基于超微弧特性的SMA490BW鋼焊接工藝試驗研究

姚 鵬，齊維闖，吳向陽，史春元

（1.大連交通大學 材料科學與工程學院，遼寧 大連 116028；2.南車青島四方機車車輛股份有限公司 技術工程部，山東 青島 26111）

0 前言

SMA490BW鋼具有較高的強度、塑性和韌性等綜合力學性能，同時也有良好的耐大氣腐蝕性能，專門用于制造高速動車組轉向架焊接構架[1]。轉向架作為車輛走行部的主要構件，在工作過程中承受著交變載荷的作用[2]。轉向架構架的焊接主要采用MAG電弧焊方法。由于構架結構較為復雜，有些焊縫受空間限制只能進行單面焊接，但按要求焊縫背面需要完全熔透。顯然，焊縫根部未焊透會產生嚴重的應力集中，導致焊接接頭的疲勞強度降低，嚴重影響焊接構架的安全可靠性及壽命。為保證焊縫根部完全熔透，可嘗試選用新型MAG焊設備進行焊接。

德國EWM公司研制的PHOENIX 521 EXPERT PULS forceArc焊接設備，利用現代數字化逆變電源可產生一種forceArc焊接電弧[3]。ForceArc電弧在大電流工作范圍，呈現出能量集中的超短弧噴射過渡電弧特征，又稱超微弧[4]。超微弧具有電弧方向性強，焊接效率高，不易產生焊接缺陷，焊后變形小等特點。與傳統噴射過渡電弧相比，超微弧具有較高的等離子壓力，可獲得更大的熔深[5]。本研究針對焊接構架用SMA490BW鋼，在超微弧焊接條件下，分別對板材對接接頭和T型接頭進行焊接工藝試驗，確定合適的坡口角度、鈍邊尺寸和組焊間隙，評定焊接接頭力學性能，為超微弧焊接技術在轉向架焊接構架制造中的應用提供實驗依據。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用鋼為SMA490BW鋼板材（厚12 mm），化學成分及力學性能見表1。焊接設備選用德國EWM公司的PHOENIX 521 EXPERT PULS forceArc。焊絲選用CHW-55CNH的實芯焊絲(φ1.2 mm），保護氣體為φ(Ar)80%+φ(CO2)20%，氣體流量20 L/min。

1.2 試驗方法

（1）超微弧焊接工藝參數試驗。

在焊接工藝試驗過程中發現，隨著焊接電流的增大，焊接電弧的超微弧特征逐漸增強，即電弧長度縮短并逐漸潛入熔池，電弧能量集中且挺直性增大。當電流達到280 A時，電弧的深熔焊能力迅速增加，但當電流超過320 A后，電弧熔深能力的增加逐漸減緩。顯然，利用超微弧焊接熔深大的特點，可以減少普通MAG電弧焊時的焊接道數，提高焊接生產效率，本試驗采用的超微弧焊接工藝參數如表2所示。

表1 SMA490BW鋼化學成分及力學性能Tab.1 Chemical composition and mechanical properties of SMA490BW steel

表2 焊接工藝參數Tab.2 welding process parameters

（2）焊接試板幾何參數試驗。

試驗采用兩種接頭形式，分別是單面V型坡口的對接接頭和T型接頭。在確定的焊接工藝參數下，對試板的坡口角度、鈍邊尺寸、組焊間隙三個幾何參數，固定其中兩個參數，改變另外一個參數。以接頭的正、背面成型為標準，選擇合適的坡口角度，鈍邊尺寸和組焊間隙。

（3）焊接接頭組織與力學性能試驗。

在確定的焊接工藝參數和焊接試板幾何參數下，依據ISO15614-1：2004金屬材料焊接工藝規程及評定—鋼的電弧焊和氣焊，對全熔透板材對接接頭與T型接頭進行組織與力學性能試驗。焊后試板均經過590±15℃/2 h去應力退火處理。

拉伸試驗參照ISO 4136：2001金屬材料焊縫破壞性試驗—橫向拉伸試驗，彎曲試驗參照ISO 5173：2000金屬材料焊縫破壞性試驗—彎曲試驗，拉伸和彎曲試驗在WE-30液壓式萬能試驗機上進行。沖擊試驗參照ISO 9016：2001金屬材料焊縫破壞性試驗—沖擊試驗，在JB-30B型沖擊試驗機上進行，斷口分析在JSM-6360LV型掃描電鏡上完成。硬度測定參照ISO 9015-1：2001金屬材料焊縫破壞性試驗—硬度試驗，在HV-10型維氏硬度計上完成，載荷10 kg，保荷時間15 s。接頭宏觀形貌與微觀組織分析參照ISO 17639：2003金屬材料焊縫破壞性試驗—焊縫宏觀和微觀檢驗，接頭宏觀形貌檢驗在KEYENCE VHX-1000視頻顯微鏡上進行，微觀組織分析在OLYMPUS-X51顯微鏡上進行。

2 試驗結果與分析

2.1 焊接試板幾何參數試驗

焊接試板幾何參數試驗結果見表3?？梢钥闯?，對于板材對接接頭，當坡口角度為60°，組焊間隙為1 mm時，鈍邊為0與1 mm時焊縫完全熔透且背面成型良好，相比之下鈍邊為0時焊縫正面和背面成型更平直和均勻?？梢娺x擇坡口角度60°、鈍邊尺寸0～1 mm、組焊間隙1 mm為宜。

