重載車用BS960E高強貝氏體鋼MAG焊接工藝研究

江勇 馮仁錦 張成竹 劉艷

摘要：針對新型重載汽車選用的BS960E貝氏體高強鋼，通過優(yōu)化焊接接頭坡口、控制電流電壓等手段，獲得了優(yōu)良的MAG焊接工藝。并使用高速攝像和焊接在線監(jiān)測技術進一步探索了MAG焊電源的動、靜特性以及熔滴過渡行為，對焊接接頭的金相組織進行了分析。試驗發(fā)現(xiàn)：在最優(yōu)工藝條件下，焊接電流穩(wěn)定且電壓值較低，熔滴過渡形式為一脈一滴的射滴過渡。最終得到的接頭焊縫組織主要為回火馬氏體、針狀鐵素體和粒狀貝氏體，這些組織的產(chǎn)生使得焊縫的硬度較母材有明顯上升。

關鍵詞：貝氏體高強鋼;MAG焊;高速攝像;熔滴過渡

0 前言

重載汽車的輕量化是該類型產(chǎn)品的發(fā)展方向，BS960E貝氏體高強鋼具有優(yōu)異的力學性能，成為新型重載汽車半掛車縱梁的優(yōu)選材料。普通1 000 MPa級高強鋼主要為回火馬氏體鋼，存在可焊性差、焊縫易出現(xiàn)冷裂紋等問題[1]，難以運用于主要承載結(jié)構。而最近出現(xiàn)的控軋控冷技術冶制的貝氏體鋼在一定程度上優(yōu)化了1 000 MPa級高強鋼的可焊性，Oweg G M[2]等人在研究中就高強鋼用于焊接結(jié)構的優(yōu)勢和潛力做出了肯定，并研究了高強鋼焊接接頭的微觀組織變化。要將貝氏體高強鋼運用于新型重載車輛，就必須開發(fā)出適合生產(chǎn)條件且優(yōu)異的焊接工藝。聶麗萍[3]在車用高強鋼MAG焊焊接工藝研究中，使用DP600雙相鋼分別和輪輞用鋼RCL540、SPFH540的MAG焊搭接工藝進行了優(yōu)化，試驗結(jié)果顯示，焊接電流和焊接速度是影響熔深的主要因素。蔣慶梅[4]研究了焊接工藝參數(shù)對1 000 MPa超低碳貝氏體焊接接頭組織性能的影響，結(jié)果表明，熱輸入和焊道間溫度對焊接接頭組織和性能均有一定影響。MAG焊的研究中，大多數(shù)認為直流反接MAG焊更加穩(wěn)定。在直流正接MAG焊時，電弧的陰極斑點將自動尋找氧化膜，陰極破碎作用使電弧陰極斑點在焊絲端頭或側(cè)面來回游動，導致電弧不穩(wěn)[5]。所以確保焊接規(guī)范參數(shù)處于射流過渡區(qū)間，才能獲得相對穩(wěn)定的大電流直流正接MAG焊[6]。文中通過試驗，獲取BS960E貝氏體高強鋼的MAG焊優(yōu)質(zhì)工藝，并研究其焊接過程中的熔滴過渡行為和獲得的焊接接頭微觀組織。

1 試驗材料和設備

BS960E是一種貝氏體高強鋼，其微觀組織主要是針狀鐵素體和粒狀貝氏體。這種鋼材晶粒細小，抗拉強度為1 050 MPa，屈服強度為960 MPa，室溫下母材拉伸延伸率為12%，-40 ℃沖擊吸收功KV2為64.5 J。試件采用Fronius弧焊焊機進行脈沖MAG焊接，直流反接，保護氣為φ（CO2）20%+φ（Ar）80%混合氣體。焊接過程中使用高速攝像和電壓電流監(jiān)測裝置對熔滴和焊接電壓、電流數(shù)據(jù)進行同步監(jiān)測（見圖1）。按照半掛車縱梁的設計，焊接試驗采用板厚為6.5 mm的對接焊接試件，鈍邊設計尺寸為0.5 mm、坡口角度為30°（見圖2）。

采用φ1.2 mm的JQ-MG90-G焊絲進行焊接，焊絲表面無附加處理，抗拉強度為1 000 MPa，母材和焊絲的關鍵化學成分如表1所示。通過對焊接速度、送絲速度、焊槍擺動、焊接電流及焊接電壓的調(diào)整，將工藝試驗分為5組，如表2所示。

通過對焊接接頭在不同焊接工藝參數(shù)下的焊縫成形、熔深、熔寬以及微觀組織的觀察，確定最優(yōu)工藝參數(shù)為第5組：打底焊接速度0.6 m/min，送絲速度8 m/min，第二道焊接速度0.48 m/min，送絲速度4.5 m/min，擺長為3 mm、擺寬為3.5 mm，其焊縫表面成形如圖3所示。

使用高速攝像機對不同焊接參數(shù)下MAG焊接過程中的電弧形態(tài)、熔滴過渡行為及熔池形態(tài)進行實時監(jiān)測和圖像采集，如圖4所示。使用電流電壓采集設備（見圖5），對MAG焊接過程中電弧的電源靜特性及動特性進行在線實時采集，分析焊接過程中電源靜特性與動特性的變化規(guī)律。焊接接頭顯微硬度試驗參考標準為GB/T 2654-2008，使用HVS-30顯微硬度測試設備測試焊接接頭的硬度。試驗的加載力為10 kg，載荷持續(xù)時間為10 s。截取接頭焊縫試樣通過4%硝酸酒精腐蝕液處理后，用蔡司金相電子顯微鏡觀察其金相組織。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 熔滴過渡行為及電參數(shù)分析

