快运货车耐候钢薄板CMT焊接工艺及变形规律研究

（中车眉山车辆有限公司，四川 眉山 620032）

0 前言

近年来，随着电商物流的飞速发展，对我国现代铁路运输提高货运效率、降低物流成本提出了更高的要求。快运货车正是在这种条件下开发的新型车辆，能够满足现代物流高效化的需求，而为适应快速运输的目的，货车车体的轻量化显得尤为重要[1]。针对我国实际环境特点与资源条件，采用耐候钢薄板制造车体可以有效减轻车体质量[2－3]。采用传统焊接方法（MAG焊）焊接耐候钢薄板，由于热输入量大，会导致烧穿或产生较大的焊接变形[4]；CMT焊接过程热输入小，过程稳定、飞溅少，适合焊接薄板[5]。本研究采用CMT焊接方法进行耐候钢薄板焊接试验，研究不同工艺参数下接头的成形规律与性能，获得最佳工艺参数，再对CMT焊接与MAG焊接变形进行数值模拟，对比两种焊接方法的变形大小。

1 试验方法和设备

1.1 试验材料

试验用快运货车材料为Q450耐候钢，其合金系统以Cu、P为主，配合其他合金元素。Cu和P是提高钢材耐腐蚀性能的最有效的元素。一般认为，w（Cu）=0.2%～0.5%时既能获得较好的耐腐蚀性能，又不明显影响韧性。本研究以1.5 mm厚度耐候钢为对象，采用平板对接接头。焊丝采用1.2 mm JM－55II焊丝。母材和焊丝化学成分如表1所示。

焊接前，先用砂纸片打磨耐候钢表面以清理氧化层，除去焊接区域油漆，再用棉花蘸取丙酮溶液擦洗焊件表面，确保清理后的表面光亮，无氧化物和油污，清洗范围为被焊试件正反面距离焊缝中心25 mm内的区域和试板侧面。保护气体为纯度99.99%Ar，并按GB4842《氩气》规定严格控制保护气体中的水分含量。

表1 Q450耐候钢薄板化学成分 %

1.2 试验设备

采用奥地利福尼斯公司的 TransPuls Synergic CMT冷金属过渡焊机进行焊接。采用ABB IRB2600型机器人，臂长 1.65 m，最高负荷 20 kg，可实现6轴协调运动，通过示教器编写程序控制机器人焊接。焊接工作台为焊研威达生产的HB－5型焊接变位机，能实现台面顺时针方向及逆时针方向0°～180°转动和 0°～90°翻转。2块1.5 mm薄板通过夹具四角固定在工作台上，两板之间不留间隙。

2 试验结果

2.1 对接接头工艺研究及焊缝成形

根据焊接薄板经验，首先划定焊接参数的范围进行试验。焊接过程中，干伸长保持15 mm，焊枪沿着焊缝方向与板材保持50°夹角，与垂直焊缝方向的平面保持45°夹角，增强保护气对焊缝的保护作用，也使得电弧燃烧更加稳定。试验中引入焊机内部参数电弧修正系数，调节电弧修正系数可以改变电弧长度。弧长变大，电弧会不稳定，但是填充金属熔覆更好；反之焊缝填充金属会变细，余高增加。

焊接试验完成后对比各组焊缝整体外观成形发现，若熔覆量过小，焊缝正面成形较差，无法使板熔透，熔覆金属难以在母材上铺展开，焊缝变细；当熔覆量加大时，焊缝成形逐渐改善，但是熔覆量和热输入量过大时母材容易烧穿。增加弧长修正后，熔覆金属可以较好地铺展在母材上，减小焊缝余高，焊缝与母材过渡更加平缓，但过大的弧长修正会使得焊接热输入增加，增大不必要的变形和烧穿的风险。综合焊缝成形与整体变形进行筛选后，得到3组较好的参数，如表2所示，并在对应试验板上切取接头截面与拉伸试样。对应的焊缝外观如图1所示。

打磨抛光焊缝截面，并用硝酸酒精混合溶液进行腐蚀，腐蚀时间10～15 s，在显微镜下进行观察，如图2所示。由图2可知，#1参数与#3参数虽然都为全熔透接头，但是#1参数的接头错边较大，#3参数的错边量小，且熔覆金属过渡更为平缓。#2参数热输入量小，焊缝未熔透，错边量小，且熔覆金属铺展性较差。

表2 焊接参数

由于得到的焊接接头有熔透和半熔透两种形式，需要验证各组拉伸性能才能最终确定最优参数，每个参数取3个拉伸试样进行拉伸试验，得到各组抗拉强度如图3所示。由图3可知，全熔透接头的抗拉强度高于半熔透接头，#1参数最大抗拉强度为582.3 MPa，最小为579.3 MPa；#2参数最大抗拉强度为502.5.3 MPa，最小为397.3 MPa；#3参数最大抗拉强度为669.6 MPa，最小为645.1 MPa。半熔透接头的热影响区和焊缝区为脆弱部位，全熔透接头拉伸都在母材处发生断裂，但#3参数的接头抗拉强度明显高于其他2组，这是因为提高焊接速度后接头错边量减少。综合外观成形与接头性能可知，最佳参数为#3，即焊接速度8 mm/s、送丝速度4.5 m/min，电弧修正系数为5。

图1 整板焊缝宏观成形

图3 拉伸试验结果

2.2 焊接变形测试与变形数值模拟结果

选用尺寸200 mm×50 mm×1.5 mm的耐候钢薄板，4点固定后采用最佳参数进行整板焊接，焊后将试件放置于三坐标测量平台进行变形测量，变形云图如图4所示，板中间位置发生了较大的变形，最大变形量为+2.456 7 mm。

为了对比传统焊接方法（MAG焊）与CMT焊接耐候钢薄板的变形，采用SYSWELD软件对相同的约束状态及工艺参数的CMT与MAG焊对接接头焊接过程进行数值模拟，获得预测的焊接变形量如图5所示。

图4 1.5 mm耐候钢CMT对接接头变形

图5 整体变形模拟示意

由图5可知，两种焊接方法产生的变形趋势大致相同，焊缝中间与两板边缘处变形量大，MAG焊接最大变形量为+4.87 mm，CMT焊接最大变形量为+3.86 mm。CMT焊接变形模拟与实际变形测量结果基本相同，模拟结果略大于实际值，原因是实际焊接时使用了最佳固定方式。由此可知，在相同焊接参数下，CMT能够焊接耐候钢薄板，且获得性能良好的接头，其热输入量小，焊接变形小于传统焊接方法。

3 结论

（1）使用CMT焊接1.5 mm耐候钢薄板时，通过调节焊接参数可以得到无飞溅、成形良好焊缝，增大电弧修正系数可以改善熔覆金属铺展性，但会增加烧穿的可能性。

（2）耐候钢CMT焊接全熔透焊缝性能优于半熔透焊缝性能，半熔透焊缝最大抗拉强度为502.53MPa，全熔透焊缝剪切拉伸力最大达到669.6MPa。增加焊速可以减少错边量，提高接头性能。

（3）CMT焊接薄板变形小于传统焊接方法（MAG），最大变形出现在焊缝中心与板边缘中心处。