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(1.寧夏天地奔牛實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司，寧夏 石嘴山 753000；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001)

0　前言

高速列車不銹鋼車體由車頂、底架、側(cè)墻、端墻和司機(jī)室等基本構(gòu)件在總裝臺上焊裝而成[1-2]。其中，列車的車頂部分可由平頂與弧頂兩個部分組成。對于平頂應(yīng)保證平頂整體的平整度，以提供良好的水密性與頂部流水的易通過性。而對于弧頂，它由通長的兩根冷彎型鋼邊梁及數(shù)根拉彎成形的車頂彎梁連接構(gòu)成骨架，骨架用以支撐其上布置的波紋板，同時兩側(cè)安置兩根冷彎型鋼側(cè)頂板。

在不銹鋼車體弧頂部分的裝配連接中，采用0.6 mm厚的波紋板與1.5 mm厚的側(cè)頂板的搭接結(jié)構(gòu)[3]，該處結(jié)構(gòu)裝配屬于車體制造的后工序，誤差的積累導(dǎo)致裝配精度的降低；不銹鋼薄板焊接變形大，裝配間隙過大以及操作偏差都容易導(dǎo)致塌陷、燒穿等焊接缺陷，造成車體內(nèi)部漏雨,不滿足高速列車在服役過程中使用方對車體頂部密封性的要求。因此,車體波紋板與側(cè)頂板之間的縱向焊縫的焊接成為高速列車生產(chǎn)過程中的難點(diǎn)[4]。

一些低熱輸入的焊接技術(shù)被用于焊接不銹鋼軌道客車車體，例如激光焊、攪拌摩擦焊等[4]，但目前采用最多的焊接方法仍是使用電阻點(diǎn)焊進(jìn)行固定并用熔化極活性氣體保護(hù)焊(Metal Active-gas Arc Welding，MAG)密封。然而MAG焊存在難以控制熱輸入的問題，使得焊縫周圍有明顯的過熱現(xiàn)象且形成許多焊接缺陷，造成焊后波浪變形，影響車頂部件平度。在焊接過程中產(chǎn)生的未熔合或咬邊等焊接缺陷更需要進(jìn)行手工補(bǔ)焊，降低了焊縫整體的成形效果，并且影響了整體的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，缺陷與變形也更會使得車體的密封性降低。

而冷金屬過渡CMT(Cold Metal Transfer)焊接技術(shù)作為一種獨(dú)特的熔化極氣體保護(hù)焊。與傳統(tǒng)的MIG/MAG焊相比CMT在技術(shù)上有以下幾個特點(diǎn)[5]：焊絲抽送機(jī)構(gòu)參與熔滴過渡過程；熔滴過渡時焊接電流幾乎為零；無飛濺，焊接速度快。所以為了實(shí)現(xiàn)用CMT焊接技術(shù)代替MAG焊焊接高速列車，文中用US301L不銹鋼作為母材并通過正交試驗(yàn)獲得了合適的工藝參數(shù)。

1　試驗(yàn)方法

1.1　試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)材料

焊接試驗(yàn)中，采用的設(shè)備有Trans Puls Synergic 4000 冷金屬過渡CMT焊機(jī)、Motoman HP 20機(jī)器人、變位機(jī)及壓緊裝置等。

采用SUS301L不銹鋼作為母材，板厚分別是0.6 mm和1.5 mm。使用直徑為1.0 mm 的ER308L 不銹鋼焊絲進(jìn)行焊接。采用的保護(hù)氣體是95%Ar +5%CO2。

1.2　搭接焊接接頭設(shè)計(jì)

為模擬高速列車的生產(chǎn)實(shí)際情況，選取的搭接焊接接頭形式是板厚0.6 mm的板搭接在板厚1.5 mm 的板上，中間夾有0～8片間隙片(板厚0.1 mm)，以模擬0～0.8 mm的裝配間隙。間隙片左端距焊縫5 mm，保證焊接結(jié)束后能重復(fù)使用。搭接焊接接頭示意圖如圖1所示。

圖1　搭接焊接接頭示意圖(0.2 mm間隙時)

1.3　焊前準(zhǔn)備

在進(jìn)行焊接試驗(yàn)前，取適量丙酮對焊縫兩側(cè)的不銹鋼板材表面的灰塵、油污進(jìn)行處理。之后采用夾具將待焊試板固定于焊接平臺上，最后將機(jī)器人的焊槍對準(zhǔn)焊縫位置，并保持固定的焊絲伸出長度。

1.4　正交試驗(yàn)

