基于变形控制的Q345NQR2耐候钢板CMT缝焊参数优化

2020-01-03刘立峰邢彦锋刘文杰贾慎锋

电焊机 2019年12期

刘立峰，邢彦锋，刘文杰，王影，贾慎锋

（1.上海和达汽车配件有限公司，上海201712；2.上海工程技术大学机械与汽车工程学院，上海 201620）

0 前言

Q345NQR2耐候钢板材是一种耐大气腐蚀的高强度钢质板材，大量用于轨道车辆的车身构件的制造中[1]。耐候钢焊接主要采用焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊、激光堆焊、激光-MAG复合焊接等焊接工艺[2-5]，研究者们主要从焊接工艺对熔深、熔宽、焊接接头的力学性能、金相组织、低温断裂韧性、疲劳特性、耐腐蚀性等的影响方面进行了大量研究。然而随着车辆制造工艺的发展，对焊后试件变形控制的要求越来越高，传统的电弧焊、MAG焊、激光焊等技术由于热输入量大，容易出现烧穿，产生较大变形，已无法满足现代制造工艺的发展需求[6]。

CMT焊接工艺具备热输入小、过程稳定、无飞溅等特点，已经广泛应用于铝、镁、钛合金以及异种金属等薄板件的焊接[7-9]，耐候钢板CMT焊接工艺方面的研究报道较少。刘朋等人采用双丝CMT焊接工艺对3 mm厚Q345薄板进行焊接，研究了焊接电流对焊接接头的宏观、微观形貌和力学性能的影响，优化了电流参数[10]。许晗等人采用CMT焊接技术对1.5 mm厚Q450耐候钢板材的焊接参数进行优化，综合接头外观及接头性能确定最佳参数，并测试其焊接变形[11]。然而，CMT焊接参数对耐候钢板件焊后试件变形的影响的讨论较少。

本文从Q345NQR2耐候钢板件CMT焊后试件变形控制的角度出发，设计三水平五因素有交互的正交实验方案，提取试件多个特征点的变形量，运用直观极差和方差分析对变形量进行分析，研究CMT缝焊最优参数以及影响板件变形的关键因素，对有效控制Q345NQR2耐候钢薄板件CMT缝焊试件变形具有重要意义。

1 实验方法

实验用CMT焊机为Fronius 4000（伏能士智能设备（上海）有限公司），焊接母材为Q345NQR2耐候钢板材，尺寸为150 mm×150 mm×3 mm，焊接布置方式如图1所示。焊丝型号CuAl8，直径1.2 mm，试验前先用丙酮清洗表面油污等杂质。

试件变形参数采用手持式三维扫描仪（Handyscan300，Creaform）提取。焊前使用记号笔在清洁板材表面相互垂直的方向画出平行线，每块板共有36个相交测点，选取具有代表性的10个点标上序号，贴上靶点，进行焊前扫描测量（见图1a），基于图1a中夹具四角上的四个点标记相对位置建立坐标系（见图1b）。焊接完成后，再次使用三维扫描仪扫描试件，获得靶点定位文件，分别计算1～10号点焊接前后Z轴方向的差值和绝对变形值，用于表征变形量。

焊接实验方案采用三水平五因素有交互的正交实验，考虑送丝速度、焊接速度、焊接间隙、送气速度和弧长修正五个影响因素，以及送丝速度与焊接速度、焊接间隙与送气速度交互在三个水平上的正交实验（相应实验因素及水平值如表1所示），一共设计了18组实验，具体正交实验方案如表2所示。

图1 板件测点分布图和靶点坐标系Fig.1 Distribution of measuring points target coordinate system

表1 实验因素及水平Table 1 Experimental factors and levels

2 实验结果及分析

2.1 典型测点变形分析

18组焊接实验试件各点变形结果如图2a所示，试件的最大变形主要发生在5号测点上，9号点的变形量也相对较大，为了更直观地表征试件在各点的变形结果，18组实验中各点变形量平均值、最大值和最小值的统计如图2b所示。5号点和9号点变形平均值和最大值都较高，平均变形量分别为1.043 mm和0.955 mm，9号测点的最大变形量处在最高水平，为2.993 mm，在实际生产过程中对板件焊接影响很大。其他各点的变形平均值和最大值水平均较低，平均值均在0.496～0.773 mm。

