吳憲，丁成鋼

摘要：分別采用高頻脈沖MAG焊的打底焊模式與電弧冷焊模式對(duì)板厚3 mm的Q345E薄板進(jìn)行了3種工況的對(duì)接焊工藝試驗(yàn)，研究了薄板打底焊與電弧冷焊的小變形對(duì)接焊工藝與焊接接頭的力學(xué)性能，進(jìn)行了拉伸、彎曲、金相試驗(yàn)并分析了焊接缺陷的形成原因，總結(jié)了焊接殘余應(yīng)力及焊接變形的規(guī)律。結(jié)果表明，高頻脈沖MAG焊適用于Q345E鋼3 mm的薄板小變形對(duì)接焊，組對(duì)“ 0 ”間隙時(shí)，選用打底焊模式的工藝包;組對(duì)1 mm間隙時(shí)，選用電弧冷焊模式的工藝包。

關(guān)鍵詞：Q345E薄板;高頻脈沖MAG焊;焊接殘余應(yīng)力;焊接變形;接頭力學(xué)性能

中圖分類(lèi)號(hào)：TG457.11? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）09-0050-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.09.10

0? ? 前言

在軌道交通車(chē)輛車(chē)體制造過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到板厚為3 mm及以下的薄板焊接工況，例如薄板的拼接及薄板與鋼梁骨架的焊接等。特別是工廠為了實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的輕量化制造，從原材料入手，通過(guò)提高母材強(qiáng)度、增加比強(qiáng)度、減少材料厚度來(lái)減輕焊接件質(zhì)量，使軌道交通車(chē)輛制造面臨越來(lái)越多的薄板焊接工況。

劉文杰[1]等采用三水平五因素有交互的正交實(shí)驗(yàn)，分別對(duì)2.5 mm、3.0 mm厚度的Q345NQR2耐候鋼薄板進(jìn)行CMT焊接試驗(yàn)，分析焊后板件夾持與釋放之間的變形關(guān)系，研究焊縫兩側(cè)的空間三維變形規(guī)律。何建[2]等開(kāi)發(fā)了基于SYSWELD的有限元計(jì)算方法，計(jì)算并分析了焊接溫度場(chǎng)及焊后殘余應(yīng)力與變形情況，為低合金鋼薄板搭接接頭的焊接溫度場(chǎng)、殘余應(yīng)力與變形的進(jìn)一步研究提供了理論依據(jù)，促進(jìn)有限元分析技術(shù)在焊接中的應(yīng)用。

薄板焊接與常規(guī)板厚的材料焊接技術(shù)有著明顯的不同，其構(gòu)件制造難度較大，焊接變形尤為突出。引起薄板焊接變形的原因很多，必須綜合考慮其誘因，確定最終的解決方案[3]。為此，文中分別采用打底焊與電弧冷焊的焊接工藝，對(duì)板厚3 mm的Q345E薄板進(jìn)行了3種工況的對(duì)接焊工藝試驗(yàn)，檢測(cè)薄板打底焊與電弧冷焊焊接接頭的力學(xué)性能，進(jìn)行了金相試驗(yàn)并分析焊接缺陷的形成原因，總結(jié)焊接殘余應(yīng)力及焊接變形的規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用尺寸為350 mm×150 mm×3 mm的

Q345E低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼作為母材，選用ER50-

G型焊絲（φ1.2 mm）。母材及焊絲的化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表1、表2所示。選用EN ISO14175 M21型二元混合氣體φ（Ar）80%+φ（CO2）20%作為焊接保護(hù)氣體。

1.2 焊接工藝對(duì)比試驗(yàn)