MAG焊接電弧的電源靜特性及動特性在線實時采集結(jié)果如圖6所示。一個完整的脈沖時間為50 ms，在送絲速度較快時（見圖6a），焊接電流出現(xiàn)了不穩(wěn)定波動，會導致更多焊接缺陷和飛濺的產(chǎn)生。當焊接速度為0.48 m/min、送絲速度為4.5 m/min時（見圖6b），可以明顯看出電流更加穩(wěn)定，電壓也相對較低，利于對焊接熱輸入的控制。圖6c中焊接速度為0.72 m/min、送絲速度為7 m/min，雖然電壓值不是很高，但電流仍出現(xiàn)了稍許波動。當采用較高的焊接速度和送絲速度時（見圖6d），電流有明顯增高的趨勢，焊接電流峰谷值已經(jīng)超過100 A，這將導致焊接熱輸入過大，不利于焊接變形和焊接殘余應力的控制。因此，需要將焊接速度和送絲速度控制在合理的范圍內(nèi)，避免電流的不穩(wěn)定或電壓偏高。

在最優(yōu)焊接工藝參數(shù)下，使用高速攝像對焊接熔滴過渡進行觀察，如圖7所示。在一個完整熔滴過渡過程中，可以看出熔滴過渡形式為射滴過渡，熔滴的尺寸接近焊絲直徑（φ1.2 mm）且沿焊絲軸向過渡，電弧為典型的鐘罩狀。在熔滴滴落過程中始終處于電弧弧光內(nèi)，幾乎沒有飛濺產(chǎn)生。一個過渡過程時間約為48 ms，和一個脈沖周期幾乎相同，所以焊接熔滴過渡形式為一脈一滴。

2.2 焊接接頭的金相組織

對最優(yōu)工藝條件得到的焊接接頭金相組織如圖8所示。母材為短軸狀的鐵素體和粒狀貝氏體，晶粒細小均勻（見圖8e）。焊接后，焊縫的組織主要為馬氏體、針狀鐵素體和粒狀貝氏體（見圖8a）。從圖8b中可以明顯看到柱狀晶從焊縫中心向兩邊熔合線生長，晶粒組織較為粗大。導致這一現(xiàn)象的原因是較大的熱輸入和較慢的焊接速度，使該區(qū)域處于高溫的時間較長，晶粒有足夠的時間長大，并導致晶粒粗化[7]。熔合線處發(fā)生了馬氏體相變，為典型的片狀馬氏體組織（見圖8c），在該處有高的硬度和強度，但是韌性較差[8]。熱影響區(qū)的細晶區(qū)和不完全相變區(qū)晶粒都細小而均勻，有較好的力學性能（見圖8d）。

2.3 焊接接頭的顯微硬度

焊接接頭顯微硬度測試結(jié)果如圖9所示，接頭蓋面層和打底層的硬度測試間距為1 mm，焊縫中心厚度方向硬度測試距離為0.5 mm。

由試驗結(jié)果并結(jié)合金相組織分析，接頭蓋面層的硬度（見圖9b）較大，其硬度在380～420 HV之間，這是因為馬氏體組織和柱狀晶的產(chǎn)生使焊縫硬度較母材有明顯的上升;最高硬度在熔合線處，此處是典型的片狀馬氏體，硬度最高達到460 HV;在距焊縫中心12 mm后，硬度趨于平穩(wěn)在350 HV左右。接頭打底層的硬度（見圖9c）整體較蓋面層而言相對均勻和偏低，最高硬度（370 HV）在焊縫位置，最低值310 HV出現(xiàn)在熱影響區(qū)。這是因為打底層在經(jīng)歷了蓋面層重熔后，經(jīng)歷了一次類似高溫回火的過程，晶粒度相較于蓋面層細小，硬度下降，韌性有所回復。

焊接接頭焊縫中心厚度方向的硬度（見圖9d）呈現(xiàn)出“上硬下軟”的特征，進一步證明了打底層的重熔高溫回火作用使硬度下降。其中，硬度最低為315 HV，在距表面3.5 mm處，此處為兩層焊道的界面處。

3 結(jié)論

（1）針對新型重載汽車用BS960E貝氏體高強鋼，優(yōu)化MAG焊工藝，得到最優(yōu)工藝參數(shù)為：打底焊接速度為0.6 m/min、送絲速度8 m/min，第二道焊接速度為0.48 m/min、送絲速度4.5 m/min，焊槍擺動擺長為3 mm、擺寬為3.5 mm。

（2）獲得了不同焊接工藝參數(shù)下的電參數(shù)及熔滴過渡形式，在最優(yōu)工藝條件下，電流穩(wěn)定且電壓值較低，利于焊接熱輸入的控制。熔滴過渡形式為一脈一滴平穩(wěn)過渡，飛濺較少。

（3）MAG焊接后，焊縫整體組織較為粗大，主要為馬氏體、針狀鐵素體和粒狀貝氏體，熔合線處的馬氏體使得接頭的硬度呈“M”型分布，同時蓋面層對打底層的高溫回火作用使焊縫呈現(xiàn)出“上硬下軟”的硬度分布規(guī)律。

參考文獻：

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