對于T型接頭，當坡口角度為55°，組焊間隙為2 mm時，鈍邊為0和1 mm時焊縫完全熔透且背面成型良好，其中鈍邊為0時焊縫正面及背面的成型更為均勻?？梢娺x擇坡口角度為55°，鈍邊尺寸0～1 mm、組焊間隙為2 mm為宜。鈍邊尺寸為0時，全熔透板材對接接頭與T型接頭焊縫正、背面成型如圖1所示。

表3 焊接試板幾何參數試驗結果Tab.3 The test result of plates’geometric parameters

圖1 焊縫正面與背面成形Fig.1 The forming of the weld’s frontage and back

2.2 焊接接頭組織與力學性能試驗

（1）焊接接頭力學性能試驗。

板材對接接頭力學性能試驗結果見表4?？梢钥闯觯淅煨阅芫鶟M足標準規定的SMA490BW母材相應力學性能指標。其中屈服強度均高于365 MPa，抗拉強度均介于490～610 MPa之間，斷后伸長率均大于15%。拉伸試樣均斷裂在遠離焊縫的母材處。彎曲試樣經過180°側彎后，拉伸面均未出現裂紋。焊縫及熱影響區在-40℃環境下的夏比V型缺口沖擊功均大于27 J，其中HAZ的沖擊功高于焊縫，表明HAZ沖擊韌性優于焊縫。

兩種接頭維氏硬度測試位置見圖2，測試結果見表5。對于板材對接接頭，焊縫硬度的最高值為215 HV10，熱影響區硬度的最高值為221 HV10。對于T型接頭，焊縫硬度的最高值為215 HV10，熱影響區硬度的最高值為237 HV10。兩種接頭焊縫和熱影響區最高硬度值均小于標準規定退火狀態下允許的最高硬度值320 HV10。

圖2 焊接接頭維氏硬度測試位置Fig.2 Test position of the welding joint’s HV hardness

對接接頭在-40℃下的沖擊斷口形貌見圖3?？梢钥闯觯缚p和HAZ的沖擊斷口均呈準解理加韌窩狀態，其中焊縫斷口以準解理為主，而HAZ斷口主要呈韌窩態，故HAZ的沖擊韌性優于焊縫。

（2）接頭宏觀形貌與微觀組織分析。

對接接頭和T型接頭的宏觀形貌及微觀組織分別如圖4和圖5所示?？梢钥闯觯瑑煞N接頭焊縫完全熔透，各焊道之間及焊縫與母材之間熔合良好，沒有出現氣孔、裂紋、夾雜等焊接缺陷。焊縫與母材之間的焊趾處過渡平滑，有利于改善接頭的抗疲勞性能。焊縫組織為柱狀結晶的鐵素體和針狀鐵素體及少量珠光體及少量貝氏體；熔合區及HAZ過熱區組織為沿晶析出的塊狀先共析鐵素體、晶內細條狀鐵素體及少量貝氏體和珠光體，沒有發現粗大魏氏組織或其他脆性組織。

表4 對接接頭力學性能試驗結果Tab.4 The test result of mechanical properties of the butt joint

表5 接頭硬度測試結果（HV10）Tab.5 The test result of HV10 hardness of the welding joint

圖4 接頭宏觀形貌Fig.4 Macrostructure of the welding joint

3 結論

（1）SMA490BW鋼超微弧焊接工藝參數范圍確定為：底層焊電流 190～210 A，電壓 23～25 V，焊速25～30 cm/min；填充及蓋面焊電流 290～310 A，電壓31～33 V，焊速 30～35 cm/min。對于板材對接接頭，選擇坡口角度60°、鈍邊尺寸0～1 mm、組焊間隙1 mm為宜，而對于T型接頭，坡口角度55°、鈍邊尺寸0～1 mm、組焊間隙1 mm為宜。

（2）在超微弧焊接條件下，選用CHW-55CNH(φ1.2 mm)焊絲并且配以 φ(Ar)80%+φ(CO2)20%保護氣體，SMA490BW鋼焊接接頭經590±15℃/2 h退火處理后，其強度、塑性、硬度、沖擊韌性等常規力學性能均符合標準規定的要求，拉伸試件均破斷在遠離焊縫的母材中。

圖5 接頭微觀形貌Fig.5 Microstructure of the welding joint

（3）在超微弧條件下焊接的SMA490BW鋼對接接頭和T型接頭，焊縫表面成型良好，背面焊道完全熔透，沒有咬邊、裂紋、氣孔及未熔合等缺陷，焊縫與母材之間焊趾部位過渡平滑。焊縫組織為柱狀結晶的鐵素體和針狀鐵素體+少量珠光體及少量貝氏體，熔合區及HAZ粗晶區組織為沿晶析出的塊狀先共析鐵素體、晶內細條狀鐵素體及少量貝氏體和珠光體。

[1]李丹丹，張志毅，史春元.多次補焊對SMA490BW鋼焊接過熱區沖擊性能的影響[J].熱加工工藝，2011，40(17)：161-166.

[2]張志毅，韓永彬，王心紅，等.轉向架構架補焊殘余應力數值模擬[J].電焊機，2012，42(4)：82-86.

[3]張 洪.現代數字化弧焊逆變電源的發展及應用[J].航空制造技術，2007，(6)：59-61.

[4]Budig，Mundersbach.EWM forceArc a powerful tool for MIG/MAG welding[EB/OL].2005-01-06[2013-03-20].http://www.ewm-sales.co.uk/downloads/wm030101.pdf.

[5]Heinz Dieter Kocab，張 洪.采用新型焊接電弧提高焊接生產的經濟效益和焊縫質量[J].焊接，2010(5)：33-38.

[6]束德林.工程材料力學性能[M].北京：機械工業出版社，2007.

[7]呂德林，李硯珠.焊接金相分析[M].北京：機械工業出版社，1986.