選用改制的高頻脈沖MAG焊機(jī)（選用“ 打底焊模式與電弧冷焊模式 ”），搭配HCD500A-1型擺動(dòng)式自動(dòng)焊接小車(chē)，進(jìn)行3 mm板厚的Q345E鋼對(duì)接焊工藝試驗(yàn)。其中打底焊是短路加高頻脈沖的熔滴過(guò)渡模式，電弧冷焊的熔滴過(guò)渡模式是短路過(guò)渡。焊接保護(hù)氣體流量為20 L/min。打底焊模式選用加長(zhǎng)型導(dǎo)電嘴與噴嘴，焊絲干伸長(zhǎng)取6 mm;電弧冷焊模式選用常規(guī)型導(dǎo)電嘴與噴嘴，焊絲干伸長(zhǎng)取12 mm。焊接工藝參數(shù)如表3所示。根據(jù)打底焊及電弧冷焊的焊接電流、電壓的基值/峰值確定焊接電流平均值Iavg、電壓平均值Uavg，即焊機(jī)面板的“ 顯示值 ”?；怠⒎逯档碾娏骱碗妷杭盎惦娏鲿r(shí)間由預(yù)置的程序隨機(jī)生成[4]。

1.3 焊接接頭綜合評(píng)定試驗(yàn)

參照EN ISO 4136“ 焊接接頭的橫向拉伸試驗(yàn) ”標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，對(duì)焊接接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，每塊試板取2個(gè)拉伸試樣。參照EN ISO 5173“ 焊接接頭的彎曲試驗(yàn) ”標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)彎曲試樣進(jìn)行正彎和背彎試驗(yàn)，每塊試板取2個(gè)正彎試樣、2個(gè)背彎試樣。用Leica DMi8 A金相顯微鏡觀察焊接接頭的宏觀形貌，并對(duì)比橫截面方向熔深，分析打底焊1 mm間隙工況（RW1）的焊接缺陷產(chǎn)生原因。

使用加拿大產(chǎn)proto便攜式X射線(xiàn)應(yīng)力測(cè)試儀測(cè)定試板殘余應(yīng)力，試板取點(diǎn)如圖1所示，測(cè)定試板正背面殘余應(yīng)力。其中正面取點(diǎn)為1、2、3、4、5，對(duì)應(yīng)背面取點(diǎn)為6、7、8、9、10。焊接變形的測(cè)量示意如圖2所示。將試板橫向垂直投影于白紙上，沿著兩側(cè)母材的邊緣分別畫(huà)出投影線(xiàn)，用量角器測(cè)量投影線(xiàn)1的延長(zhǎng)線(xiàn)與投影線(xiàn)2之間的角度β，即角變形量。將試板置于一平整的工作臺(tái)上，沿著試板縱向壓住母材一端邊緣，用直尺測(cè)量另一端的翹起高度h，即撓曲變形量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 接頭的拉伸性能及彎曲性能

焊接接頭的拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。RW0與CA1工況接頭拉伸試樣的斷裂位置均在母材，斷裂性質(zhì)均為韌性斷裂，斷裂方向多呈45°的切斷方向。其中RW0平均抗拉強(qiáng)度為480.4 MPa，CA1平均抗拉強(qiáng)度為480.7 MPa，均大于母材的最低要求470 MPa，滿(mǎn)足EN ISO15614-1：2017“ 鋼焊接工藝評(píng)定試驗(yàn) ”對(duì)接頭抗拉強(qiáng)度的要求。RW1工況焊接接頭拉伸試驗(yàn)斷裂位置分別位于焊縫（RW1-2）和母材（RW1-1），RW1-2啟裂點(diǎn)位于靠近背面的熔合線(xiàn)，平均抗拉強(qiáng)度為467.3 MPa。

RW0與CA1焊接接頭彎曲試樣的彎曲角度達(dá)到180°時(shí)，正彎試樣和背彎試樣的受拉面均無(wú)裂紋產(chǎn)生，說(shuō)明焊縫塑性良好。RW1焊接接頭彎曲試樣的彎曲角度達(dá)到180°時(shí)，正彎試樣的受拉面均無(wú)裂紋產(chǎn)生，背彎試樣的受拉面出現(xiàn)明顯的開(kāi)裂，這是焊縫根部區(qū)域出現(xiàn)未熔合的焊接缺陷所致。

