷金屬過渡焊機(jī)進(jìn)行焊接。采用ABB IRB2600型機(jī)器人，臂長1.65 m，最高負(fù)荷20 kg，可以實(shí)現(xiàn)6軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，通過視教器編寫程序?qū)C(jī)器人焊接進(jìn)行控制；試驗(yàn)所用焊接工作臺(tái)為焊研威達(dá)生產(chǎn)的HB-5型焊接變位機(jī)，能實(shí)現(xiàn)臺(tái)面順時(shí)針方向及逆時(shí)針方向0～180°的轉(zhuǎn)動(dòng)和0～90°的翻轉(zhuǎn)。工件尺寸350 mm×150 mm，厚度分別為0.8 mm、4 mm，焊接接頭形式為4 mm板搭接在0.8 mm板上，如圖1所示。焊接時(shí)，4 mm試板約束、固定于焊接工作臺(tái)，焊縫保持懸空狀態(tài)，0.8 mm試板不施加其他約束。

在工藝參數(shù)優(yōu)化過程中，通過接頭宏觀形貌和剪切拉伸試驗(yàn)綜合評(píng)估各組參數(shù)，并選取最佳參數(shù)進(jìn)行焊接；焊接完成后，通過激光三維掃描技術(shù)掃描試板，并選取合適的基準(zhǔn)面進(jìn)行變形情況分析計(jì)算；在焊接接頭合適位置切取金相試驗(yàn)，觀察、分析焊接接頭各區(qū)域微觀組織；使用HV-30維氏硬度計(jì)測(cè)量焊接接頭硬度分布，考慮到板厚及接頭形式，采用的加載載荷為1 kN，加載時(shí)間為10 s；母材處的硬度測(cè)試點(diǎn)間距為1 mm，靠近熱影響區(qū)后側(cè)間距0.5 mm取測(cè)量點(diǎn)，以保證能夠較好地反映接頭的硬度分布情況。

圖1 搭接接頭型式

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 4-0.8 mm搭接接頭工藝研究及焊縫成形分析

針對(duì)4-0.8 mm SUS301L-MT奧氏體不銹鋼的搭接接頭進(jìn)行工藝探索試驗(yàn)。焊接前，先用角磨機(jī)打磨試板，隨后使用丙酮進(jìn)行清洗，去除油污。焊接過程中，干伸長為16 mm；焊槍沿焊縫方向與試板成60°夾角，沿垂直焊縫方向與試板成45°夾角；保護(hù)氣流量25 L/min。此外，為了防止電弧偏弧引起的焊接過程不穩(wěn)定以及焊縫形貌過于凸出造成的應(yīng)力集中，設(shè)定焊機(jī)弧長修正為+15，電弧推力修正為-5。

工藝優(yōu)化試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果如表3所示。#3、#6、#9工藝參數(shù)下獲得的焊縫形貌良好且連續(xù)，無明顯缺陷及飛濺；#1、#2、#7、#8參數(shù)下所得搭接接頭焊縫形貌較差，極為不連續(xù)。故在其他組工藝參數(shù)所得搭接接頭的合適位置切取拉伸剪切試樣，并在試樣4 mm、0.8 mm兩端分別放置補(bǔ)償塊以保證拉伸載荷的軸向作用，最終使用試驗(yàn)過程中的最大拉伸力表征0.8-4 mm搭接接頭的抗拉性能。由拉伸剪切試驗(yàn)結(jié)果可知，#3工藝所得搭接接頭具有最高的最大拉伸剪切力，為22 234.42 N，其拉伸剪切取樣示意及力-時(shí)間曲線如圖2所示。

表3 4-0.8 mm不銹鋼搭接接頭工藝試驗(yàn)參數(shù)及拉伸剪切最大力

采用#3工藝參數(shù)所得焊縫外觀如圖3a所示。在#3參數(shù)下，CMT冷金屬過渡焊接對(duì)于4-0.8 mm搭接接頭的橋接能力較好。焊縫整體形貌良好，表面均勻、美觀，無飛濺及咬邊、塌陷等明顯缺陷。經(jīng)過腐蝕處理的焊縫橫截面宏觀形貌如圖3b所示?？梢钥闯觯?塊試板板厚差較大的情況下，利用#3參數(shù)獲得的焊接接頭的熔寬合適，4 mm側(cè)熔深較大，而0.8 mm側(cè)較小的熔深確保了底板不會(huì)被焊穿。綜上所述，當(dāng)焊接速度為7 mm/s、送絲速度為4.0 m/min、弧長修正為+15、電弧推力修正為-5時(shí)，獲得的4-0.8 mm搭接接頭最為理想。

圖2 搭接接頭拉伸剪切試驗(yàn)

圖3 #3工藝參數(shù)所得搭接接頭

2.2 微觀組織分析

在4-0.8 mm搭接接頭合適位置取金相試樣，經(jīng)不同粗糙度砂紙粗磨、細(xì)磨及機(jī)械拋光后使用10 g FeCl3+30 ml HCl+120 ml蒸餾水的腐蝕溶液進(jìn)行室溫侵蝕，隨后使用金相顯微鏡觀察焊接接頭各區(qū)域微觀組織。

