轉(zhuǎn)向架用耐候鋼焊接接頭顯微組織和力學(xué)性能

何亞玲，胡 潔，王曉敏

（1.西南交通大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610031；2.西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610031）

轉(zhuǎn)向架用耐候鋼焊接接頭顯微組織和力學(xué)性能

何亞玲1，胡 潔2，王曉敏1

（1.西南交通大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610031；2.西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610031）

以轉(zhuǎn)向架用國產(chǎn)耐候鋼S355J2W與進(jìn)口耐候鋼SMA490BW為研究對(duì)象，選用進(jìn)口焊絲G424M21Z與國產(chǎn)焊絲CHW-55CNH進(jìn)行焊接，獲得3種焊接接頭。通過金相、硬度、拉伸和彎曲試驗(yàn)，對(duì)接頭進(jìn)行顯微組織和力學(xué)性能研究。結(jié)果表明，3種接頭的基本力學(xué)性均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；1#、2#接頭焊縫區(qū)硬度比母材區(qū)高，拉伸斷裂位置在母材處，為高配焊絲；3#接頭焊縫區(qū)硬度和母材區(qū)相當(dāng)，拉伸斷裂在焊縫處，其抗拉強(qiáng)度比1#、2#高，但延伸率及塑性較差，為低配焊絲。

S355J2W鋼；SMA490BW鋼；焊接接頭；顯微組織；力學(xué)性能

0 前言

轉(zhuǎn)向架是軌道車輛結(jié)構(gòu)中最為重要的構(gòu)件之一，主要起到支撐車體、承受并傳送各方面的作用力以及保證車輛運(yùn)行安全等作用[1]。近年來，隨著我國軌道車輛的快速發(fā)展，車輛的運(yùn)行速度不斷提高，轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架承受的載荷增加，疲勞斷裂事故嚴(yán)重。通過組合不同的鋼材和焊材以及優(yōu)化焊接工藝來改善焊接構(gòu)架接頭使用壽命具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[2-3]。目前，我國按歐洲標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的S355J2W耐候鋼以及日本進(jìn)口的SMA490BW耐候鋼都具有含碳量低、耐腐蝕性和焊接性好等優(yōu)點(diǎn)，是轉(zhuǎn)向架的常用材料。

本研究通過對(duì)不同型號(hào)的耐候鋼及焊接材料的組合，在焊材性能滿足使用要求基礎(chǔ)上，對(duì)其接頭進(jìn)行基本的性能試驗(yàn)，對(duì)比分析國產(chǎn)和進(jìn)口耐候鋼在組織及力學(xué)性能方面的差異，考察三種材料是否滿足設(shè)計(jì)要求，為轉(zhuǎn)向架材料的選擇提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 母材及焊接材料

試驗(yàn)用母材為國內(nèi)按照歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN10025-5: 2004生產(chǎn)的耐侯鋼S355J2W和日本的SMA490BW鋼，板厚12 mm，兩種鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1、表2所示。使用的焊絲為符合GB/T8810-1995標(biāo)準(zhǔn)要求的CHW-55CNH（直徑1.2 mm，生產(chǎn)廠家為大西洋）以及標(biāo)準(zhǔn)ISO 14341 A：G424M21Z，其化學(xué)成分見表1。

表1 鋼及焊絲的化學(xué)成分％

1.2 焊接工藝

焊接方法采用熔化極活性氣體保護(hù)焊（135），保護(hù)氣體選擇青島海玉氣體公司富氬混合保護(hù)氣體φ（Ar）80％+φ（CO2）20％，氣體流量18～22 L/min，層間溫度小于等于180℃。接頭形式采用V型坡口，如圖1如示。其中t1=t2=12 mm，b=2.5 mm，c=2 mm，α=60°。對(duì)接接頭的焊接工藝參數(shù)如表3所示。

表2 鋼材的力學(xué)性能

圖1 接頭形式

表3 對(duì)接接頭焊接參數(shù)

1.3 試驗(yàn)方法

對(duì)焊后試板進(jìn)行X射線探傷檢測，根據(jù)探傷結(jié)果選取無缺陷焊板取樣進(jìn)行試驗(yàn)。試板編號(hào)所對(duì)應(yīng)的材料牌號(hào)以及焊接材料如表4所示。金相試樣拋光后使用4％硝酸酒精腐蝕，采用ProgRes C5蔡司顯微鏡觀察顯微組織。拉伸試驗(yàn)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO 4136：2011在型號(hào)為DNS-300的微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸速度5 mm/min。彎曲試驗(yàn)按標(biāo)準(zhǔn)ISO5173：2009執(zhí)行，彎曲角度180°，壓頭直徑48mm，試樣在任何方向上都無大于3 mm的單條裂紋視為合格。硬度試驗(yàn)在HVS-30數(shù)顯維氏硬度計(jì)上進(jìn)行，載荷10 kg，加載時(shí)間15 s。