1.4.1正交變量確定

通過前期摸索試驗(yàn)，確定表1焊接參數(shù)為不變量，重點(diǎn)考慮以下變量：裝配間隙、焊接電流、焊接電壓、送絲速度與焊接速度。由于CMT焊接系統(tǒng)為一元化的專家系統(tǒng)，選定送絲速度即選定焊接電流與焊接電壓，因此確定裝配間隙、送絲速度與焊接速度為主要變量。

1.4.2正交試驗(yàn)表的確定

為了獲得合適的工藝參數(shù)，正交試驗(yàn)擬采用七水平正交表，而前期選定的探究因素中送絲速度及焊接速度都是七水平的，只有裝配間隙是五水平的。因此,對裝配間隙取2個虛擬水平。由于在較好的生產(chǎn)條件下，高速列車薄板不銹鋼搭接結(jié)構(gòu)焊縫裝配間隙以0 mm間隙居多，且焊前準(zhǔn)備較為方便，因此在裝配間隙因素中取0 mm作為2個虛擬水平進(jìn)行設(shè)計(jì)，為此設(shè)計(jì)出了三因素七水平正交試驗(yàn)表，共49組試驗(yàn)。正交試驗(yàn)因素水平表如表2所示,三因素七水平正交試驗(yàn)表如表3所示。

表1　焊接參數(shù)

表2　正交試驗(yàn)因素水平表

表3　三因素七水平正交試驗(yàn)表

2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1　試驗(yàn)結(jié)果

利用前述的試驗(yàn)條件，按照正交試驗(yàn)表對薄板搭接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了49組焊接試驗(yàn)。因試驗(yàn)旨在探究出成形最為優(yōu)良的焊接工藝參數(shù)，故在完成焊接試驗(yàn)后，根據(jù)焊接接頭外形尺寸(寬度、高度)、焊接接頭表面缺陷(氣孔、咬邊)等各個評判指標(biāo)的重要程度，采取綜合評分法對焊縫成形進(jìn)行分析，給各道焊縫進(jìn)行評分，作為這個試驗(yàn)的總指標(biāo)。由此得出正交試驗(yàn)最優(yōu)參數(shù)搭配如表4所示。

表4　正交試驗(yàn)極差分析最優(yōu)參數(shù)搭配表

2.2　最優(yōu)焊接參數(shù)的驗(yàn)證

通過正交試驗(yàn)得到最佳焊接工藝參數(shù)后，采用此參數(shù)焊接不銹鋼薄板搭接結(jié)構(gòu)，焊縫形貌如圖2所示。焊縫成形良好。

2.3　不同裝配間隙的搭接接頭截面形貌分析

為進(jìn)一步探知裝配間隙對不銹鋼搭接接頭的影響，采用表4正交試驗(yàn)極差分析的最優(yōu)參數(shù)，并選取了不同裝配間隙的搭接接頭，如圖3所示。通過對焊縫截面形貌的觀察及測量，分析裝配間隙對焊接接頭高度、寬度的影響。

圖3　不同裝配間隙下接頭截面形貌圖

通過測量結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著裝配間隙的增大，焊接接頭的高度逐漸增加，而焊接接頭的寬度逐漸減小，且高度受裝配間隙變化的影響更為明顯。

3　結(jié)論

(1)通過正交試驗(yàn)優(yōu)化焊接工藝參數(shù)并進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，當(dāng)裝配間隙為0 mm，焊接速度為2 000 mm/min，送絲速度為6 m/min時，可得到形貌美觀無缺陷的焊接接頭。

(2)隨著裝配間隙的增大，焊接接頭高度逐漸增加，而焊接接頭寬度逐漸減小，且焊接接頭高度受裝配間隙變化的影響更為明顯。

[1]李磊. 城軌客車用不銹鋼薄板激光搭接焊接頭組織與力學(xué)行為研究[D]. 大連: 大連交通大學(xué),2012.

[2]黃治軼. 城市軌道客車不銹鋼車頂鋼結(jié)構(gòu)制造工藝研究[D]. 長春: 吉林大學(xué),2005.

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

[4]韓曉輝, 高瑞全, 肖雪峰不銹鋼軌道車輛波紋板與側(cè)頂板搭接接頭焊接工藝試驗(yàn)研究[J]. 熱加工工藝, 2013(7): 169-170，174.

[5]賀舒榕, 王文先，張婷婷等. 鐵素體不銹鋼CMT焊接接頭HAZ組織性能研究[J]. 機(jī)械工程與自動化, 2014(5): 97-98.