CMT焊接S32101雙相不銹鋼焊縫成形研究

胡玉

1.粵港澳現(xiàn)代交通節(jié)能控制和智能運(yùn)維技術(shù)聯(lián)合試驗(yàn)室 廣東廣州 510430

2.廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)車車輛學(xué)院 廣東廣州 510430

1 序言

冷金屬過渡（Cold Metal Transfer，CMT）焊接技術(shù)作為一種新型的焊接技術(shù)，具有低能耗、低污染、高品質(zhì)及無(wú)飛濺等優(yōu)點(diǎn)，被越來越多地應(yīng)用于航空航天、石油化工、微電子器件等行業(yè)[1-3]。CMT焊接是通過焊絲和回抽運(yùn)動(dòng)來促進(jìn)熔滴過渡，短路電流非常低，整個(gè)焊接過程就是高頻率的“熱-冷-熱”轉(zhuǎn)換的過程，大幅降低熱輸入量。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)CMT焊接技術(shù)進(jìn)行了大量的研究工作。奧地利Fronius公司開展大量的試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了0.3mm超薄板的CMT釬焊[4]。FENG等[5]在1mm鋁板上進(jìn)行堆焊開展了純鋁的CMT焊接試驗(yàn)，焊縫表面質(zhì)量高，熱輸入低，焊接變形小。PICKIN等[6]采用Al2319焊絲研究了2024鋁合金的CMT熔敷技術(shù)，試驗(yàn)表明，CMT具有較低稀釋率及較強(qiáng)的可控性，大大降低了裂紋敏感性。GUNGOR等[7]研究了鋁合金同種和異種金屬CMT焊接，研究發(fā)現(xiàn)鋁合金CMT焊比攪拌摩擦焊效率更高，接頭力學(xué)性能更好。哈爾濱工業(yè)大學(xué)石常亮等[8]將CMT技術(shù)應(yīng)用于1060純鋁和鍍鋅鋼的搭接焊，試驗(yàn)表明，CMT技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)鋁與鍍鋅鋼的焊接，中間化合物層厚度小，接頭強(qiáng)度高。綜上所述，當(dāng)前研究工作幾乎都集中在鋁合金材料上，且研究重點(diǎn)多在接頭的組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能等方面。

鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼兼具鐵素體強(qiáng)度高、耐氯離子腐蝕性強(qiáng)，以及奧氏體優(yōu)異的塑韌性、耐晶間腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于海洋工程、核電、石油化工等行業(yè)。關(guān)于雙相不銹鋼CMT焊接的研究相對(duì)很少，尤其是關(guān)于CMT焊接焊縫的研究少之又少，有待深入研究。

焊縫成形是評(píng)價(jià)焊接工藝和質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。國(guó)內(nèi)外對(duì)雙相不銹鋼CMT焊接焊縫成形研究相對(duì)較少。本文采用焊接速度、送絲速度、保護(hù)氣體流量等焊接參數(shù)為影響因素，進(jìn)行CMT焊接雙相不銹鋼S32101工藝試驗(yàn)，確定焊縫截面形狀參數(shù)隨各因素的變化規(guī)律，為S32101雙相不銹鋼CMT焊接工藝提供參考，因此具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置及材料

CMT焊接系統(tǒng)由TPS4000焊機(jī)、VR7000送絲機(jī)、FK4000R冷卻機(jī)、RCU5000i編程器、焊絲緩沖器、Robacta Drive CMT自動(dòng)焊槍組成，并配合KUKA機(jī)器人共同完成焊接工作，如圖1所示。焊接參數(shù)采用一元化調(diào)節(jié)，即焊接過程中只需要確定焊接所用的送絲速度、電弧電壓即可相應(yīng)地被確定，而焊絲的焊接電流則由送絲速度決定，送絲速度越大，焊接電流也越大。焊槍及送絲裝置搭載在3軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，可隨三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)而精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)。采用平板堆焊的方式焊接，焊前對(duì)試板表面的氧化膜進(jìn)行打磨。焊絲的干伸長(zhǎng)為15mm，焊接過程中焊槍無(wú)擺動(dòng)，焊槍垂直于焊件表面，如圖2所示。母材為100mm×300mm×10mm的S32101鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼板，焊接材料為Avesta藥芯焊絲E2209-T0-4，直徑為1.2mm，材料化學(xué)成分見表1。

