高速列車轉(zhuǎn)向架SMA 490BW耐候鋼焊接熱影響區(qū)模擬試驗(yàn)

張志毅，吳向陽，李 文，張衛(wèi)華，聶 媛

(1.南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266000；2.西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)

高速列車轉(zhuǎn)向架SMA 490BW耐候鋼焊接熱影響區(qū)模擬試驗(yàn)

張志毅1，吳向陽1，李 文1，張衛(wèi)華2，聶 媛2

(1.南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266000；2.西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)

實(shí)驗(yàn)分析高速列車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架用鋼焊接接頭熱影響區(qū)的組織性能。采用Gleeble-3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)對SMA490BW耐候結(jié)構(gòu)鋼進(jìn)行焊接時(shí)溫度循環(huán)的模擬，研究了三種焊接線能量狀態(tài)下兩個(gè)不同特征熱影響區(qū)的組織和性能，為焊接工藝的優(yōu)化提供理論依據(jù)。SMA490BW耐候鋼的過熱溫度區(qū)間熱影響區(qū)組織多為貝氏體，并且組織性能根據(jù)采用線能量的不同會(huì)產(chǎn)生明顯差異。隨著焊接熱輸入的增加，其組織晶粒增大，強(qiáng)韌性下降。推薦熱輸入線能量E＝5 kJ／cm。

焊接熱循環(huán)；SMA490BW耐候鋼；熱模擬；焊接熱影響區(qū)

0 前言

在高速鐵路飛速發(fā)展的今天，SMA 490BW因其抗拉強(qiáng)度高，塑性好，成為CRH2型列車轉(zhuǎn)向架的優(yōu)選材料。在車輛運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)向架承受著安裝部件的工作載荷、制動(dòng)、牽引和慣性力[1]。隨著車輛運(yùn)行速度的不斷提高，對轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架的材質(zhì)和接頭性能提出了更高的要求。因此，研究焊接接頭的性能與組織對于優(yōu)化焊接工藝和改善接頭質(zhì)量有著非常重要的應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

焊接熱循環(huán)是焊接接頭經(jīng)受熱作用的過程，其研究對于了解接頭組織和力學(xué)性能十分重要，是提高焊接質(zhì)量的重要途徑[2]。本研究針對焊接接頭最薄弱的環(huán)節(jié)單次熱循環(huán)臨界溫度區(qū)間熱影響區(qū)(ICHAZ)和過熱溫度區(qū)間熱影響區(qū)(CGHAZ)，采用熱模擬的方法，分析不同熱循環(huán)工藝對其組織和性能的影響，以此來模擬實(shí)際焊接線能量15 kJ／cm、10 kJ／cm和5kJ／cm焊接工藝的HAZ的組織和性能，從而為結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料為轉(zhuǎn)向架構(gòu)架用鋼SMA 490BW耐候結(jié)構(gòu)鋼，化學(xué)成分如表1所示。試樣尺寸10.5 mm× 10.5 mm×80 mm，每組四個(gè)，三個(gè)用于低溫沖擊，一個(gè)用于組織硬度觀察試驗(yàn)。熱模擬試驗(yàn)時(shí)要將熱電偶點(diǎn)焊在清潔后的試樣中心，用于溫度的檢測。

表1 SMA 490BW鋼的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of SMA490BW steel%

采用Gleeble3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)獲取在不同線能量下的CGHAZ(峰值溫度1 350℃)和ICHAZ(峰值溫度780℃)的結(jié)構(gòu)組織，加熱速度100℃／s，熱循環(huán)曲線如圖1所示，不同線能量下的熱循環(huán)參數(shù)如表2所示。

圖1 熱循環(huán)曲線Fig.1 Curve of thermal cycle

表2 實(shí)驗(yàn)熱模擬參數(shù)Tab.2 Parameters of weld thermal cycle

按照表2參數(shù)在Gleeble-3500試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行熱模擬試驗(yàn)后，將每組三個(gè)試樣加工為10 mm×10 mm× 55 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行夏比低溫沖擊試驗(yàn)，并保證V型缺口位于熱模擬試驗(yàn)時(shí)的熱電偶點(diǎn)焊處，試驗(yàn)在JBN-300擺錘氏沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。每組一個(gè)從中心切開，作為光學(xué)金相試樣，經(jīng)機(jī)械拋光后用4%硝酸酒精溶液腐蝕并在金相顯微鏡下觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 低溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果

-40℃低溫韌性沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由表3可知，沖擊值都很低，特別是在過熱區(qū)線能量E＝10kJ／cm時(shí)，沖擊值小于標(biāo)準(zhǔn)的27 J，無法滿足使用要求。在焊接熱循環(huán)過程中，除化學(xué)成分受影響之外，金屬的組織和性能主要與加熱的最高溫度Tm和冷卻速度有關(guān)[3]。過熱區(qū)的高溫使得晶粒嚴(yán)重長大，根據(jù)晶粒長大的“熱慣性”[4]可知奧氏體晶粒在加熱和冷卻過程中均在長大，因此隨著冷卻速度的降低、t8／5增加，晶粒也將逐漸長大，而晶粒的粗化會(huì)降低材料強(qiáng)韌性。CGHAZ區(qū)域的沖擊值隨熱輸入的不同而改變，在線能量為5kJ／cm和10kJ／cm時(shí)，沖擊吸收功分別為最大和最小，而在ICHAZ區(qū)域，熱輸入對沖擊吸收功沒有顯著影響。

