汪 認 ，馬明菊 ，陳衛(wèi)林 ，戴 為 ，張 航

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.西南交通大學材料科學與工程學院，四川成都610031）

SUS301L不銹鋼冷金屬過渡焊搭接接頭焊接工藝、微觀組織及力學性能

汪 認1，馬明菊1，陳衛(wèi)林2，戴 為2，張 航2

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.西南交通大學材料科學與工程學院，四川成都610031）

隨著我國軌道交通行業(yè)的飛速發(fā)展，車體減重對于節(jié)省能源有著重大意義。利用CMT冷金屬過渡焊接技術對4—0.8 mm SUS301L-MT不銹鋼搭接接頭進行工藝研究，獲取最優(yōu)工藝參數(shù)；同時，觀察焊接接頭的宏觀形貌、微觀組織，測量其力學性能及變形。結果表明，在最優(yōu)工藝參數(shù)下，焊縫成形美觀，無明顯缺陷，焊縫區(qū)組織主要為奧氏體柱狀晶和枝晶狀鐵素體；焊接接頭最大拉伸剪切力達到22 234.42 N，硬度測試最小值均出現(xiàn)在焊縫區(qū)；此外，焊后試板呈現(xiàn)波浪變形，最大Z方向變形量出現(xiàn)在試板邊緣。

SUS301L-MT不銹鋼；CMT冷金屬過渡；微觀組織；力學性能；變形測量

0 前言

隨著我國城市化建設的提速和國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，城市交通的擁堵問題日益嚴重[1]。目前城市軌道交通是解決城市擁堵問題的一種備受推崇的交通方式，其發(fā)展程度也成為衡量一個國家社會、經(jīng)濟發(fā)展水平的重要標志。在軌道交通領域，車體減重不僅能夠減少車體制造所需要的材料和運行能耗，同時還擁有長遠的經(jīng)濟效益[2]。相比于傳統(tǒng)列車車體，新型不銹鋼車體能夠減重20%～30%[3]，并具有抗腐蝕性強、成本低、壽命長、強度高、外形美觀等特點。

隨著車體輕量化材料的升級及應用，我國一些軌道車輛生產(chǎn)制造廠已經(jīng)逐步開始使用不銹鋼材料替代原有的碳鋼材料，焊裝工藝主要采用電阻點焊和MAG焊。若采用常規(guī)的MAG焊接，薄板會在焊接過程中產(chǎn)生較大的變形、較高的殘余應力及焊接接頭缺陷，嚴重情況下甚至會因熱裂紋及應力問題開裂。而電阻點焊工藝在無損檢測技術方面局限性很大，常規(guī)檢測方法難以對點焊接頭進行有效的無損檢測[4]；且電阻點焊方法焊點較多，可能會導致焊點分流，影響焊接質(zhì)量，對車體美觀也有一定影響[5]。

CMT冷金屬過渡焊接技術是奧地利福尼斯公司于2002年推出的，該技術為熔化極氣體保護焊的應用拓展了新的領域[6]，利用2套焊絲抽送機構的配合實現(xiàn)了“冷”金屬過渡。針對不銹鋼薄板，CMT焊接技術在相同的焊接電壓和焊接速度下獲得的熔寬與傳統(tǒng)的熔化極氣體保護焊相差無幾，熔深卻更小，焊縫成形更加美觀，幾乎沒有任何飛濺。

本研究采用CMT冷金屬過渡焊接，成功實現(xiàn)了不等厚301L不銹鋼薄板的搭接，并對搭接接頭進行相關力學性能測試及微觀組織分析。

1 試驗方法及材料

1.1 試驗材料

試驗材料為SUS301L-MT奧氏體不銹鋼，填充材料為ER308LSi不銹鋼焊絲，焊絲直徑φ1.0 mm，母材及焊絲的化學成分、母材的機械性能分別如表1、表2所示。SUS301L-MT不銹鋼材料經(jīng)過了形變強化以提高強度，其二次壓延率控制在9%～17%，強度較高。保護氣體為 φ（Ar）97%+φ（CO2）3%，在純 Ar氣中加入少許氧化性氣體，克服了純Ar氣在焊接不銹鋼時液態(tài)金屬潤濕性差導致的咬邊缺陷以及陰極半點漂移造成的電弧不穩(wěn)定問題。

1.2 試驗方法

試驗設備為奧地利福尼斯公司生產(chǎn)的TransPuls Synergic CMT冷金屬過渡焊機；機器人為ABB IRB 2600型機器人，臂長1.65m，最高負荷20 kg，可以實現(xiàn)6軸協(xié)調(diào)運動，通過視教器編寫程序控制機器人焊接；焊接工作臺為焊研威達生產(chǎn)的HB-5型焊接變位機，變位機能實現(xiàn)臺面順時針方向及逆時針方向0～180°的轉動和 0～90°的翻轉。工件尺寸350mm×150 mm，厚度分別為0.8mm、4 mm，焊接接頭形式為4 mm板搭接在0.8 mm板上，如圖1所示。焊接時，4 mm試板約束、固定于焊接工作臺，焊縫保持懸空狀態(tài)，0.8 mm試板不施加其他約束。

