转向架用SMA490BW耐候钢超射流过渡焊接工艺试验

张世欣 ，汪 认 ，谢 旭 ，杨 蔚 ，史春元

（1.南车青岛四方机车车辆股份有限公司技术工程部，山东青岛266111；2.大连交通大学材料科学与工程学院，辽宁大连116028）

转向架用SMA490BW耐候钢超射流过渡焊接工艺试验

张世欣1，汪 认1，谢 旭2，杨 蔚2，史春元2

（1.南车青岛四方机车车辆股份有限公司技术工程部，山东青岛266111；2.大连交通大学材料科学与工程学院，辽宁大连116028）

采用超射流过渡焊接工艺模式，分别对转向架用SMA490BW钢对接接头和T型接头的底层焊道进行焊接工艺参数优化试验，并研究焊接接头的微观组织和力学性能。结果表明：在其他焊接工艺条件不变的情况下，当对接接头底层焊道的电流290 A、电压27.8 V、焊速9.4 mm/s和钝边0.5 mm时，T型接头底层焊道的电流280 A、电压27.2 V、焊速6 mm/s和坡口角度50°时，可获得较为理想的焊缝成形。与传统的脉冲MAG焊接工艺相比，超射流过渡MAG焊接工艺的熔深能力更大，焊接接头的屈服强度、抗拉强度和延伸率有所提高，符合焊接工艺评定试验标准的要求。

12CrMoV；焊接；缺陷；气孔

0 前言

SMA490BW耐候钢具有较高的强度、塑性和韧性以及良好的耐大气腐蚀性能，专门用于制造高速动车组转向架焊接构架[1]。由于焊接构架的结构较为复杂，有些焊缝受到操作空间的限制只能实施单面焊接，并且要求底层焊道必须完全熔透。而目前构架焊接主要采用传统的脉冲MAG焊接工艺，在焊接热输入量不宜增大的情况下，该焊接工艺的熔深能力有限[2]。

法国SAF公司推出的DIGIPULSⅡ全数字式逆变脉冲气保护焊机不仅配有传统的脉冲MAG焊接工艺焊接模式，还拥有超射流过渡MAG焊接工艺模式。与传统工艺相比，超射流过渡MAG焊接过程中因脉冲峰值电流持续时间长，形成较大的电弧力作用于熔池表面，使熔池表面下凹，有利于电弧热量传递到熔池底部，同时大峰值电流产生的热量较高，使熔滴更容易过渡到熔池底部，增大熔深[3-4]。

本研究以焊接构架用SMA490BW钢板对接、T型接头形式为例，采用正交试验法进行超射流过渡MAG焊接工艺参数优化试验，并评定焊接接头的力学性能[5-6]，为超射流过渡MAG焊接工艺在转向架焊接构架制造中的应用提供实验依据。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

材料为动车组转向架用12 mm厚SMA490BW钢板材，其化学成分及力学性能如表1所示。选用法国SAF公司生产的DIGIPULSⅡ焊机。选用CHW-55CNH 实心焊丝（φ1.2 mm），保护气体为 φ（Ar）80%+φ（CO2）20%，气体流量 22 L/min。

表1 SMA490BW钢化学成分及力学性能Table 1 Chemical composition and mechanical properties of SMA490BW steel

1.2 试验方法

1.2.1 正交试验设计

焊接电流、电弧电压（弧长）、焊接速度、钝边尺寸以及坡口角度对焊缝熔深的影响较大，因此选取其中4个因素为研究对象。对接接头选择电流、电压、焊速和钝边4个影响因素，坡口60°，间隙为0；T型接头选择电流、电压、焊速和坡口4个影响因素，钝边为0.5 mm，间隙为0。选用L9（34）正交表设计方案，共9次试验。对接接头和T型接头的焊接工艺参数因素水平如表2所示。正交试验设计的评定指标为焊缝熔深值[7]。

极差分析方法是利用数理统计方法计算出正交表中每列的极差R值来判断影响因素的主次关系，寻找较优的水平组合。具体计算如下

式中 i为水平数；j为正交表中的列数，即因素数；r为某因素中相同水平重复试验的次数；Kij为第j列第i水平的试验平均值；Tij为正交表中第j列第i水平的试验结果 yi之和；Kij（max）为第 j列中的最大的Kij值；Kij（min）为第j列中的最小的Kij值；Rj为第j列的极差值。

根据极差分析数据表可确定4种因素对焊接熔深影响的主次顺序和各因素的优化水平，并确定最优焊接工艺参数组合。

表2 焊接工艺参数因素水平Table 2 Welding process parameter factor level

1.2.2 焊接接头组织与力学性能试验

在优化焊接工艺参数条件下，依据ISO15614-1：2004焊接工艺评定试验标准对全熔透板材对接接头进行组织和力学性能试验。焊后试板均经过590℃±15℃/2 h去应力退火处理。

