基于變形控制的Q345NQR2耐候鋼板CMT縫焊參數(shù)優(yōu)化

劉立峰，邢彥鋒，劉文杰，王 影，賈慎鋒

（1.上海和達(dá)汽車配件有限公司，上海201712；2.上海工程技術(shù)大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，上海 201620）

0 前言

Q345NQR2耐候鋼板材是一種耐大氣腐蝕的高強度鋼質(zhì)板材，大量用于軌道車輛的車身構(gòu)件的制造中[1]。耐候鋼焊接主要采用焊條電弧焊、埋弧焊、氣體保護(hù)焊、激光堆焊、激光-MAG復(fù)合焊接等焊接工藝[2-5]，研究者們主要從焊接工藝對熔深、熔寬、焊接接頭的力學(xué)性能、金相組織、低溫斷裂韌性、疲勞特性、耐腐蝕性等的影響方面進(jìn)行了大量研究。然而隨著車輛制造工藝的發(fā)展，對焊后試件變形控制的要求越來越高，傳統(tǒng)的電弧焊、MAG焊、激光焊等技術(shù)由于熱輸入量大，容易出現(xiàn)燒穿，產(chǎn)生較大變形，已無法滿足現(xiàn)代制造工藝的發(fā)展需求[6]。

CMT焊接工藝具備熱輸入小、過程穩(wěn)定、無飛濺等特點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鋁、鎂、鈦合金以及異種金屬等薄板件的焊接[7-9]，耐候鋼板CMT焊接工藝方面的研究報道較少。劉朋等人采用雙絲CMT焊接工藝對3 mm厚Q345薄板進(jìn)行焊接，研究了焊接電流對焊接接頭的宏觀、微觀形貌和力學(xué)性能的影響，優(yōu)化了電流參數(shù)[10]。許晗等人采用CMT焊接技術(shù)對1.5 mm厚Q450耐候鋼板材的焊接參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，綜合接頭外觀及接頭性能確定最佳參數(shù)，并測試其焊接變形[11]。然而，CMT焊接參數(shù)對耐候鋼板件焊后試件變形的影響的討論較少。

本文從Q345NQR2耐候鋼板件CMT焊后試件變形控制的角度出發(fā)，設(shè)計三水平五因素有交互的正交實驗方案，提取試件多個特征點的變形量，運用直觀極差和方差分析對變形量進(jìn)行分析，研究CMT縫焊最優(yōu)參數(shù)以及影響板件變形的關(guān)鍵因素，對有效控制Q345NQR2耐候鋼薄板件CMT縫焊試件變形具有重要意義。

1 實驗方法

實驗用CMT焊機為Fronius 4000（伏能士智能設(shè)備（上海）有限公司），焊接母材為Q345NQR2耐候鋼板材，尺寸為150 mm×150 mm×3 mm，焊接布置方式如圖1所示。焊絲型號CuAl8，直徑1.2 mm，試驗前先用丙酮清洗表面油污等雜質(zhì)。

試件變形參數(shù)采用手持式三維掃描儀（Handyscan300，Creaform）提取。焊前使用記號筆在清潔板材表面相互垂直的方向畫出平行線，每塊板共有36個相交測點，選取具有代表性的10個點標(biāo)上序號，貼上靶點，進(jìn)行焊前掃描測量（見圖1a），基于圖1a中夾具四角上的四個點標(biāo)記相對位置建立坐標(biāo)系（見圖1b）。焊接完成后，再次使用三維掃描儀掃描試件，獲得靶點定位文件，分別計算1～10號點焊接前后Z軸方向的差值和絕對變形值，用于表征變形量。

焊接實驗方案采用三水平五因素有交互的正交實驗，考慮送絲速度、焊接速度、焊接間隙、送氣速度和弧長修正五個影響因素，以及送絲速度與焊接速度、焊接間隙與送氣速度交互在三個水平上的正交實驗（相應(yīng)實驗因素及水平值如表1所示），一共設(shè)計了18組實驗，具體正交實驗方案如表2所示。

圖1 板件測點分布圖和靶點坐標(biāo)系Fig.1 Distribution of measuring points target coordinate system

表1 實驗因素及水平Table 1 Experimental factors and levels

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 典型測點變形分析

18組焊接實驗試件各點變形結(jié)果如圖2a所示，試件的最大變形主要發(fā)生在5號測點上，9號點的變形量也相對較大，為了更直觀地表征試件在各點的變形結(jié)果，18組實驗中各點變形量平均值、最大值和最小值的統(tǒng)計如圖2b所示。5號點和9號點變形平均值和最大值都較高，平均變形量分別為1.043 mm和0.955 mm，9號測點的最大變形量處在最高水平，為2.993 mm，在實際生產(chǎn)過程中對板件焊接影響很大。其他各點的變形平均值和最大值水平均較低，平均值均在0.496～0.773 mm。

為了減小數(shù)據(jù)分析的偶然性及誤差，在試件變形量測試中，考慮到測點1號和8號，2號和7號，3號和6號，4號和5號具有幾何對稱性，每一組對稱點上的熱傳導(dǎo)方式相同，所以每組對稱點的數(shù)據(jù)可視為同一組數(shù)據(jù)處理[12]，將每組對稱點的變形值相加，點1和點8的變形量之和為P18，點2和點7的變形量之和為P27，點3和點6的變形量之和為P36，點4和點5的變形量之和為P45。P18、P27、P36、P45平均值、最大值和最小值的統(tǒng)計結(jié)果如圖3所示。對比4組測點的18個焊接方案所得的變形量統(tǒng)計結(jié)果可以看出，焊接收弧點附近4/5組測點的變形量最大，相應(yīng)的9號點變形量也較大。這是由于4/5組測點和9號測點位置均在焊接收弧點一側(cè)，在焊接過程中熱量輸入時間會比起弧位置和正常焊接過程的熱輸入時間長，而且收弧位置沒有夾具（見圖1a），導(dǎo)致在焊接過程中沒有阻止焊接變形的反作用力，這兩種因素綜合作用導(dǎo)致在4/5組測點和9號測點附近的焊接變形較大。相較之下，起弧點及正常焊接過程中1/8、2/7、3/6組的變形量均處在較小的水平。10號測點雖在夾具一側(cè)，但是由于其位置距離夾持點位置較遠(yuǎn)，所以焊接變形量較大，這與文獻(xiàn)[13]所描述的規(guī)律相同。