表1 母材及焊絲的化學成分 %

表2 SUS301L-MT不銹鋼的基本機械性能

圖1 搭接接頭形式

在工藝參數(shù)優(yōu)化過程中，通過接頭宏觀形貌和剪切拉伸試驗綜合評估各組參數(shù)，并選取最佳參數(shù)進行焊接；焊接完成后，通過激光三維掃描技術掃描試板，并選取合適基準面分析計算變形情況；隨后，在焊接接頭合適位置切取金相試樣，觀察分析焊接接頭各區(qū)域微觀組織；使用HV-30維氏硬度計測量焊接接頭硬度分布，考慮到板厚及接頭形式，采用的加載載荷為1 kN，加載時間為10 s；在母材處的硬度測試點間距1 mm，靠近熱影響區(qū)則間距0.5 mm取測量點，以保證能夠較好地反映接頭的硬度分布情況。

2 試驗結果和分析

2.1 4—0.8 mm搭接接頭工藝研究及焊縫成形分析

針對4—0.8 mm SUS301L-MT奧氏體不銹鋼的搭接接頭進行工藝探索試驗。焊接前，用角磨機打磨試板表面，然后使用丙酮進行清洗，去除油污。焊接過程中，干伸長為16 mm；焊槍沿焊縫方向與試板的夾角為60°，沿垂直焊縫方向與試板的夾角為45°；保護氣流量為25L/min。為了防止電弧偏弧引起的焊接過程不穩(wěn)定，以及焊縫形貌過于凸出造成的應力集中，將焊機弧長修正為+15，電弧推力修正為-5。

工藝優(yōu)化試驗參數(shù)及結果如表3所示。#3、#6、#9工藝參數(shù)下得到的焊縫形貌良好且連續(xù)，無明顯缺陷及飛濺；#1、#2、#7、#8參數(shù)下得到的搭接接頭焊縫形貌較差，不連續(xù)。故在其他組工藝參數(shù)下所得搭接接頭的合適位置切取拉伸剪切式樣，并在試樣4 mm、0.8 mm兩端分別放置補償塊以保證拉伸載荷的軸向作用，最終使用試驗過程中的拉伸最大力表征0.8—4 mm搭接接頭的抗拉性能。由拉伸剪切試驗結果可知，#3工藝參數(shù)所得搭接接頭拉伸剪切最大力最高，為22 234.42 N，其拉伸剪切取樣示意及力-時間曲線如圖2所示。

表3 4—0.8 mm不銹鋼搭接接頭工藝試驗參數(shù)及拉伸剪切最大力

圖2 搭接接頭拉伸剪切試驗

采用#3工藝參數(shù)所得焊縫外觀如圖3a所示。在#3參數(shù)下，CMT冷金屬過渡焊接對于4—0.8 mm搭接接頭擁有較好的橋接能力。焊縫整體形貌良好，表面均勻、美觀，無飛濺及咬邊、塌陷等明顯缺陷。經(jīng)過腐蝕處理的焊縫橫截面宏觀形貌如圖3b所示?？梢钥闯?，在兩塊試板板厚差較大的情況下，#3參數(shù)得到的焊接接頭熔寬合適，4 mm側熔深較大，0.8 mm側較小的熔深確保底板不被焊穿。綜上所述，當焊接速度為7 mm/s、送絲速度4.0 m/min、弧長修正為+15、電弧推力修正為-5時，得到的4—0.8 mm搭接接頭最為理想。

圖3 #3工藝參數(shù)所得搭接接頭

2.2 微觀組織分析

在4—0.8 mm搭接接頭中的合適位置截取金相試樣，經(jīng)不同粗糙度砂紙粗磨、細磨及機械拋光后，使用成分為10 g FeCl3+30 ml HCl+120 ml蒸餾水配置的腐蝕溶液進行室溫浸蝕，隨后使用金相顯微鏡觀察焊接接頭各區(qū)域的微觀組織。

搭接接頭焊縫區(qū)、熔合線、熱影響區(qū)及母材在不同倍數(shù)下的微觀組織如圖4所示。在焊縫區(qū)中，黑色樹枝晶為沿奧氏體晶粒邊界析出的鐵素體，白色組織為奧氏體組織，奧氏體晶粒以柱狀晶的形態(tài)向焊縫中心生長，而焊縫中心為細小、均勻的等軸晶。在焊縫邊緣熔合區(qū)附近觀察到部分細小的柱狀晶，同樣垂直于熔合線向焊縫中心生長，其原因可能是凝固初始時期溫度梯度較大，結晶速度較慢，所以成分過冷區(qū)較小，在熔合線附近產(chǎn)生了細小的柱狀晶[7]，母材與焊縫熔合良好。此外，在熔合線附近的熱影響區(qū)出現(xiàn)層狀生長的鐵素體組織，這是由于高溫影響下的鐵素體生成元素形成了第二相的偏聚產(chǎn)生的[5]。