拉伸试验参照ISO 4136：2001，弯曲试验参照ISO 5173：2000，在WDW-300E电子万能试验机上进行拉伸和弯曲试验。参照ISO 9016：2001在JB-300A型冲击试验机上进行冲击试验，选用德国蔡司SUPRA 55场发射扫描电子显微镜完成断口分析。参照ISO 17639：2003，利用OLYMPUS-X51显微镜进行接头微观组织分析。

2 试验结果和分析

2.1 焊接工艺参数试验

极差分析结果如表3、表4所示。由表3可知，对接接头4种因素对焊缝底层焊道熔深影响的主次顺序为焊接电流、焊接速度、电弧电压和钝边尺寸。各因素的优化水平分别为焊接电流I=290 A、电弧电压U=27.8 V、焊接速度v=9.4 mm/s、钝边尺寸h=0.5 mm。由表4可知，T型接头4种因素对焊缝底层焊道熔深影响的主次顺序为焊接电流、焊接速度、电弧电压和坡口角度。结合各因素的优化水平，选择焊接电流I=280 A、电弧电压U=27.2 V、焊接速度 v=6 mm/s、坡口角度 α=50°。

表3 对接接头焊接参数正交试验极差分析Table 3 Orthogonal test scale analysis of butt joint welding parameters

在底层焊工艺参数基础上进行填充和盖面焊，要求焊缝完全填充，对接接头填充和盖面焊选用电流250 A、电压24.5 V、焊速5 mm/s，T型接头填充和盖面焊选用电流260 A、电压26.5 V、焊速3.8 mm/s。底层焊对接接头和T型接头焊缝断面形貌如图1所示，焊缝与母材金属之间熔合良好，无夹杂、气孔、裂纹等缺陷。

2.2 焊接接头组织和力学性能

2.2.1 宏观形貌和微观组织

焊接接头宏观形貌和显微组织如图2所示。可以看出，在超射流过渡MAG焊接工艺条件下，焊缝表面平滑，焊缝与母材之间及焊道之间熔合良好，未发现咬边、裂纹、气孔等焊接缺欠。与传统脉冲MAG焊接工艺相比，采用超射流过渡MAG焊接工艺时，焊缝正面熔宽减小而背面熔宽增大（见图2a），表明超射流过渡MAG焊接电弧的熔深能力更大。

两种焊接工艺下接头微观组织相近。焊缝金相组织为柱状结晶的铁素体、针状铁素体和少量珠光体以及少量贝氏体；熔合区和HAZ过热区组织为沿晶析出的块状先共析铁素体、晶内细条状铁素体及少量贝氏体和珠光体，未发现粗大魏氏组织或其他脆性相（见图 2b、2c、2d）。

表4 T型接头焊接参数正交试验极差分析Table 4 Orthogonal test scale analysis of T joint welding parameters

图1 底层焊道断面形貌Fig.1 Section morphology of the backing weld

2.2.2 力学性能

采用超射流过渡MAG焊接的SMA490BW耐候钢接头经（590±15）℃×2 h退火处理后进行准静态横向拉伸试验，并与传统脉冲MAG焊接的接头进行对比，结果如表5所示。焊接接头均断裂在母材区，断口附近存在明显的塑性变形，呈典型的韧性断裂特征。所有接头的屈服强度、抗拉强度都符合规定（大于等于母材强度下限值），断后延伸率也都满足大于等于15%的要求。与传统脉冲MAG焊相比，采用超射流过渡MAG焊接时，接头的屈服强度、抗拉强度和延伸率均有所提高。所有接头试样经过180°侧弯后均完好，未发生裂纹，符合规定要求。

采用超射流过渡MAG焊和传统脉冲MAG焊的对接接头的焊缝区和热影响区经（590±15）℃×2 h退火处理后的冲击试验结果如表6所示。

由表6可知，随着温度的降低，焊缝区冲击功逐渐减小，但在20～-40℃范围内，焊缝冲击功都超过规定的最小冲击功27 J。与传统脉冲MAG焊相比，采用超射流过渡MAG焊接头焊缝区的冲击功在20～0℃范围内有所降低，但在-20～-40℃范围内有所提高，并且冲击数据的离散性减小。

图2 对接接头宏观形貌和微观组织Fig.2 Macrostructure and microstructure of the welding joint

表5 对接接头室温拉伸和弯曲试验结果Table 5 Results of the tensile and bending test of the butt joint at room temperature

