不銹鋼CMT焊接對裝配間隙及錯邊的適應性研究

王紅波，王躍海，曹興華，戴忠晨，孟憲偉，黎 碩，王春明

（1.中車南京浦鎮車輛有限公司，江蘇南京210031；2.華中科技大學材料科學與工程學院，湖北武漢430074）

不銹鋼CMT焊接對裝配間隙及錯邊的適應性研究

王紅波1，王躍海1，曹興華1，戴忠晨1，孟憲偉1，黎 碩2，王春明2

（1.中車南京浦鎮車輛有限公司，江蘇南京210031；2.華中科技大學材料科學與工程學院，湖北武漢430074）

使用CMT（Cold Metal Transfer，冷金屬過渡焊接技術）焊接方法對2mm厚度的X2CrNiN18-7不銹鋼焊接過程中間隙和錯邊的適應性進行研究。在板厚2 mm的情況下，CMT焊接對焊縫間隙容忍力強，達到母材厚度的37.5%；磨平處理的焊縫抗拉強度可達到母材的80%～88%；對焊縫錯邊量容忍力可達到母材厚度的40%。

CMT；間隙；錯邊；力學性能

0 前言

近年來我國軌道交通發展迅速，軌道車輛車體需求大量增加。國內大部分軌道車輛車體生產企業已使用不銹鋼代替普通碳鋼來生產軌道車輛車體。不銹鋼軌道車輛車體焊接工藝主要采用熔化極氣體保護焊（MIG或MAG）和電阻點焊[1]。電阻點焊的焊點會造成車體表面變形，嚴重影響車體的美觀；MAG焊存在飛濺、過熱等諸多缺陷[2]。熱輸入量低、飛濺少的CMT焊接技術非常適合不銹鋼列車車體制造。

孟慶亮[3]等人研究了不銹鋼薄板的CMT焊接工藝，得到焊接參數對焊縫成形的影響以及合理的工藝參數。Renno Veinthal等人[4]通過實驗分析CMT焊接不銹鋼薄板的T型接頭焊接厚度的極限，得到適用的工藝參數和良好的成形。

但上述研究均是在設定的理想裝配條件下進行，實際生產過程中的裝配質量難以達到理想狀態或者難以保證一致性。因此，研究CMT技術對不銹鋼焊接裝配間隙和錯邊的適應性對實際生產具有較大的指導意義。

1 實驗設備和材料

實驗母材采用2 mm厚度的德國牌號不銹鋼X2CrNiN18-7，試樣規格3 500 mm×150 mm×2 mm。焊絲為直徑φ1.0 mm的308LSi不銹鋼。母材和焊絲化學成分如表1所示。

表1 母材和焊絲化學成分%

實驗設備為CMT焊機和焊接機器人，如圖1所示。每條焊縫取3個拉伸試樣，使用WDW3200微控電子萬能試驗機對焊接接頭進行拉伸試驗，取平均值作為試驗值。

圖1 CMT焊機和焊接機器人

2 CMT焊接對間隙的適應性

為探究CMT焊接技術對對接間隙的適應性，在主要焊接參數（焊接速度0.8 m/min、送絲速度10 m/min、電流162 A、電壓13.5 V、干伸長12 mm、弧長修正-5%、推進修正0）不變的情況下，預設焊接試樣對接間隙分別為0 mm、0.25 mm、0.5 mm、0.75 mm、1.0 mm、1.25 mm，研究對接間隙對焊縫成形的影響。具體參數見表2，實驗結果見表3。

由表3可知，隨著間隙的增大，焊縫余高越來越低（焊縫余高h符合ISO-5817《鋼、鎳、鈦及其合金的熔焊接頭缺陷等級評定》余高質量等級B級要求：h≤1 mm＋0.1b，b為熔寬），熔透越來越大，直至最后間隙為1.25 mm的焊縫。焊接開始時，熔池和板材溫度不高，所以有一小段連續的焊縫。焊接過程持續一段時間后，熔池溫度和板材溫度上升，熔深增大導致熔池無法被托住直至熔池下塌，焊絲與板材斷路。斷路時焊接電流為零，熔池消失，板材冷卻，此后焊接過程繼續，如此反復形成了焊縫的斷續。

表2 對接間隙變化

拉伸試驗結果：間隙為1 mm的試樣斷裂在焊縫，間隙為0 mm、0.25 mm、0.5 mm、0.75 mm的試樣斷裂在母材（間隙1.25 mm焊接接頭焊縫不連續，所以不做拉伸力學性能測試）。圖2a和圖2b分別為拉伸試樣斷裂在焊縫和母材。說明CMT焊接技術的搭橋能力很強，板厚2 mm情況下對焊縫間隙容忍力強，可達母材厚度的37.5%。

