雙絲焊焊接接頭沖擊值偏低的原因

吳向陽，張志毅，陶傳琦，劉擁軍，王心紅

（1.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266111；2.西南交通大學焊接研究所，四川成都610031）

雙絲焊焊接接頭沖擊值偏低的原因

吳向陽1，張志毅1，陶傳琦1，劉擁軍2，王心紅1

（1.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266111；2.西南交通大學焊接研究所，四川成都610031）

雙絲焊因其具有高效、節能、焊接速度高、熔敷率高、焊接質量好等優點而獲得了廣泛的應用。在雙絲焊應用于轉向架側梁、橫梁焊接的工藝評定中，雙絲焊接頭沖擊值偏低，從焊接材料、母材、焊接線能量（焊接工藝參數）、焊后去應力退火處理、評定準備及評定過程等方面對接頭沖擊值偏低的原因作了初步探討。試驗結果表明，雙絲焊沖擊值偏低與材料有關，與焊接工藝、焊后熱處理的關系不大；雙絲焊在轉向架側梁、橫梁焊接的應用方案可行。雙絲焊技在轉向架上應用，能大大提高生產效率，對于高速列車制造具有重要的經濟效益和社會效益。

雙絲焊；工藝評定；沖擊功；力學性能

0 前言

隨著工業化發展和市場競爭的日益激烈，提高勞動生產率已經成為各行各業的焦點問題。在焊接領域，如何采用優質、高效的焊接技術則成為當前焊接工作者面臨的重要任務。一般來說，焊接生產率的提高主要有兩個方面：（1）薄板焊接時焊接速度的提高；（2）中厚板焊接時熔敷率的提高。雙絲焊是目前國際焊接研究和推廣的熱點之一，它既保持了單絲焊接的優點，同時還有熔敷效率高等單絲焊接所不具備的特點，既可以實現高速焊接，又可以實現高熔敷率焊接，既可以焊接薄板結構，也可以在中厚大結構的產品制造方面發揮作用，具有高效、節能、焊接速度高、焊接熔敷率高、焊接質量好等優點。近年來，南車青島四方機車車輛股份有限公司已基本實現產品焊接自動化，但在自動化焊接生產效率方面卻面臨著來自產能的壓力。伴隨工業產能的不斷提高，對焊接生產率提出了更為苛刻的要求，單絲自動化焊接生產效率達到瓶頸。如何優質、高效的實現側梁外體焊接、橫梁多層堆焊等部件的制造，則成為了提高生產線產能進一步提升的關鍵。基于此開展了雙絲焊技術研究。在雙絲焊工藝評定中發現，接頭沖擊值偏低，在此背景下，對雙絲焊接頭偏低進行了深入分析與研究，以期能夠提高焊接生產率。

1 試驗過程

試驗選用日本JIS G 3114制造的SMA490BW（板厚12 mm），采用IGM焊接機器人RTI330i進行自動焊接，焊接設備在選用弗尼斯焊機TPS5000的此基礎上，更換了雙絲焊接串聯電源、送絲系統及焊槍、雙絲弧控板、送絲同步控制器、外接電源110 kVA穩壓電源，并重新編寫了控制底層的基本代碼及重新定義TCP等設備改造工作。焊接位置為平焊（PA），采用單絲MAG自動焊打底，雙絲MAG自動焊填充蓋面，保護氣體選用混合氣體φ（Ar）80%+φ（CO2）20%，焊接工藝參數見表1。焊接時為防止焊接變形，采用工裝剛性固定。

表1 雙絲焊工藝參數Tab.1 Welding parameters of double-wire Welding

焊接完成之后采用磁粉探傷（MT）、超聲波探傷（UT）檢驗，合格后按表2進行去應力退火處理，再進行工藝評定。

2 試驗結果及問題

焊縫宏觀金相如圖1所示，由圖1可知，斷面沒有明顯裂紋、夾渣、未焊透、為熔合缺陷，焊縫成形良好。

對接頭進行的拉伸試驗結果表明，焊接接頭抗拉強度為525～570 MPa，符合設計要求（不得低于母材抗拉強度最低值490 MPa），斷裂位置均在焊接熱影響區，延伸率高于設計要求值15%，結果合格。同時開展了雙絲焊接頭彎曲試驗，未發現彎曲處有明顯的裂紋或開裂，彎曲試驗合格。