焊接热影响区的冲击功也随着试验温度的降低而减小。当试验温度从20℃降至-40℃时，焊接热影响区冲击功仍超过标准规定的最低值27 J。与传统脉冲MAG焊相比，超射流过渡MAG焊接头的热影响区冲击韧性在20～-40℃范围内均有所提高，尤其在-40℃时增加明显。

在相同的试验温度条件下，焊接热影响区的冲击韧性高于焊缝。

超射流过渡MAG焊对接接头焊缝区和热影响区系列-40℃冲击试验后断口微观特征的SEM照片如图3所示。由图3可知，冲击断口呈准解理+韧窝状态，而热影响区断口主要呈韧窝状态，热影响区的冲击韧性优于焊缝。

表6 对接接头系列冲击功AkvTable 6 Impact energy of the butt joint Akv J

图3 超射流过渡MAG焊对接接头低温冲击断口形貌Fig.3 Impact fracture appearance of the super-spray transfer MAG welding butt joint at low temprature

3 结论

（1）通过正交试验优化了SMA490BW耐候钢超射流过渡MAG焊接工艺参数，并获得对接接头和T型接头的焊接工艺参数。

（2）在超射流过渡MAG焊接条件下，选用CHW-55CNH（φ1.2 mm）焊丝并配以 φ（Ar）80%+φ（CO2）20%保护气体焊接的SMA490BW钢对接接头经590℃±15℃/2 h退火处理后，其强度、塑性、冲击韧性等力学性能均符合标准的要求。与传统脉冲MAG焊相比，超射流过渡MAG焊接头的屈服强度、抗拉强度以及延伸率均有所提高。

（3）采用超射流过渡MAG焊接SMA490BW钢对接接头和T型接头，焊缝表面平滑，焊缝与母材之间及焊道之间熔合良好，未发现咬边、裂纹、气孔等焊接缺欠。与传统脉冲MAG焊接工艺相比，超射流过渡MAG焊接工艺的熔深能力更大。

[1]李丹丹，张志毅，史春元.多次补焊对SMA490BW钢焊接过热区冲击性能的影响[J].热加工工艺，2011，40（17）：161-166.

[2]王元良，骆德阳，王一戎.我国高速列车焊接技术及其新发展[J].电焊机，2008，38（8）：8-12.

[3]曹益，梁志敏，汪殿龙，等.铝合金超射流过渡焊接工艺研究[J].热加工工艺，2016，45（17）：164-167.

[4]A Lopez-Jauregi，I Ulacia，J A Esnaola.Procedure to predict residual stress pattern in spray transfer multipass welding[J].International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2015（76）：2117-2129.

[5]束德林.工程材料力学性能[M].北京：机械工业出版社，2007.

[6]刘会杰.焊接冶金与焊接性[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2012.

[7]李志西，杜双奎.试验优化设计与统计分析[M].北京:科学出版社，2010:55-86.

Investigation of super-spray transfer welding technology of SMA490BW weathering steel for bogie

ZHANG Shixin1，WANG Ren1，XIE Xu2，YANG Wei2，SHI Chunyuan2
（1.Department of Technology Engineering，CSR Qingdao Sifang Locomotive and Rolling Stock Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China；2.Institute of Material science and Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China）

Taking the pattern of super-spray transfer welding technology，the welding parameter optimization tests are carried out respectively to the backing welds of SMA490BW steel butt joints and T joints，and the microstructure and mechanical properties of welded joints are studied.The results show that when other welding parameters remain unchanged，and the backing weld of butt joint with current 290 A，voltage 27.8 V，welding speed 9.4 mm/s and root face 0.5 mm，or the backing weld of T joint with current 280 A，voltage 27.2 V，welding speed 6 mm/s and groove angle 50°,the ideal welds can be obtained.Comparing with the traditional pulsed MAG welding technology，the super-spray transfer MAG welding technology has a greater penetration capability，and the yield strength，tensile strength and elongation of the welded joints are improved，and meet the requirements of the welding procedure qualification test standard.

SMA490BW weathering steel；super-spray transfer；welding technology

TG457.11

B

1001-2303（2017）10-0040-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.10.08

本文参考文献引用格式：张世欣，汪认，谢旭，等.转向架用SMA490BW耐候钢超射流过渡焊接工艺试验[J].电焊机，2017，47（10）：40-45.

2017-08-07；

2017-09-15

张世欣（1973—），男，高级工程师，学士，主要从事轨道车辆装备制造技术研究工作。E-mail：zhangshixin@cqsf.com。

杨 蔚（1961—），女，高级实验师，学士，主要从事金属材料焊接工艺及接头组织与性能的研究工作。E-mail：yangwei_dl@126.com。