表1 材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

圖1 CMT焊接系統(tǒng)

圖2 焊接過程

2.2 焊縫成形

焊縫成形是評(píng)價(jià)焊接工藝和質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。焊縫的熔深P、余高H及熔寬W是表征焊縫幾何尺寸的3個(gè)重要參數(shù)。焊縫橫截面形貌及其幾何尺寸測(cè)量如圖3所示。為避免油污及其他雜質(zhì)對(duì)焊縫成形質(zhì)量的影響，焊前將焊接試板表面的氧化膜打磨干凈，并將焊接工作臺(tái)清掃干凈。焊后沿焊縫橫截面采用線切割的方法切取20mm×10mm試樣，并依次采用80#、180#、360#、400#的砂紙進(jìn)行打磨。采用鹽酸腐蝕液對(duì)焊縫橫截面腐蝕，后利用體視顯微鏡及相應(yīng)的軟件對(duì)焊縫試樣尺寸進(jìn)行分析。

圖3 1號(hào)試樣焊縫橫截面圖及焊縫成形幾何尺寸

2.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)的影響因子及其變化范圍為：送絲速度（6.4m/min≤V1≤8m/min）、焊接速度（12cm/min≤V2≤20cm/min）和保護(hù)氣體流量（16L/min≤L≤24L/min）。采用Design Expert軟件和中心復(fù)合設(shè)計(jì)法（CCD）設(shè)計(jì)了三因素五水平的試驗(yàn)方案。影響因子及其對(duì)應(yīng)的五水平編碼見表2，中心復(fù)合設(shè)計(jì)矩陣及對(duì)應(yīng)的響應(yīng)值見表3。試驗(yàn)對(duì)所測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)學(xué)擬合并獲得了相應(yīng)的回歸表達(dá)式，進(jìn)而分析各因素對(duì)焊縫成形幾何尺寸的影響規(guī)律。

表2 焊接參數(shù)及其對(duì)應(yīng)的編碼水平

表3 中心復(fù)合設(shè)計(jì)矩陣及其對(duì)應(yīng)的響應(yīng)值

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

焊縫成形尺寸是反映焊接質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，焊縫熔深直接影響到接頭的承載能力。焊縫的熔寬過大、熔深過淺，表明焊縫淺而寬，生產(chǎn)效率低。焊縫余高可避免熔池金屬凝固收縮時(shí)形成缺陷，也可增大焊縫截面，提高承受靜載荷能力，但余高過大時(shí)將引起應(yīng)力集中或疲勞壽命的下降[9]。因此，本文分別將焊縫熔深、余高和熔寬作為焊縫成形的指標(biāo)，通過響應(yīng)曲面建模，分析了單一焊接參數(shù)、各參數(shù)之間的交互作用對(duì)焊縫成形幾何尺寸的影響。

3.1 回歸模型

利用熔深P、余高H及熔寬W建立響應(yīng)曲面模型，通過二次回歸擬合，焊縫成形幾何尺寸與送絲速度X1、焊接速度X2、保護(hù)氣體流量X3之間的回歸方程如下：

將式（1）～式（3）中編碼值改為實(shí)際值，則回歸方程表達(dá)為

為進(jìn)一步檢驗(yàn)響應(yīng)曲面模型的有效性，以焊縫幾何尺寸的實(shí)測(cè)值為橫坐標(biāo)，模型預(yù)測(cè)值為縱坐標(biāo)，畫出對(duì)比圖。圖4所示為熔寬、熔深和余高的實(shí)測(cè)-預(yù)測(cè)對(duì)比圖。從圖4可以看出，三者的實(shí)測(cè)值均聚集在45°直線附近，表明預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值比較接近，這3個(gè)響應(yīng)曲面模型有效。回歸方程顯著性檢驗(yàn)通常采用F分布檢驗(yàn)法[10]，查詢F分布臨界值表，可知F臨界值為3.31。熔寬W、熔深P及余高H的回歸方程的F值分別為4.49、4.99和9.22，均＞3.31，因此，熔寬W、熔深P及余高H的回歸方程是顯著的。