表2 正交實驗方案Table 2 Orthogonal test scheme

2.2 直觀極差分析

圖2 18組實驗各點絕對變形結(jié)果和各點的變形量Fig.2 Deformation of each group in experiments and deformation of each point

圖3 對稱點疊加變形量Fig.3 Deformation of Symmetry point

為了研究各因素與變形量的關(guān)系，綜合18組實驗的變形，各因素及各因素水平值如圖4所示。可以看出，焊接變形隨送絲速度、焊接速度的增加呈上升趨勢，隨焊接間隙的增加呈下降趨勢，兩種交互效應(yīng)均在水平2可以達(dá)到最小焊接變形。

圖4 因素及交互-指標(biāo)關(guān)系圖Fig.4 Factor and Interaction-Indicator diagram

為了綜合優(yōu)化焊接參數(shù)，控制焊后試件變形，基于2/7組測點，考慮了p個因素，每個因素有r種不同水平，令Klj（l=1，2，…，r；j=1，2，…，p）表示水平r對應(yīng)的m個變形量之和，m為每種水平在實驗方案中出現(xiàn)的次數(shù)p）為水平r對應(yīng)的m個變形量的平均值。比較因素A的三個平均值可以看出對于因素A，水平1最優(yōu)。由各因素水平r對應(yīng)的平均值（見表3）可知其他各因素的最優(yōu)水平，因素B、C、D、E的最優(yōu)水平分別為1、3、1和2，交互效應(yīng)A×B的最優(yōu)水平為2，C×D最優(yōu)水平為2。由表3可知，最優(yōu)試驗方案是A1B1C3D1E2，即送絲速度7.0 m/min，焊接速度0.42 m/min，焊接間隙1.5 mm，送氣速度18 L/min，弧長修正0%。

為了衡量各個因素對焊接變形的影響，各個因素水平變化引起的極差為

表3 各個水平實驗結(jié)果均值Table 3 Mean values of experimental results at all levels

各因素及交互效應(yīng)引起極差R1～R7分別為0.10，0.27，0.47，0.36，0.35，0.35、0.16 mm。由 R4＞R5＞R2＞R7＞R1可知，A、B、C、D、E 五個因素中對焊接變形影響最大的是C。即焊接間隙對本次焊接變形影響最大?；￠L修正對焊接實驗結(jié)果影響較小。綜合考慮五個因素及兩組交互效應(yīng)，R3＞R4＞R5（R6）＞R2＞R7＞R1，可見對焊接變形影響較大的是焊接間隙、送絲速度與焊接速度的交互效應(yīng)，其他因素影響較小，影響最小的因素是弧長修正。因此，只要合理地調(diào)節(jié)焊接間隙、送絲速度與焊接速度就可以有效地控制變形。

2.3 方差分析

由于實驗中各因素水平與實驗誤差均可以引起數(shù)據(jù)波動。為了衡量各個因素以及誤差對實驗結(jié)果的影響程度，使用方差分析法對焊后試件變形量進(jìn)行分析。

焊接試件變形總的離差平方和為

各個因素引起試件變形的離差平方和為

各個因素引起試件變形的平均離差平方和為

式中 fj為第j個因素的自由度，實驗總自由度為18-1=17，各種因素的自由度為3-1=2，交互效應(yīng)的自由度為2×2=4，修正后誤差的自由度為17-2-2-4-2-4=3。

實驗誤差引起試件變形的平均離差平方和為

為了評估各因素對變形的影響，各個因素的F值為

經(jīng)過計算可知，K=23.71 mm，P=31.23 mm2，各因素的平均離差平方和如表4所示，因素A、D、E對應(yīng)的F值很小，可忽略，所以未在表中列出。

比較各因素及交互效應(yīng)的F值，可以看出A×B交互效應(yīng)與因素C對變形量影響較大，其他因素及交互效應(yīng)影響較小，與直觀極差分析結(jié)果吻合，誤差引起的F值也很小，可忽略，由此可見，調(diào)節(jié)因素C（焊接間隙）和因素A、B的交互（送絲速度與焊接速度）是控制焊后試件變形的有效手段。

表4 修正方差分析Table 4 Modified variance analysis

3 結(jié)論

本文以厚3.0 mm的Q345NQR2耐候鋼板為材料，分析了不同焊接參數(shù)在CMT縫焊試件變形控制中的作用，得出以下結(jié)論：

（1）焊接熱輸入對薄板焊接變形具有很大影響，熱輸入作用時間越長，焊接變形越大。夾具的設(shè)置對板件變形會產(chǎn)生影響，合理地設(shè)置夾具位置可以減小焊接變形。

（2）在Q345NQR2耐候鋼板CMT縫焊中，通過調(diào)節(jié)送絲速度、焊接速度與焊接間隙，優(yōu)化交互效應(yīng)，可以有效控制焊后試件變形。

（3）優(yōu)化后的焊接參數(shù)為送絲速度7.0 m/min，焊接速度0.42 m/min，焊接間隙1.5 mm，送氣速度18 L/min，弧長修正0%。