表3 沖擊試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Results of impact test

2.2 顯微組織和硬度試驗(yàn)結(jié)果

用上海GX40金相顯微鏡拍攝材料顯微組織，使用HV-10B維式硬度計(jì)測試硬度。不同線能量下材料的熱影響區(qū)組織如圖2所示。在過熱溫度區(qū)間，熱影響區(qū)組織為多處粒狀貝氏體塊區(qū)，片狀先共析鐵素體沿柱狀晶界析出，無碳貝氏體向晶內(nèi)平行生長，不同位向的板條使原奧氏體晶界非常明顯。隨著熱輸入的減小，組織晶粒也隨之減小(見圖2a)。研究表明，這類組織易使焊接HAZ出現(xiàn)組織脆化現(xiàn)象[5]。

在臨界溫度區(qū)間，熱影響區(qū)的組織為多面塊狀鐵素體和細(xì)密的珠光體呈帶狀分布，帶狀組織會(huì)使鋼的力學(xué)性能出現(xiàn)各向異性，強(qiáng)度和韌性不佳，硬度值為HV180～190。

熱影響區(qū)的硬度值與熱輸入的關(guān)系變化如圖3所示。由圖3可知，熱循環(huán)峰值溫度越高，硬度值也越高，即CGHAZ區(qū)域的硬度值高于ICHAZ熱影響區(qū)，這是由于兩區(qū)域不同的組織決定的。在CGHAZ區(qū)，隨著線能量的不同，t8／5冷卻時(shí)間與硬度值的變化趨勢相反，當(dāng)冷卻時(shí)間最短時(shí)，材料硬度最高；在冷卻時(shí)間最長時(shí)，硬度反而最低。而在ICHAZ區(qū)域，線能量的改變對于硬度值沒有明顯影響。

圖2 不同線能量下材料的熱影響區(qū)組織Fig.2 Different line-energy the material organization of HAZ

圖3 熱影響區(qū)硬度值與熱輸入關(guān)系Fig.3 Diagram of hardness and heat input in HAZ

3 結(jié)論

(1)SMA 490BW耐候結(jié)構(gòu)鋼焊接熱影響區(qū)的CGHAZ組織多為貝氏體，晶粒長大傾向隨著焊接熱輸入的增加而增加。晶粒越大，韌性越低，晶粒越小，韌性隨之提高。ICHAZ組織為珠光體和鐵素體，組織性能對于熱輸入的變化不敏感。

(2)兩種熱循環(huán)參數(shù)下的焊接熱影響區(qū)試樣的低溫沖擊值都較低，均為脆性斷裂。該鋼焊后的熱影響區(qū)性能不佳，易產(chǎn)生晶粒粗化和組織脆化的現(xiàn)象。

(3)CGHAZ組織硬度明顯高于ICHAZ，但CGHAZ峰值溫度很高，會(huì)造成嚴(yán)重的晶粒長大，并且相比較于ICHAZ，其受熱循環(huán)參數(shù)的影響相對顯著。

(4)SMA490BW鋼焊接線能量E＝5 kJ／cm為最佳焊接工藝參數(shù)，對超過該線能量焊接的結(jié)構(gòu)，建議通過熱處理工藝改善其組織性能。

[1]許鴻吉，王君杰.轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接接頭組織與性能研究[J].理化檢驗(yàn)(物理分冊)，2007，43(12)：599-601.

[2]付瑞東，逯允海，楊永強(qiáng)，等.2.25Cr-1Mo-0.25V耐熱鋼焊接熱影響區(qū)熱模擬試驗(yàn)研究[J].材料熱處理學(xué)報(bào)，2007，28(1)：66-74.

[3]陳 楚，張?jiān)骆?焊接熱模擬技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1985：4-20.

[4]張文鉞.焊接冶金學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：176-190.

[5]崔忠圻，覃耀春.金屬學(xué)及熱處理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008：230-264.

Thermal simulation experiments of welding heat affected zone of SMA490BW corrosion resistance steel

ZHANG Zhi-yi1，WU Xiang-yang1，LI Wen1，ZHANG Wei-hua2，NIE Yuan2
(1.CSR Sifang Locomotive Co.，Ltd.，Qingdao 266000，China；2.State Key Laboratory of Traction Power，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

In this paper analyzed the microstructures and mechanical properties of welding heat affected zone in bogie frame of the high speed railway.The experiment of welding thermal cycle was carried out for corrosion resistant steel for welded structure SMA 490BW by means of Gleeble-3500 thermal simulator.Studied the microstructures and mechanical properties of two different HAZ in the 3 kinds of heat input conditions.For providing a theoretical basis to the optimization of the welding process.The microstructure of overheating temperature range heat affected zone is bainites mostly；the mechanical properties of the steel would change clearly along with the different heat inputs.With the increase of heat input，the grain increased，strength and toughness decreased.Heat input E＝5 kJ／cm as recommended.

welding thermal cycle；SMA 490BW corrosion resistance steel；thermal simulation；welding heat affected zone

TG457.11

B

1001-2303(2011)11-0062-03

2011-07-10

“十一·五”國家科技支撐計(jì)劃高速轉(zhuǎn)向架技術(shù)課題資助項(xiàng)目(2009BAG12A02)

張志毅(1980—)，男，浙江浦江人，工程師，碩士，主要從事高速列車轉(zhuǎn)向架制造工藝工作。