2.2 金相試驗(yàn)結(jié)果

焊接接頭宏觀形貌如圖3所示?？梢钥闯?，RW0工況與CA1工況焊接接頭的焊縫與母材熔合良好，未見(jiàn)裂紋、氣孔等缺陷。在打底焊間隙為1 mm的工況下（RW1），焊縫與熱影響區(qū)的界線(xiàn)相對(duì)于RW0與CA1工況更為明顯，且焊縫根部和坡口出現(xiàn)的未熔合缺陷是導(dǎo)致拉伸和彎曲試驗(yàn)不合格的原因。

2.3 RW1工況的焊接缺陷及成形討論

打底焊程序（RW）為高頻脈沖加短路的熔滴過(guò)渡模式，具有較為明顯的“ 復(fù)合電弧 ”特性，其中高頻脈沖熔滴過(guò)渡居多，而高頻脈沖電流會(huì)產(chǎn)生顯著的高頻脈沖壓縮電弧效應(yīng)，導(dǎo)致板厚方向的熔深增加，橫截面方向的熔深減小。高頻脈沖壓縮電弧效應(yīng)使電弧沿徑向產(chǎn)生明顯收縮，體現(xiàn)為電弧形態(tài)變化，即電弧外輪廓的趨直線(xiàn)化和電弧直徑的縮小。電弧徑向收縮導(dǎo)致電弧作用于母材的受熱、受力面積減小，使得電弧挺度增加、能量密度上升[5]，在“ 0 ”間隙工況（RW0）時(shí)僅需相對(duì)較小的熱輸入即可實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形。而在1 mm間隙工況時(shí)，電弧作用于母材的面積過(guò)小，極易發(fā)生斷弧現(xiàn)象。在RW1焊接工藝試驗(yàn)中，在焊接中后階段多次發(fā)生斷弧，導(dǎo)致小部分焊接接頭未熔透。而電弧冷焊的電弧直徑相對(duì)較大，不會(huì)發(fā)生斷弧現(xiàn)象。

在RW1工況焊接中雖然可以實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形，但打底焊的“ 高頻脈沖壓縮電弧效應(yīng) ”導(dǎo)致橫截面方向的熔深較小。從圖3b、3c可以看出，在1 mm間隙的前提下，RW1在橫截面方向的最小熔深僅為0.27 mm，而CA1在橫截面方向的最小熔深為0.73 mm，比RW1提升了約170%。過(guò)于集中的電弧加熱導(dǎo)致熔池高溫停留時(shí)間短，使焊縫與熱影響區(qū)的界線(xiàn)更加分明[6]。在壓縮電弧與較快的焊接速度的共同作用下，焊后焊接接頭快速冷卻，導(dǎo)致產(chǎn)生未熔合缺陷，如圖4所示。

綜上分析，打底焊程序（RW）適合“ 0 ”間隙工況的3 mm薄板焊接，即RW0工況;不適合1 mm間隙的薄板焊接，即RW1工況。而電弧冷焊程序（CA）適合1 mm間隙的薄板焊接，即CA1工況。

2.4 焊接殘余應(yīng)力與變形

殘余應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果如表5所示，其結(jié)果呈現(xiàn)規(guī)律如下：

（1）縱向殘余應(yīng)力與橫向殘余應(yīng)力相比較大。

（2）縱向殘余應(yīng)力正背面差值較小，橫向殘余應(yīng)力正背面差值較大。

（3）對(duì)于RW0與CA1工況，正面的橫向殘余應(yīng)力表現(xiàn)為中間部位接近0、兩邊升高，且為拉應(yīng)力特征，背面的橫向殘余應(yīng)力則表現(xiàn)為中間低兩邊高，且為壓應(yīng)力的特征;而對(duì)于RW1工況，背面的橫向殘余應(yīng)力表現(xiàn)為為中間部位接近0、兩邊升高，且為拉應(yīng)力的特征，正面的橫向殘余應(yīng)力則表現(xiàn)為中間低、兩邊高，且為壓應(yīng)力的特征。因?yàn)樵嚢逭w較長(zhǎng)，“ 0 ”值與低點(diǎn)不一定會(huì)在試板的正中心。