試板焊接接頭在-40℃沖擊試驗結果不理想。在-40℃條件下，缺口開在焊縫中心處的試樣平均沖擊值在40 J，缺口開在焊接熱影響區的試樣平均沖擊值約45 J，接頭沖擊值偏低。本研究對沖擊值偏低的原因從焊接材料、母材、焊接線能量等多個方面進行了分析，并制定了相應措施。

表2 焊后熱處理工藝參數Tab.2 Heat treatment process parameters

圖1 宏觀金相Fig.1 Macro-metallographic of the butt joint

3 分析與討論

觀察沖擊值偏低試樣，斷口較為平整，有金屬光澤。SEM觀察試樣，其沖擊SEM斷口形貌如圖2所示。由圖2可知，在-40℃的條件下，雙絲焊接頭沖擊試樣斷口具有明顯的河流狀的脆性斷裂特征，局部位置還具有孔洞型缺陷。在此對沖擊值偏低原因進行了分析。

3.1 材料及其化學成分對沖擊值的影響

所選焊接材料在單位使用多年，接頭沖擊值在-40℃情況下沖擊值都在80 J以上。對熔敷金屬在沖擊功-40℃條件下進行測試，熔敷金屬在沖擊功平均值117 J，滿足在-40℃條件下不低于75 J的要求。盡管熔敷金屬沖擊功滿足要求，但是焊接過程中，焊縫金屬是焊接材料在高溫條件下與母材發生冶金作用共同形成，熔敷金屬沖擊功并不能確保焊接接頭沖擊功。為了進一步驗證焊接材料問題，將單位使用多年的另一廠家的焊接材料進行試驗，試驗結果同樣是焊接接頭低溫沖擊值偏低。

圖2 沖擊值偏低試樣斷口Fig.2 The fracture of lower impact

焊接接頭性能主要依靠焊接過程中冶金作用來調整焊縫金屬成分[1]，確保接頭力學性能。通常在允許范圍內適當增加錳、鎳、鉻等元素的含量，降低碳、硫、磷等元素的含量，有助于降低焊接接頭的脆性，提高焊接接頭的沖擊值。其中，含錳量越高，含碳量越低，即較高的Mn/C含量有利于提高接頭沖擊值，硅對韌性有不良的影響，磷等雜質容易偏聚在晶界，降低晶界表面能，降低韌性。試驗用材料中碳、硫、磷含量盡管都在材料許可范圍內，但對接頭沖擊值的偏低有一定的影響。Ni是提高鐵素體基體韌性，是提高焊縫韌性的最主要元素。此外，鉬元素有利于形成高密度位錯亞結構針狀鐵素體，鈮元素有抑制再結晶并細化晶粒的效果，釩對鋼的韌性有一定的改善，這些元素對于提高沖擊值有利[2-3]。一旦母材自身成分有小的波動，對母材自身性能的影響較大，焊后對焊接接頭沖擊性能的影響也較大，加之本次試驗過程中對焊接熱影響區的沖擊功在低溫條件下也要低許多，甚至出現了缺口開在焊接熱影響區的沖擊功平均值偏低的現象，因此，該批次母材在性能方面有待進一步檢驗。

3.2 接頭組織對沖擊值的影響

焊接工藝不合理是引起焊接接頭發生質量事故的重要原因。選擇較大的工藝參數，造成焊接接頭晶粒組織粗大，影響接頭性能；選擇較小的工藝參數，必然導致接頭成形不良。因此，合理制定焊接工藝，是焊接接頭獲得優良性能的前提。本次試驗在充分參考單絲自動焊的基礎上，通過不斷優化工藝而制定，接頭各區顯微組織如圖3所示。

由圖3可知，母材組織為鐵素體和珠光體組織，焊縫區金相大都為先析鐵素體，晶內為上貝氏體（或粒狀貝氏體）、針狀鐵素體和珠光體組織，粗晶區為上貝氏體和珠光體組織。母材中的鐵素體呈片條狀，其尺寸十分細小，能夠有效地阻礙缺陷的擴展，提高其韌性。鐵素體內部的高密度位錯和亞結構，在一定程度上可以提高韌性，確保沖擊值。在焊縫區，接頭的顯微組織成分、大小、分布都不是很均勻，上貝氏體的存在對接頭的沖擊韌性十分不利，會嚴重降低接頭的沖擊功[4-5]。高密度位錯和微細鐵素體的存在，在一定程度上降低了上貝氏體的不利影響，使得接頭在-40℃低溫條件下仍具有一定的沖擊韌性。顯然，上貝氏體的存在也是接頭沖擊值不高的重要原因。