圖4 焊縫幾何尺寸實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的分布

3.2 單一因素對(duì)焊縫成形的影響

本響應(yīng)曲面試驗(yàn)方案中心點(diǎn)為送絲速度7.2m/min、焊接速度16cm/min、保護(hù)氣體流量20L/min。為了單獨(dú)研究某一焊接參數(shù)對(duì)焊縫幾何尺寸的影響，可將另外兩個(gè)參數(shù)設(shè)定為中心點(diǎn)值，改變研究參數(shù)，可得單一因素對(duì)焊縫成形幾何尺寸的影響曲線，如圖5所示。

圖5 單一參數(shù)對(duì)熔寬的影響

由圖5可看出，熔寬隨著送絲速度的增大而增大，隨著焊接速度的增大而減小，隨著保護(hù)氣體流量的增大先輕微增大后減小，在保護(hù)氣體流量約為17L/min處達(dá)到最大值；其中送絲速度和焊接速度對(duì)熔寬的影響均較為明顯。

由圖6可以看出，焊縫熔深指標(biāo)隨著送絲速度的增大先減小后增大，在送絲速度約為7m/min處達(dá)到最小值，隨著焊接速度增大而減小，隨著保護(hù)氣體流量增大而減小。其中送絲速度對(duì)熔深的影響最為明顯。

圖6 單一參數(shù)對(duì)熔深的影響

由圖7可以看出，焊縫隨著送絲速度的增大而增大，隨著焊接速度的增大而減??；隨著保護(hù)氣體流量的增大先增大然后減少，在保護(hù)氣體流量約為20L/min處達(dá)到最大值。其中焊接速度對(duì)余高的影響最為明顯。

圖7 單一參數(shù)對(duì)余高的影響

3.3 焊接參數(shù)交互作用對(duì)焊縫成形尺寸的影響

（1）送絲速度與焊接速度對(duì)熔深、余高和熔寬的影響 設(shè)定保護(hù)氣體流量為20L/min時(shí)，焊縫的熔寬、熔深和余高隨送絲速度與焊接速度交互作用而變化的響應(yīng)曲面如圖8所示。從圖8a可看出，熔寬隨著送絲速度的增大先緩慢減少然后快速增大。在焊接速度較高時(shí)，送絲速度的改變對(duì)熔寬的影響更明顯。熔寬隨著焊接速度的增大而減少，在送絲速度數(shù)值小時(shí)，該減少趨勢(shì)比較快速，并在約7m/min時(shí)減少速度最快。而當(dāng)送絲速度較大時(shí)，熔寬隨焊接速度增大而緩慢減少。由圖8b可知，焊縫熔深隨著送絲速度的增大呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，且當(dāng)焊接速度較大時(shí)，該增長(zhǎng)趨勢(shì)更加明顯。焊縫熔深隨著焊接速度的減小而增大，從等值線圖可看出，隨著送絲速度的增大，沿焊接速度變化方向的等值線逐漸密集，說明該增長(zhǎng)趨勢(shì)在加快。由圖8c可看出，焊縫余高隨著送絲速度的增大而增加，并且該增加趨勢(shì)在焊接速度較小時(shí)更為明顯；焊縫余高隨著焊接速度的增大而減少。從整體看，在送絲速度小時(shí)，焊接速度的增加帶來余高減少的趨勢(shì)整體比較平緩。

圖8 送絲速度與焊接速度的交互作用對(duì)熔寬、熔深和余高的影響

（2）送絲速度與保護(hù)氣體流量對(duì)熔深、余高和熔寬的影響 焊接速度為16cm/min時(shí)，焊縫的熔寬、熔深和余高隨送絲速度與保護(hù)氣體流量交互作用而變化的響應(yīng)曲面如圖9所示。從圖9a可看出，焊縫熔寬隨著送絲速度的增大而增大。在保護(hù)氣體流量較大時(shí)，沿送絲速度變化方向等值線比較密集，即提高保護(hù)氣體流量，熔寬隨送絲速度增大而增大的趨勢(shì)更為明顯。由圖9b可看出，熔深隨著送絲速度的增大先緩慢減少然后快速增大。熔深隨著保護(hù)氣體流量的增大而減少，在送絲速度小時(shí)，該減少趨勢(shì)比較快速，并在約7m/min時(shí)減少速度最快。而當(dāng)送絲速度較大時(shí)，熔深隨焊接速度增大而緩慢減少。送絲速度的改變對(duì)熔深的影響更明顯。由圖9c可看出，焊縫余高隨著送絲速度的增加而增大，這與單一參數(shù)對(duì)熔深的影響規(guī)律相同，焊縫余高隨著保護(hù)氣體流量的增加先增大后減少。在送絲速度較高時(shí)，保護(hù)氣體流量的改變對(duì)余高的影響更明顯。