熱影響區(qū)組織主要為奧氏體晶粒，相比母材，其奧氏體晶粒受焊接過程熱作用發(fā)生了再結晶和晶粒長大，從而造成熱影響區(qū)晶粒粗化。隨著與焊縫距離的增加，粗化作用被削弱，形成了不完全重結晶區(qū)。上述原因使得熱影響區(qū)組織不均勻，降低其整體力學性能的下降。而搭接接頭母材區(qū)主要組織為奧氏體，由于來料為冷軋態(tài)，可明顯觀察到軋制流線及形變馬氏體。

圖4 4—0.8 mm搭接接頭微觀組織

2.3 搭接接頭硬度分布

4—0.8 mm不銹鋼搭接接頭硬度分布見圖5。針對該類搭接接頭，分別在0.8 mm試板厚度方向中心線處以及距離中心線2mm處進行硬度測試，分別用Line2及Line1表示。由圖5可知，該搭接接頭硬度最低點出現(xiàn)在焊縫區(qū)，Line1中硬度最小值約為HV152.14，Line2中硬度最小值約為HV178.08。

圖5 4-0.8 mm搭接接頭硬度分布

2.4 變形測量

利用激光三維掃描技術掃描4—0.8mm不銹鋼搭接接頭。掃描測試時，試板約束狀態(tài)與焊接時相同。根據(jù)掃描得到的實體模型，在約束較好的部位選取變形測量基準點和基準平面，對試板Z方向變形進行模型擬合計算，計算結果如圖6所示。試板在焊接完成后發(fā)生波浪變形，0.8 mm試板無約束側尤為明顯，在其兩端邊緣上，最大變形量達到6.492 mm，而在試板中心邊緣，最大變形量為-5.251 mm。

圖6 激光三維掃描變形測量結果

3 結論

（1）通過工藝優(yōu)化試驗得知，4-0.8 mm搭接接頭最優(yōu)工藝參數(shù)為：焊接速度7 mm/s，送絲速度為4 m/min。在該參數(shù)下，焊縫成形美觀，無明顯缺陷，焊縫與母材熔合良好，且具有最佳拉伸剪切最大力，為22 234.42 N。

（2）通過金相顯微鏡觀察分析接頭不同區(qū)域組織：焊縫區(qū)主要組織為枝晶狀鐵素體和奧氏體；熱影響區(qū)附近為粗化后的奧氏體晶粒；母材組織主要為奧氏體和冷作硬化后產(chǎn)生的形變馬氏體。

（3）硬度測試結果表明，硬度最低點出現(xiàn)在焊縫，Line1中硬度最小值約為HV152.14，Line2中硬度最小值約為HV178.08。

（4）通過測量激光三維掃描Z方向變形可知，焊后試板出現(xiàn)波浪變形，0.8 mm無約束試板邊緣處變形量最大，且試板兩邊變形量為正，中間變形量為負。

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Welding technology，microstructure and mechanical properties of SUS301L stainless steel lap welded joint by cold metal transfer technology

WANG Ren1，MA Mingju1，CHEN Weilin2，DAI Wei2，ZHANG Hang2
（1.CRRC Qingdao Sifang Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China；2.School of Materials Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

With the rapid development of the rail transportation industry in our country，the weight reduction of the train body has great significance for energy saving.The 4-0.8 mm lap joints of SUS301L-MT stainless steel is studied by using CMT welding technology，and the optimized welding parameters are obtained；Macro morphology and microstructure observation，mechanical properties and deformation measurement of welded joints are carried out.The results show that under the optimized parameters，the weld is well formed without obvious defects.The microstructure of the weld zone is mainly austenite columnar crystal and dendritic crystal ferrite.Besides，the maximum tensile-shear force of the welded joint reaches 22 234.42 N，and the minimum value of the hardness test occurs in the weld zone.After welding，the sample appears wave deformation，and the maximum Z direction deformation occurs at the edge of the sample.

SUS301L-MT stainless steel；CMT cold metal transfer；microstructure；mechanical properties；deformation measurement

TG457.11

A

1001-2303（2017）10-0053-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.10.11

本文參考文獻引用格式：汪認，馬明菊，陳衛(wèi)林，等.SUS301L不銹鋼冷金屬過渡焊搭接接頭焊接工藝、微觀組織及力學性能[J].電焊機，2017，47（10）：53-57.

2017-08-07；

2017-09-18

汪 認（1981—），男，工程師，學士，主要從事軌道車輛制造技術的研究工作。E-mail：102232866@qq.com。