表4 試驗(yàn)材料

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 顯微組織

三種接頭的顯微組織如圖2所示。圖2a、圖2f、圖2j為焊縫區(qū)，三種材料的焊縫顯微組織均為塊狀的白色先共析鐵素體沿柱晶晶界分布，其間夾雜有少量珠光體，柱晶內(nèi)為針狀鐵素體，細(xì)小點(diǎn)狀組織為粒狀貝氏體，少量無碳貝氏體向晶內(nèi)生長。與其他微區(qū)相比，焊縫組織最粗大。其中1#試樣組織更均勻化，比較規(guī)整，粒狀貝氏體更多更彌散。圖2b、圖2g、圖2k為熔合區(qū)，其中顏色較深的為焊縫區(qū)，較淺的為母材過熱區(qū)。該區(qū)溫度會(huì)造成金屬晶粒以及其邊界熔的再重新分布，使化學(xué)成分和組織都有明顯的不均勻性，導(dǎo)致脆斷與焊接裂紋，為接頭最薄弱的環(huán)節(jié)[4]。圖2c、圖2h、圖2l為過熱區(qū)，三種材料的過熱區(qū)組織中都具有粗大的、沿晶分布的先共析鐵素體，魏氏組織鐵素體向晶內(nèi)生長，黑區(qū)基體為珠光體，晶粒內(nèi)部同時(shí)存在少量細(xì)小點(diǎn)狀組織為粒狀貝氏體。

相比1#、3#，2#組織更加均勻化。圖2d、圖2i、圖2m為正火區(qū)，是整個(gè)接頭晶粒最為細(xì)化的區(qū)域，所以也稱之為細(xì)晶區(qū)，為多面體晶粒鐵素體與珠光體均勻混合分布，對(duì)比1#、2#、3#組織可知，3#珠光體較多，2#晶粒比較細(xì)小，珠光體較少。圖2e、圖2n為母材區(qū)，母材區(qū)在加工過程中，雜質(zhì)和枝晶偏析被拉長，將沿近平行于試樣上下表面分布黑色的軋制帶狀組織，呈現(xiàn)明顯的軋制鋼特征[5]。圖2e組織為塊狀鐵素體與珠光體呈帶狀組織分布，圖2n組織的珠光體較少，塊狀鐵素體組織大小不一。

圖2 三種接頭焊縫顯微組織形貌

2.2 硬度分析

硬度測試結(jié)果如圖3所示，三種接頭的打底焊和蓋面焊硬度曲線在各微區(qū)的規(guī)律一致，且對(duì)于焊縫區(qū)和熱影響區(qū)來說，蓋面焊層的硬度均高于打底焊層，這是由于蓋面焊層對(duì)打底焊層的熱影響導(dǎo)致其組織產(chǎn)生軟化。

圖3 三種接頭硬度測試結(jié)果

1#、2#接頭均為焊縫到熱影響區(qū)先升高，過熱區(qū)硬度達(dá)到最大值，到母材區(qū)急速下降，母材硬度比焊縫低。3#接頭硬度同樣為過熱區(qū)最高，但3#的焊縫硬度與母材相當(dāng)或小于母材（打底焊層）。對(duì)比圖3可知，1#、2#母材均為S355J2W，母材區(qū)硬度相當(dāng)，蓋面焊硬度值在150 HV上下波動(dòng)，而3#的母材為進(jìn)口SMA490BW鋼，其金相組織中珠光體和黑色軋制帶比1#、2#少，帶狀組織周圍的鐵素體細(xì)小，硬度較高，約為180 HV；正火區(qū)晶粒細(xì)小，硬度均比母材區(qū)高；過熱區(qū)焊接熱循環(huán)的特點(diǎn)以及粗大的魏氏組織，出現(xiàn)硬度的峰值[6]；1#焊縫材料為G424M21Z，蓋面焊硬度約200 HV，2#、3#為CHW-55CNH，硬度約為190 HV。雖然兩種接頭焊縫區(qū)的組織都是各種形狀的鐵素體以及部分的珠光體+貝氏體，但2#、3#焊縫的鐵素體更粗大，1#試樣組織更均勻化，粒狀貝氏體更多更彌散。因此1#焊接頭焊縫硬度值高于2#、3#。

2.3 拉伸性能

對(duì)接接頭的室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示。

圖4 三種接頭的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由表5可知，三種接頭的抗拉強(qiáng)度均高于相應(yīng)母材的強(qiáng)度，均滿足使用要求。1#和2#接頭的抗拉強(qiáng)度非常接近，且平行樣之間的波動(dòng)較小。3#接頭的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度明顯大于1#和2#接頭，而延伸率則小于1#和2#接頭；1#、2#接頭均斷裂于母材，而3#接頭的斷裂位置在焊縫。1#、2#兩種接頭的抗拉強(qiáng)度（505MPa）與試驗(yàn)所用母材的抗拉強(qiáng)度接近（498 MPa）。這表明相對(duì)于國產(chǎn)S355J2W母材，無論采用G424M21Z進(jìn)口焊絲還是CHW-55CN4國產(chǎn)焊絲，均為高配焊絲，所形成的接頭焊縫強(qiáng)于母材，因而拉伸斷裂在母材處。而3#接頭抗拉強(qiáng)度（545 MPa）高于所用母材的抗拉強(qiáng)度（526 MPa），這表明CHW-55CN4國產(chǎn)焊絲相對(duì)于進(jìn)口SMA490BW母材為低配焊絲，斷裂位置在焊縫。由于焊縫區(qū)域遠(yuǎn)小于母材，更容易發(fā)生形變硬化，所以斷裂時(shí)延伸率也小于斷裂在母材處的1#、2#接頭。這與硬度試驗(yàn)結(jié)果相一致。