變形測(cè)量結(jié)果如表6所示，總體變形量為RW0工況>CA1工況≥RW1工況，但差距不大。其中RW0與CA1工況的變形趨勢(shì)為呈上凸下凹的角變形，撓曲變形呈上凹下凸，即“ 馬鞍形 ”。RW1工況變形趨勢(shì)為呈上凹下凸的角變形，撓曲變形呈上凸下凹，即“ 反馬鞍形 ”[7]。

變形方向不同的原因可能為：焊接角變形主要產(chǎn)生于焊接后的冷卻收縮階段，而冷卻收縮量的大小取決于焊接時(shí)的膨脹量。焊接時(shí)的膨脹量則取決于熱輸入的大小，當(dāng)試板背面受熱更大時(shí)，冷卻時(shí)產(chǎn)生的收縮更大，最終產(chǎn)生上凸下凹的角變形，正面受熱更大時(shí)變形方向相反。且因?yàn)樵嚢逭w形狀不會(huì)產(chǎn)生大的變形，故不會(huì)同時(shí)產(chǎn)生上凸下凹或上凹下凸的角變形及撓曲變形（類(lèi)似球的弧面），所以當(dāng)試板背面受熱更大時(shí)試板呈現(xiàn)馬鞍形;當(dāng)試板正面受熱更大時(shí)試板呈現(xiàn)為反馬鞍形。

RW0工況時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)“ 0 ”間隙的單面焊雙面成形，需要較大的熱輸入，使更多的母材熔化成液體，熱源整體下移，背面受熱大于正面，最終試板呈現(xiàn)馬鞍形。當(dāng)組對(duì)間隙為1 mm時(shí)，熱輸入會(huì)顯著低于“ 0 ”間隙的工況。RW1工況時(shí)，在“ 高頻脈沖壓縮電弧效應(yīng) ”的影響下，僅需很小的熱輸入即可實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形，但因電弧對(duì)母材的有效加熱面積較小，只有很少的母材熔化，使試板正面受熱大于背面，最終試板呈現(xiàn)反馬鞍形。CA1工況時(shí)，熱輸入略高于RW1工況，電弧對(duì)母材的有效加熱面積增大，更多的母材熔化，熱源整體下移，使試板背面受熱大于正面，最終試板呈現(xiàn)馬鞍形。

結(jié)合殘余應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)變形為馬鞍形時(shí)，焊趾處縱向與橫向殘余應(yīng)力正背應(yīng)力差的平均值均為正;當(dāng)變形為反馬鞍形時(shí)，焊趾處縱向與橫向殘余應(yīng)力正背應(yīng)力差的平均值均為負(fù)。

4 結(jié)論

（1）RW0、CA1工況的焊縫與母材熔合良好，未見(jiàn)裂紋、氣孔等缺陷。焊接接頭的抗拉強(qiáng)度均符合焊接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，彎曲試樣經(jīng)180°的正彎和背彎后，受拉面均未出現(xiàn)裂紋，焊接接頭塑性良好。

（2）RW1工況根部和坡口出現(xiàn)未熔合缺陷，這是因?yàn)楹负筮^(guò)快的冷卻速度。

（3）總體變形呈RW0工況>CA1工況≥RW1工況。RW0與CA1變形呈馬鞍形，RW1變形呈反馬鞍形。變形結(jié)果不同可能是由于正背面的受熱差。

（4）當(dāng)變形為馬鞍形時(shí)，焊趾處縱向與橫向殘余應(yīng)力正背應(yīng)力差的平均值均為正;當(dāng)變形為反馬鞍形時(shí)，焊趾處縱向與橫向殘余應(yīng)力正背應(yīng)力差的平均值均為負(fù)。

（5）高頻脈沖MAG焊可適用于Q345E鋼3 mm厚薄板小變形對(duì)接焊，組對(duì)間隙為“ 0 ”時(shí)，選用打底焊（RW）模式的工藝包;組對(duì)間隙為1 mm時(shí)，選用電弧冷焊（CA）模式的工藝包。

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