圖2 拉伸試樣斷裂位置

為獲得對接間隙對拉伸試樣抗拉強度的影響，磨平焊縫再做了一組拉伸試驗。焊縫磨平見圖3。

圖3 焊縫磨平示意

將焊縫磨平后，取拉伸試樣進行測試，試樣斷裂在焊縫。對接間隙對抗拉強度的影響如圖4所示，在對接間隙為0mm時，試樣的抗拉強度為688MPa；對接間隙為0.25mm時，試樣抗拉強度降至666MPa，對接間隙為0.5 mm、0.75 mm、1.0 mm時，試樣抗拉強度降至約630 MPa。這是因為焊縫主要由γ奧氏體相和少量δ鐵素體相組成，隨著裝配間隙的逐漸增大，焊縫中的δ鐵素體含量逐漸降低，抗拉強度也隨著δ鐵素體含量的降低而下降[5]。如圖5所示，對接間隙為0mm、0.25mm、0.5mm和0.75mm時，焊縫中δ鐵素體含量為13.2%、12.0%、11.1%和9.8%。

表3 對接不同間隙的焊縫成形

3 CMT焊接對錯邊的適應性

為探究CMT焊接對錯邊量的適應性，在主要工藝參數（焊接速度0.8 m/min、送絲速度10 m/min、電流162 A、電壓13.5 V、干伸長12 mm、弧長修正-5%、推進修正0）不變的情況下，預設對接錯邊量分別為0、0.2 mm、0.4 mm、0.6 mm、0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm，觀察錯邊量對焊接的影響，具體參數如表4所示。

對焊接試樣進行拉伸試驗，結果為：錯邊量為1mm、1.2mm的試樣斷裂在焊縫，錯邊量為0、0.2mm、0.4mm、0.6mm、0.8mm的試樣斷裂在母材。說明CMT焊接技術的搭橋能力很強，板厚2 mm的對焊縫錯邊量容忍達到母材厚度的40%。在充分焊透的條件下，對接錯邊量較小的拉伸試樣的抗拉強度高。板厚2 mm時，對接不同錯邊量焊縫橫截面如圖6所示。

圖4 對接間隙對抗拉強度的影響

表4 對接錯邊量變化/mm

圖5 不同間隙焊縫δ鐵素體含量

圖6 板厚2 mm時對接不同錯邊量焊縫橫截面

4 結論

（1）板厚2mm情況下，CMT焊接對對接裝配間隙容忍力強，達到母材厚度的37.5%。經磨平處理的焊縫抗拉強度可達到母材的80%～88%。

（2）板厚2 mm情況下，CMT焊接對裝配錯邊量容忍可達母材厚度的40%。

[1]段珍珍，張雪紅，谷曉鵬.軌道車輛焊接制造工藝現狀及發展趨勢[J].焊接技術，2011，40（11）：1-5.

[2]劉佳.軌道客車用SUS301L奧氏體不銹鋼激光疊焊技術研究[D].吉林：長春理工大學，2012.

[3]孟慶亮.不銹鋼薄板冷金屬過渡焊焊接（CMT）工藝研究[D].吉林：吉林大學，2015.

[4]TALALAEV R，VEINTHAL R，LAANSOO A，et al.Cold metal transfer(CMT)welding of thin sheet metal products [J].Estonian Journal of Engineering，2012，18（3）：243-250.

[5]陳洋，吳世凱，肖榮詩.SUS301L不銹鋼薄板CO2激光-MIG復合焊工藝研究[J].應用激光，2013，33（2）：158-163.

Investigation on the adaptability of stainless steel to the gap and unfitness using CMT welding

WANG Hongbo1，WANG Yuehai1，CAO Xinghua1，DAI Zhongchen1，MENG Xianwei1，LI Shuo2，WANG Chunming2
（1.CRRC Nanjing Puzhen Co.，Ltd.，Nanjing 210031，China；2.School of Materials science and engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China）

2 mm thickness X2CrNiN18-7stainless steel was welded to study the adaptability to the gap and unfitness using CMT(Cold Metal Transfer)and the results were also evaluated quantitatively.The gap tolerance of CMT welding to the weld reached 37.5%of the base metal thickness and the tensile strength of weld was up to 80%～88%of the parent material after smoothly processing.In addition，the gap tolerance of weld achieved 40%of the base metal thickness.

CMT；clearance；wrong side；mechanical properties

TG457.11

A

1001-2303（2017）05-0094-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.05.20

2016-10-08；

2017-01-26

王紅波（1983—），男，工程師，學士，主要從事焊接技術的研究工作。E-mail：wangjelly1@163.com。

本文參考文獻引用格式：王紅波，王躍海，曹興華，等.不銹鋼CMT焊接對裝配間隙及錯邊的適應性研究[J].電焊機，2017，47（05）：94-97.