焊接接頭各種組織的晶粒尺寸對接頭的沖擊韌性有著較大的影響。派奇方程描述了晶粒尺寸與韌-脆轉變溫度的關系[6]：

式中 β、B、C均為常數；d為鐵素體的晶粒尺寸；Tc為韌脆轉變溫度。為分析方便，將上式簡單表示為

由式（1）、式（2）可知，晶粒直徑越大，其韌脆轉變溫度就越高，韌性就越差，反之韌性則越好。晶粒細化時，單位體積內的晶粒數量就越多，塑性變形可分散在更多的晶粒上進行，塑性變形就會更均勻。晶粒細化使得晶界總面積增加，致使裂紋擴張阻力增加，降低了脆性斷裂的傾向。由圖2可知，粗晶區及焊接熱影響區晶粒度較大。這是因為，焊道之間不停歇施焊，會使后續焊接時的層間溫度提高而產生焊接熱輸入量的累積效應，導致粗晶區、焊接熱影響區的晶粒增大。因此工藝及所引起的晶粒尺寸長大不是沖擊值偏低的主要原因。

圖3 接頭各區顯微組織Fig.3 Microstructure of the welded joints

3.3 應力狀態對沖擊值的影響

研究表明[7]，試件受到外載時，在主平面上作用有最大正應力σmax，與主平面呈45°的平面上作用有最大切應力τmax，與主平面垂直的平面上有最小正應力σmin。如果在τmax達到屈服點前，σmin先達到抗拉強度，往往容易發生脆性斷裂。

在焊接過程中，為防止焊接變形，采用工裝剛性固定試件（試件厚度為12mm），焊接結束后，沿著焊縫方向的縱向殘余應力、橫向殘余應力表現出拉應力。焊接完成之后進行去應力退火熱處理，但焊后熱處理對接頭組織細微結構、局部應力狀態具有一定的調節改善作用，能夠提高接頭低溫韌性，但無法改變接頭組織的基本形態，對低溫韌性的改變有限[8]。

4 結論

（1）在-40℃條件下，雙絲焊接頭沖擊值偏低是因為接頭具有脆性斷裂特征。

（2）接頭韌脆轉變的因素主要由材料引起，與焊接工藝、焊后熱處理的關系不大，建議加大材料入廠檢驗力度。

（3）上貝氏體的存在也是接頭沖擊值偏低的重要原因。

（4）通過系列措施，雙絲焊已用于在轉向架側梁、橫梁焊接的生產制造，并提高了生產效率，提高了經濟效益和社會效益。

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Analysis and study on low impact value of welded joint in double-wire welding

WU Xiangyang1，ZHANG Zhiyi1，TAO Chuanqi1，LIU Yongjun2，WANG Xinhong1
（1.Department of Technology Engineering，CSR Qingdao Sifang Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China；2.Welding Institute，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

Double-wire welding is widely used because of high efficiency，energy saving，high welding speed，high deposition efficiency and good welding quality.In the procedure qualification of bogie side beam and beam with double-wire welding，the welded joints have low impact value.From the aspects of welding material，base material，welding line energy(welding parameter)，postweld stress relieving by annealing，assessment preparation and process，the reasons for low impact value of welded joints are preliminary discussed. The results show that the low impact value of double-wire welding relates to materials but rarely concerns the welding technology and postweld heat treatment.And double-wire welding is feasible for the bogie side beam and beam.The application of double-wire welding technology in bogie can greatly improve the production efficiency and has important economic and social benefits for high speed train manufacturing.

double-wire welding；procedure qualification；impact energy；mechanical property

TG446

：A

1001-2303（2015）09-0156-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.09.35

2014-12-05

國家科技支撐計劃項目“更高速度等級轉向架關鍵技術及裝備研制”（2011BAG10B01）資助

吳向陽（1983—），男，江蘇連云港人，在讀碩士，主要從事高速列車轉向架焊接工藝及機器人二次應用開發與系統集成技術的研究工作。