表5 對(duì)接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果

三種接頭拉伸試驗(yàn)后的試樣SEM微觀形貌如圖5所示。

圖5 接頭拉斷后微觀形貌

1#接頭斷口表現(xiàn)為韌窩的塑性斷口形貌，韌窩

主要由小韌窩和間斷的大韌窩組成，整個(gè)斷面凹凸不平；1#和2#的拉伸斷裂位置均為母材，兩者具有同樣的斷口形貌；3#接頭拉伸斷口由大小均一的等軸韌窩組成，從圖5c還可看見散落的小氣孔，尺寸不超過10 μm。一般在斷裂條件相同時(shí)，韌窩尺寸越大，表示材料的塑性越好。因此從三種接頭的斷口形貌可知，1#和2#接頭的塑性優(yōu)于3#接頭，這與拉伸試驗(yàn)結(jié)果一致。

2.4 彎曲性能

彎曲試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。三種接頭在180°彎曲角度下面彎及背彎均未出現(xiàn)斷裂和裂紋，表明三種接頭的彎曲試驗(yàn)均合格，具有良好的塑性。

圖6 彎曲試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

（1）相對(duì)于國產(chǎn)S355J2W母材，無論采用G424M21 Z進(jìn)口焊絲還是CHW-55CN4國產(chǎn)焊絲，均為高配焊絲。而CHW-55CN4國產(chǎn)焊絲相對(duì)于進(jìn)口SMA490BW母材為低配焊絲。

（2）三種接頭各微區(qū)的顯微組織大致相近，但其數(shù)量以及均勻化程度各異。硬度由焊縫到母材都是先升高后降低，過熱區(qū)達(dá)到峰值。1#、2#接頭母材硬度最低，3#接頭母材與焊縫硬度值相近。

（3）1#、2#接頭斷裂位置均在母材，抗拉強(qiáng)度接近。3#接頭斷裂在焊縫，其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度明顯大于1#和2#接頭，而延伸率小于1#和2#接頭。彎曲性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

[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(cè)，2007，43（12）：599-601.

[2]孫周明，張連華.提速車焊接轉(zhuǎn)向架焊縫TIG重熔工藝的研究[J].機(jī)械工人（熱加工），2002，1（5）：8-10.

[3]劉博維.S355J2W耐候鋼焊接接頭組織及性能研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2012.

[4]張勵(lì)忠，劉博維，張?zhí)?，?S355J2W耐候鋼焊接接頭顯微組織與力學(xué)性能[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，36（4）：127-130.

[5]陶傳琦，吳向陽，王秋影等.SMA490BW耐候鋼激光-MAG復(fù)合焊與MAG焊對(duì)比研究[J].電焊機(jī)，2014，44（12）：35-39.

[6]安麗君，張志堅(jiān).對(duì)焊接接頭熱影響區(qū)維氏硬度試驗(yàn)的探討[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)，2002，38（2）：53-55.

Microstructures and mechanical properties of the welded bogie joints of weathering steel

HE Yaling1，HU Jie2，WANG Xiaomin1
（1.School of Life Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China；2.School of Material Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

Taking the domestic S355J2W weathering steel and the imported SMA490BW weathering steel as the research object，and three kinds of welding joints were obtained by using imported G424M21Z welding materials and domestic welding wire CHW-55CNH. In order to study the microstructure and mechanical properties of the welded joints，the investigation were conducted through the microstructure observation，hardness test，tensile test and bending test.The results show that the basic mechanical properties of the three joints can meet the standard requirements；compared to the hardness of 1#and 2#joints，the weld zone is higher than the base material zone，and the location of the tensile fracture is in the base material region，they are both the high matching joints.The hardness of weld zone of 3#joints is similar to the base material zone，and the location of the tensile fracture is in the weld region，the tensile strength of 3#joints is more higher，but the elongation and plasticity is more worse.The joints are low matching joints.

S355J2W steel；SMA490BW steel；welded joint；microstructure；mechanical property

TG457.11

A

1001-2303（2016）10-0112-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.10.23

獻(xiàn)

何亞玲，胡潔，王曉敏.轉(zhuǎn)向架用耐候鋼焊接接頭顯微組織和力學(xué)性能[J].電焊機(jī)，2016，46（10）：112-117.

2015-09-15；

2016-05-20

何亞玲（1990—），女，四川遂寧人，在讀碩士，主要從事材料焊接及其腐蝕性能的研究。