搭接接頭焊縫區(qū)、熔合線、熱影響區(qū)及母材在不同倍數(shù)下的微觀組織如圖4所示。結(jié)果表明，焊縫區(qū)的黑色樹枝晶為沿奧氏體晶粒邊界析出的鐵素體，白色組織為奧氏體組織，奧氏體晶粒以柱狀晶形態(tài)向焊縫中心生長，而焊縫中心則為細(xì)小、均勻的等軸晶。在焊縫邊緣熔合區(qū)附近，觀察到部分細(xì)小的柱狀晶垂直于熔合線向焊縫中心生長，其原因可能是凝固初始時(shí)期，溫度梯度較大，結(jié)晶速度較慢，所以成分過冷區(qū)較小，在熔合線附近產(chǎn)生了細(xì)小的柱狀晶[7]，母材與焊縫熔合良好。除此之外，在熔合線附近的熱影響區(qū)出現(xiàn)了層狀生長的鐵素體組織，這是由于高溫影響下的鐵素體生成元素形成了第二相的偏聚所產(chǎn)生[5]。

熱影響區(qū)的組織主要為奧氏體晶粒，相比于母材，其奧氏體晶粒受焊接過程熱作用發(fā)生了再結(jié)晶和晶粒長大，從而造成熱影響區(qū)晶粒粗化。隨著距焊縫距離的增加，粗化作用被削弱，形成了不完全重結(jié)晶區(qū)。上述原因使熱影響區(qū)組織不均勻，從而降低了其整體力學(xué)性能。而搭接接頭母材區(qū)主要組織為奧氏體，由于來料為冷軋態(tài)，能明顯觀察到軋制流線和形變馬氏體。

圖4 4-0.8 mm搭接接頭微觀組織

2.3 搭接接頭硬度分布

4-0.8 mm不銹鋼搭接接頭硬度分布如圖5所示。針對(duì)該類搭接接頭，分別在0.8 m試板厚度方向中心線處和距離該中心線2mm處進(jìn)行硬度測(cè)試，分別用Line2和Line1表示。由圖5可知，該搭接接頭硬度最低點(diǎn)出現(xiàn)在焊縫區(qū)，Line1中硬度最小值約為HV152.14，Line2中硬度最小值約為HV178.08。

圖5 4-0.8 mm搭接接頭硬度分布

2.4 變形測(cè)量

利用激光三維掃描技術(shù)掃描焊接完成的4-0.8 mm不銹鋼搭接接頭。掃描測(cè)試時(shí)，試板約束狀態(tài)與焊接時(shí)相同。根據(jù)掃描得到的實(shí)體模型，在約束較好的部位選取變形測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)和基準(zhǔn)平面，對(duì)試板的z方向變形進(jìn)行模型擬合計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。由測(cè)試結(jié)果可知，試板在焊接完成后發(fā)生波浪變形，在0.8 mm試板無約束側(cè)尤為明顯，在其兩端邊緣上最大變形量達(dá)到6.492 mm；而試板中心邊緣處最大變形量為-5.251 mm。

圖6 激光三維掃描變形測(cè)量結(jié)果

3 結(jié)論

（1）由工藝優(yōu)化試驗(yàn)可知，4-0.8 mm搭接接頭的最優(yōu)工藝參數(shù)為：焊接速度7 mm/s，送絲速度為4 m/min，采用該參數(shù)獲得的焊縫成形美觀，無明顯缺陷，焊縫與母材熔合良好，且擁有最佳的最大拉伸剪切力，為22 234.42 N。

（2）利用金相顯微鏡分析觀察接頭不同區(qū)域組織：焊縫區(qū)主要組織為枝晶狀鐵素體和奧氏體；熱影響區(qū)附近觀察到粗化后的奧氏體晶粒；母材組織主要為奧氏體與冷作硬化后產(chǎn)生的形變馬氏體。

（3）硬度測(cè)試結(jié)果表明，硬度最低點(diǎn)出現(xiàn)在焊縫，Line1中硬度最小值約為HV152.14，Line2中硬度最小值約為HV178.08。

（4）通過激光三維掃描z方向變形測(cè)量可知，焊后試板出現(xiàn)波浪邊形，0.8 mm無約束試板邊緣處變形量最大，且試板兩邊變形量為正，中間變形量為負(fù)。

[1]李培.地鐵不銹鋼車體結(jié)構(gòu)性能研究[D].遼寧：大連交通大學(xué)，2010.

[2]Wang W Q，Meng Q L，Niu L Y.Study on CMT Welding of Stainless Steel Railway Vehicle Body[J].Advanced Materials Research，2014（936）：1769-1774.

[3]都本剛.城軌車用不銹鋼薄板焊接工藝研究[D].遼寧：大連交通大學(xué),2007.

[4]Wang Hongxiao，Wang Chunsheng.Influence of shielding gas for microstructure and properties of lap laser welding stainless steel railway vehicle[J].Advanced Materials and Information Technology Processing，2014（87）：63-70.

[5]孟慶亮.不銹鋼薄板冷金屬過渡焊焊接（CMT）工藝研究[D].吉林：吉林大學(xué)，2015.

[6]張洪濤，馮吉才，胡樂亮.CMT能量輸入特點(diǎn)與熔滴過渡行為[J].材料科學(xué)與工藝，2012，20（2）：128-132.

[7]郭國林，楊莉，柳健，等.激光功率對(duì)304不銹鋼薄板搭接接頭組織和性能的影響[J].熱加工工藝，2016（9）：213-215.