圖9 送絲速度與保護(hù)氣體流量的交互作用對(duì)熔寬、熔深和余高的影響

（3）焊接速度與保護(hù)氣體流量對(duì)熔深、余高和熔寬的影響 送絲速度為7.2m/min時(shí)，焊縫的熔寬、熔深和余高隨焊接速度與保護(hù)氣體流量交互作用而變化的響應(yīng)曲面如圖10所示。從圖10a可看出，焊縫熔寬隨著焊接速度的增大而變小。從圖10b可看出，沿焊接速度變化方向，當(dāng)保護(hù)氣體流量逐漸增大時(shí)，等值線的密度越來越大，說明隨著保護(hù)氣體流量的增大，熔寬對(duì)焊接速度的變化越來越敏感。焊縫熔寬隨著保護(hù)氣體流量的增加而減小，隨著焊接速度增大，沿保護(hù)氣體流量變化方向等值線密度越來越大，說明保護(hù)氣體流量對(duì)熔寬的影響作用在焊接速度較大時(shí)更明顯。從圖10b可看出，當(dāng)給定某一保護(hù)氣體流量時(shí)，焊縫熔深隨著焊接速度的增大而減少，并且從等值線圖可看出，該減小趨勢(shì)在保護(hù)氣體流量較低時(shí)更加明顯。熔深隨著保護(hù)氣體流量的增加而減少，在焊接速度較低時(shí)熔深變化更加明顯。從圖10c可看出，焊縫余高隨著焊接速度的增加而減少，當(dāng)保護(hù)氣體流量較小時(shí)，等值線的密度越大，說明該減小趨勢(shì)在保護(hù)氣體流量較低時(shí)更加明顯。焊縫余高隨著保護(hù)氣體流量的增加先緩慢增大后快速減少，在焊接速度較低時(shí)，保護(hù)氣體流量的改變對(duì)焊縫余高的影響更明顯。

圖10 焊接速度與保護(hù)氣體流量的交互作用對(duì)熔寬、熔深和余高的影響

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于曲面響應(yīng)法設(shè)計(jì)了CMT雙相不銹鋼焊接試驗(yàn)，主要研究送絲速度、焊接速度、保護(hù)氣體流量對(duì)焊縫成形幾何尺寸的影響規(guī)律。

1）熔寬隨著送絲速度增大而增大，且在焊接速度或保護(hù)氣體流量較大的條件下，熔寬的增速更快，而隨著焊接速度和保護(hù)氣體流量的增大而變窄。

2）熔深隨著送絲速度的增大先減小后增大，在焊接速度和保護(hù)氣體流量較大時(shí)，保護(hù)氣體流量的改變對(duì)熔深的影響更明顯。而隨著焊接速度增大，熔深減小，當(dāng)送絲速度較小和保護(hù)氣體流量較大時(shí)，焊接速度的改變對(duì)熔深的影響更明顯。隨著保護(hù)氣體流量增大，熔深減小，在送絲速度和焊接速度較小時(shí)，保護(hù)氣體流量的改變對(duì)熔深的影響更明顯。

3）余高隨著送絲速度增大而不斷增大，并且在焊接速度較小時(shí)更明顯。隨著焊接速度的增大，焊縫余高減小，當(dāng)送絲速度較大和保護(hù)氣體流量較小時(shí)，該減少趨勢(shì)更加明顯。隨著保護(hù)氣體流量的增大，余高先增大然后減少。在送絲速度較大和焊接速度較小時(shí)，保護(hù)氣體流量的改變對(duì)余高的影響更明顯。