不锈钢冷金属过渡焊角接接头应力及变形规律研究

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（1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛266111；2.西南交通大学材料科学与工程学院，四川成都610031）

0 前言

近年来，我国铁路运输业发展迅速，高速列车车体逐渐朝着轻量化趋势发展，因此不锈钢薄板的车体结构得到了非常广泛的应用。但是传统的MAG/MIG焊存在热输入较大、热作用范围较宽等问题，容易导致薄板在焊接过程中存在严重的焊接变形和较高的残余应力，且传统焊接方法飞溅严重，影响焊缝美观[1]。相比于碳钢，奥氏体不锈钢电阻率高、热导率小、线膨胀系数大，在焊接过程中会产生较大的热应力，容易出现烧穿和较大的焊接变形[2]。

冷金属过渡焊（Cold Metal Transfer，CMT）作为一种新型焊接技术，具有低能耗、低污染、高品质、无飞溅等优点，广泛应用于航空航天、机车制造、微电子器件等行业[3]。CMT是以熔化极气体保护焊为基础，基于熔化极气体保护焊的短路过渡方式，对焊接过程进行数字化监控，将熔滴过渡和送丝运动相结合，可降低热输入且焊接过程无飞溅产生[4]。本研究采用CMT技术获得了异种厚度不锈钢薄板的角接接头，在焊接过程中使用热电偶采集焊接热循环曲线。对于成形良好的角接接头，分别用X射线测试仪及3D激光扫描仪测残余应力和焊接变形。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

选用0.8 mm与4 mm异种厚度的SUS301L不锈钢进行角接试验（0.8 mm板为底板，4 mm板为腹板），焊丝为直径1.0 mm的ER308LSi焊丝。母材和焊丝的成分如表1所示。试板在试验前均用酒精擦拭。焊丝的干伸长约15 mm。

表1 SUS301L不锈钢化学成分表 %

1.2 试验方法和设备

在进行工艺试验时，采用让焊缝处于悬空状态的方法，即0.8 mm底板进行角接的一侧不施加任何约束使其自由变形，而另一侧用机械约束进行固定。优化后的焊接工艺参数如表2所示。焊接设备为TPS4000 CMT焊机，如图1所示。目前，车顶波纹板和底架波纹板与其他薄板部件的焊接拟采用CMT以填补薄板焊接技术的空白，实现车体结构件质量的全面提升，如图2所示。

表2 焊接工艺参数

图1 CMT焊接及机械臂

为获得角接接头的焊接热循环参数，在焊接前将热电偶布置在0.8 mm薄板上分别距焊缝中心0 mm、4 mm处。使用CREAFORM手持式3D激光扫描仪（见图3）对角接试板的焊后变形进行扫描测量。基于X射线法使用μ-X360残余应力分析仪（见图4）测试角接试板残余应力，接头模型及残余应力分布点如图5所示。

图2 车体结构示意

图3 手持式3D激光扫描仪

2 试验结果

2.1 焊缝形貌和热循环过程

采用优化后的工艺参数获得的角接接头如图6所示，焊缝均匀美观，表面无明显缺陷，接头无飞溅。由于0.8 mm底板在接头侧未受到约束，因而发生了较大的波浪状变形。接头的横截面宏观形貌如图7所示，焊缝铺展均匀，与底板和腹板的熔合情况良好，且在优化的工艺参数下，0.8mm薄板不会发生烧穿现象。

图4 μ-X360残余应力分析仪

图5 角接接头模型及残余应力布点示意

图6 角接接头宏观形貌

图7 接头截面形貌

热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一，它可与被测工件之间接触因而测量精度较高，温度的测量范围广且可根据不同需求使用不同材质的热电偶，构造及使用也相当方便[5]。分别在距焊缝0 mm、4 mm处布置热电偶，采集该处在焊接过程中温度的变化曲线。焊接热循环曲线如图8所示，焊缝中心温度约1 100℃，距焊缝4 mm处最高温度达到600℃。在焊接过程中，焊缝区及远离焊缝区域温度会经历先升高后下降的过程，而由于热传导，靠近焊缝区温度变化更为剧烈，远离焊缝区的温度变化较平缓[5]。距离焊缝中心越近，温度变化范围越大，变化速率越快，在焊缝中心处热循环曲线比较“尖”，随着距焊缝中心的距离增加，热循环曲线会变“钝”[6]。

图8 焊接热循环曲线

2.2 焊接变形测量结果

3D激光扫描仪具有扫描速度快、实时性强、精度高等特点，可以显著降低成本，并且使用方便，能够实现与设计图纸进行分析比较，以确定其变形的大小[7]。利用该设备获得的焊接变形测量结果如图9所示，可以看出0.8 mm底板的变形相对很大，呈波浪形态，其最大变形量为6.545 mm。

图9 焊接变形

2.3 残余应力测试结果

X射线法测残余应力是根据晶面间距的变化来确定应变，可以测定很小范围内的应变。该方法理论推导严谨，试验技术完备，测量结果可靠，已在科研和生产领域中得到广泛应用[8]。根据图5的布点顺序，从腹板向底板依次测得的残余应力结果如图10所示。残余应力呈“M”型分布，即在热影响区为拉应力，焊缝中心及母材处均为压应力。由于是不同厚度不锈钢薄板的接头，焊缝两侧残余应力分布趋势不同，0.8 mm底板发生较大的不均匀变形，其残余应力的变化范围也较大，而4mm腹板的残余应力从母材至焊缝中心变化较小。

图10 角接接头残余应力分布

3 结论

采用冷金属过渡技术焊接4 mm与0.8 mm异种厚度的角接接头，采集距焊缝不同位置的焊接热循环曲线，测试接头的残余应力与焊接变形。

（1）采用优化后的工艺参数获得的角接接头成形良好，焊缝美观，无明显飞溅。

（2）用热电偶测得焊缝温度约1 100℃，距焊缝4 mm处温度为600℃。

（3）厚度0.8 mm底板发生了较大的波浪状焊接变形，最大变形量为6.545 mm。

（4）接头的残余应力呈“M”型分布，焊缝中心和母材处为压应力，热影响区为拉应力。

[1]张洪涛，冯吉才，胡乐亮.CMT能量输入特点与熔滴过渡行为[J].材料科学与工艺，2012，20（2）：128-132.

[2]董强，许鸿吉，谢明，等.薄板06Cr19Ni10不锈钢焊接接头组织与性能的研究[J].制造技术与机床，2016（4）：65-69.

[3]张栋.波形参数对高速CMT焊接稳定性及焊缝成形影响的研究[D].山东：山东大学，2016.

[4]卢江.双机器人齿盘协同堆焊生产线关键技术研究[D].浙江：浙江大学，2017.

[5]王勇.熔化焊焊接接头的温度场和应力数值模拟[D].北京：北京交通大学，2009.

[6]张洪才，吉华，苟国庆，等.高速列车用A5083P-O铝合金MIG焊热循环分析及残余应力研究[J].电焊机，2011，41（11）：30-34.

[7]谭国铨.3D激光扫描仪在电厂冷却塔变形监测中的应用探讨[J].电力勘测设计，2009（4）：30-32.

[8]郑卜祥，宋永伦，席峰，等.对接焊铝合金板材残余应力的 X 射线测试[J].机械工程学报，2009，45（3）：275-281.