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，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，幾乎沒有飛濺產生。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。

由試驗結果并結合金相組織分析，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歷了蓋面層重熔后，經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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