为了减小数据分析的偶然性及误差，在试件变形量测试中，考虑到测点1号和8号，2号和7号，3号和6号，4号和5号具有几何对称性，每一组对称点上的热传导方式相同，所以每组对称点的数据可视为同一组数据处理[12]，将每组对称点的变形值相加，点1和点8的变形量之和为P18，点2和点7的变形量之和为P27，点3和点6的变形量之和为P36，点4和点5的变形量之和为P45。P18、P27、P36、P45平均值、最大值和最小值的统计结果如图3所示。对比4组测点的18个焊接方案所得的变形量统计结果可以看出，焊接收弧点附近4/5组测点的变形量最大，相应的9号点变形量也较大。这是由于4/5组测点和9号测点位置均在焊接收弧点一侧，在焊接过程中热量输入时间会比起弧位置和正常焊接过程的热输入时间长，而且收弧位置没有夹具（见图1a），导致在焊接过程中没有阻止焊接变形的反作用力，这两种因素综合作用导致在4/5组测点和9号测点附近的焊接变形较大。相较之下，起弧点及正常焊接过程中1/8、2/7、3/6组的变形量均处在较小的水平。10号测点虽在夹具一侧，但是由于其位置距离夹持点位置较远，所以焊接变形量较大，这与文献[13]所描述的规律相同。

表2 正交实验方案Table 2 Orthogonal test scheme

2.2 直观极差分析

图2 18组实验各点绝对变形结果和各点的变形量Fig.2 Deformation of each group in experiments and deformation of each point

图3 对称点叠加变形量Fig.3 Deformation of Symmetry point

为了研究各因素与变形量的关系，综合18组实验的变形，各因素及各因素水平值如图4所示。可以看出，焊接变形随送丝速度、焊接速度的增加呈上升趋势，随焊接间隙的增加呈下降趋势，两种交互效应均在水平2可以达到最小焊接变形。

图4 因素及交互-指标关系图Fig.4 Factor and Interaction-Indicator diagram

为了综合优化焊接参数，控制焊后试件变形，基于2/7组测点，考虑了p个因素，每个因素有r种不同水平，令Klj（l=1，2，…，r；j=1，2，…，p）表示水平r对应的m个变形量之和，m为每种水平在实验方案中出现的次数p）为水平r对应的m个变形量的平均值。比较因素A的三个平均值可以看出对于因素A，水平1最优。由各因素水平r对应的平均值（见表3）可知其他各因素的最优水平，因素B、C、D、E的最优水平分别为1、3、1和2，交互效应A×B的最优水平为2，C×D最优水平为2。由表3可知，最优试验方案是A1B1C3D1E2，即送丝速度7.0 m/min，焊接速度0.42 m/min，焊接间隙1.5 mm，送气速度18 L/min，弧长修正0%。

为了衡量各个因素对焊接变形的影响，各个因素水平变化引起的极差为

表3 各个水平实验结果均值Table 3 Mean values of experimental results at all levels

各因素及交互效应引起极差R1～R7分别为0.10，0.27，0.47，0.36，0.35，0.35、0.16 mm。由 R4＞R5＞R2＞R7＞R1可知，A、B、C、D、E 五个因素中对焊接变形影响最大的是C。即焊接间隙对本次焊接变形影响最大。弧长修正对焊接实验结果影响较小。综合考虑五个因素及两组交互效应，R3＞R4＞R5（R6）＞R2＞R7＞R1，可见对焊接变形影响较大的是焊接间隙、送丝速度与焊接速度的交互效应，其他因素影响较小，影响最小的因素是弧长修正。因此，只要合理地调节焊接间隙、送丝速度与焊接速度就可以有效地控制变形。