高速列车不锈钢薄板CMT搭接焊工艺研究

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(1.宁夏天地奔牛实业集团有限公司，宁夏 石嘴山 753000；2.哈尔滨工业大学 先进焊接与连接国家重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001)

0　前言

高速列车不锈钢车体由车顶、底架、侧墙、端墙和司机室等基本构件在总装台上焊装而成[1-2]。其中，列车的车顶部分可由平顶与弧顶两个部分组成。对于平顶应保证平顶整体的平整度，以提供良好的水密性与顶部流水的易通过性。而对于弧顶，它由通长的两根冷弯型钢边梁及数根拉弯成形的车顶弯梁连接构成骨架，骨架用以支撑其上布置的波纹板，同时两侧安置两根冷弯型钢侧顶板。

在不锈钢车体弧顶部分的装配连接中，采用0.6 mm厚的波纹板与1.5 mm厚的侧顶板的搭接结构[3]，该处结构装配属于车体制造的后工序，误差的积累导致装配精度的降低；不锈钢薄板焊接变形大，装配间隙过大以及操作偏差都容易导致塌陷、烧穿等焊接缺陷，造成车体内部漏雨,不满足高速列车在服役过程中使用方对车体顶部密封性的要求。因此,车体波纹板与侧顶板之间的纵向焊缝的焊接成为高速列车生产过程中的难点[4]。

一些低热输入的焊接技术被用于焊接不锈钢轨道客车车体，例如激光焊、搅拌摩擦焊等[4]，但目前采用最多的焊接方法仍是使用电阻点焊进行固定并用熔化极活性气体保护焊(Metal Active-gas Arc Welding，MAG)密封。然而MAG焊存在难以控制热输入的问题，使得焊缝周围有明显的过热现象且形成许多焊接缺陷，造成焊后波浪变形，影响车顶部件平度。在焊接过程中产生的未熔合或咬边等焊接缺陷更需要进行手工补焊，降低了焊缝整体的成形效果，并且影响了整体的焊接结构设计，缺陷与变形也更会使得车体的密封性降低。

而冷金属过渡CMT(Cold Metal Transfer)焊接技术作为一种独特的熔化极气体保护焊。与传统的MIG/MAG焊相比CMT在技术上有以下几个特点[5]：焊丝抽送机构参与熔滴过渡过程；熔滴过渡时焊接电流几乎为零；无飞溅，焊接速度快。所以为了实现用CMT焊接技术代替MAG焊焊接高速列车，文中用US301L不锈钢作为母材并通过正交试验获得了合适的工艺参数。

1　试验方法

1.1　试验设备及试验材料

焊接试验中，采用的设备有Trans Puls Synergic 4000 冷金属过渡CMT焊机、Motoman HP 20机器人、变位机及压紧装置等。

采用SUS301L不锈钢作为母材，板厚分别是0.6 mm和1.5 mm。使用直径为1.0 mm 的ER308L 不锈钢焊丝进行焊接。采用的保护气体是95%Ar +5%CO2。

1.2　搭接焊接接头设计

为模拟高速列车的生产实际情况，选取的搭接焊接接头形式是板厚0.6 mm的板搭接在板厚1.5 mm 的板上，中间夹有0～8片间隙片(板厚0.1 mm)，以模拟0～0.8 mm的装配间隙。间隙片左端距焊缝5 mm，保证焊接结束后能重复使用。搭接焊接接头示意图如图1所示。

图1　搭接焊接接头示意图(0.2 mm间隙时)

1.3　焊前准备

在进行焊接试验前，取适量丙酮对焊缝两侧的不锈钢板材表面的灰尘、油污进行处理。之后采用夹具将待焊试板固定于焊接平台上，最后将机器人的焊枪对准焊缝位置，并保持固定的焊丝伸出长度。

1.4　正交试验

1.4.1正交变量确定

通过前期摸索试验，确定表1焊接参数为不变量，重点考虑以下变量：装配间隙、焊接电流、焊接电压、送丝速度与焊接速度。由于CMT焊接系统为一元化的专家系统，选定送丝速度即选定焊接电流与焊接电压，因此确定装配间隙、送丝速度与焊接速度为主要变量。

1.4.2正交试验表的确定

为了获得合适的工艺参数，正交试验拟采用七水平正交表，而前期选定的探究因素中送丝速度及焊接速度都是七水平的，只有装配间隙是五水平的。因此,对装配间隙取2个虚拟水平。由于在较好的生产条件下，高速列车薄板不锈钢搭接结构焊缝装配间隙以0 mm间隙居多，且焊前准备较为方便，因此在装配间隙因素中取0 mm作为2个虚拟水平进行设计，为此设计出了三因素七水平正交试验表，共49组试验。正交试验因素水平表如表2所示,三因素七水平正交试验表如表3所示。

表1　焊接参数

表2　正交试验因素水平表

表3　三因素七水平正交试验表

2　试验结果及分析

2.1　试验结果

利用前述的试验条件，按照正交试验表对薄板搭接结构进行了49组焊接试验。因试验旨在探究出成形最为优良的焊接工艺参数，故在完成焊接试验后，根据焊接接头外形尺寸(宽度、高度)、焊接接头表面缺陷(气孔、咬边)等各个评判指标的重要程度，采取综合评分法对焊缝成形进行分析，给各道焊缝进行评分，作为这个试验的总指标。由此得出正交试验最优参数搭配如表4所示。

表4　正交试验极差分析最优参数搭配表

2.2　最优焊接参数的验证

通过正交试验得到最佳焊接工艺参数后，采用此参数焊接不锈钢薄板搭接结构，焊缝形貌如图2所示。焊缝成形良好。

2.3　不同装配间隙的搭接接头截面形貌分析

为进一步探知装配间隙对不锈钢搭接接头的影响，采用表4正交试验极差分析的最优参数，并选取了不同装配间隙的搭接接头，如图3所示。通过对焊缝截面形貌的观察及测量，分析装配间隙对焊接接头高度、宽度的影响。

图3　不同装配间隙下接头截面形貌图

通过测量结果发现,随着装配间隙的增大，焊接接头的高度逐渐增加，而焊接接头的宽度逐渐减小，且高度受装配间隙变化的影响更为明显。

3　结论

(1)通过正交试验优化焊接工艺参数并进行了验证试验，当装配间隙为0 mm，焊接速度为2 000 mm/min，送丝速度为6 m/min时，可得到形貌美观无缺陷的焊接接头。

(2)随着装配间隙的增大，焊接接头高度逐渐增加，而焊接接头宽度逐渐减小，且焊接接头高度受装配间隙变化的影响更为明显。

[1]李磊. 城轨客车用不锈钢薄板激光搭接焊接头组织与力学行为研究[D]. 大连: 大连交通大学,2012.

[2]黄治轶. 城市轨道客车不锈钢车顶钢结构制造工艺研究[D]. 长春: 吉林大学,2005.

[3]孟庆亮.不锈钢薄板冷金属过渡焊焊接(CMT)工艺研究[D]. 长春: 吉林大学,2015.

[4]韩晓辉, 高瑞全, 肖雪峰不锈钢轨道车辆波纹板与侧顶板搭接接头焊接工艺试验研究[J]. 热加工工艺, 2013(7): 169-170，174.

[5]贺舒榕, 王文先，张婷婷等. 铁素体不锈钢CMT焊接接头HAZ组织性能研究[J]. 机械工程与自动化, 2014(5): 97-98.