S355J2W鋼焊接接頭的組織和力學(xué)性能

趙忠成，李曉娜

（1.中車長春軌道客車股份有限公司，吉林長春130062；2.成都紡織高等?？茖W(xué)校機械工程與自動化學(xué)院，四川成都610031）

S355J2W鋼焊接接頭的組織和力學(xué)性能

趙忠成1，李曉娜2

（1.中車長春軌道客車股份有限公司，吉林長春130062；2.成都紡織高等?？茖W(xué)校機械工程與自動化學(xué)院，四川成都610031）

S355J2W低合金鋼是高速列車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架所用材料之一。針對國產(chǎn)S355J2W低合金鋼焊接接頭，通過拉伸、彎曲、沖擊、硬度、金相和掃描電鏡等試驗方法研究其力學(xué)性能和顯微組織。結(jié)果表明：采用JM55-Ⅱ焊絲對S355J2W鋼進(jìn)行焊接，焊接接頭具有良好的力學(xué)性能，其制定的焊接工藝切實可行。

轉(zhuǎn)向架；S355J2W鋼；JM55-Ⅱ焊絲；MAG焊接頭；低溫性能

0 前言

隨著軌道車輛運行速度的不斷提高，轉(zhuǎn)向架所承受的載荷更加復(fù)雜，對轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架及其焊接接頭的力學(xué)性能（尤其是沖擊韌性）提出了更高的要求[1-2]。我國高速列車轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵材料主要依賴進(jìn)口，為推進(jìn)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架用新材料的研發(fā)進(jìn)展，對國產(chǎn)S355J2W鋼板焊接接頭展開研究，以期為推進(jìn)國產(chǎn)化材料在高速列車轉(zhuǎn)向架中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗材料選用國產(chǎn)S355J2W鋼板，規(guī)格12mm× 300 mm×350 mm，焊接材料選用錦泰公司的JM55-II，其化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見表1和表2。

1.2 試驗方法

采用MAG多層焊工藝，保護(hù)氣體為富氬混合氣φ（Ar）80％+φ（CO2）20％，焊接位置為平焊，工藝參數(shù)如表3所示。對焊接接頭進(jìn)行無損探傷，合格后進(jìn)行退火處理。

試樣的加工符合GB2649（焊接接頭機械性能試驗取樣方法），加工完試樣后分別按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，采用卡爾蔡司A1m顯微鏡觀察金相組織；采用TSL-1000液壓式萬能試驗機進(jìn)行拉伸、彎曲性能試驗；采用數(shù)顯維氏硬度計進(jìn)行硬度測試；采用JBN-300型沖擊試驗機開展沖擊性能測試；采用S-3400N型掃描電鏡觀察沖擊試樣的斷口。

表1 試驗材料的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of the experimental materials ％

表2 S355J2W的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of S355J2W

表3 焊接工藝參數(shù)Table 3 Welding parameters of specimens

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 微觀金相組織

S355J2W鋼對接接頭微觀金相組織如圖1所示。圖1a為S355J2W鋼母材的顯微組織，為條狀分布的鐵素體和珠光體，呈典型的熱軋形態(tài)。圖1b為焊縫顯微組織，其典型特征為：（1）此區(qū)域主要為塊狀及片狀的先共析鐵素體。部分先共析鐵素體在奧氏體晶界呈網(wǎng)狀析出，最后呈現(xiàn)為多邊形塊狀；部分先共析鐵素體自奧氏體晶粒內(nèi)部沿一定位向析出，呈現(xiàn)為寬窄長短不一的片條狀。（2）片條狀鐵素體周圍析出珠光體，即緊靠著先共析鐵素體有少量的珠光體組織。（3）少部分鐵素體具有位向關(guān)系，形成類似魏氏組織。（4）晶內(nèi)為針狀鐵素體組織和少量的珠光體，并含有脆性的羽毛狀貝氏體組織。焊接接頭組織比較粗大，且晶粒尺寸不太均勻。圖1c為熔合區(qū)顯微組織，其是母材金屬與焊縫金屬的過渡區(qū)，在焊接過程中該區(qū)域溫度處于液相線和固相線溫度之間，其在焊接時局部熔化。圖1d為粗晶區(qū)組織，該區(qū)組織為塊狀分布的鐵素體，同時存在一定的珠光體和貝氏體組織，晶粒粗大，這是由于該區(qū)加熱溫度為1 100℃～1 350℃，奧氏體晶粒顯著長大，冷卻后得到粗大的過熱組織，使韌性降低。該區(qū)域晶粒粗大，且大小不均，化學(xué)成分也極不均勻，組織和成分都處于極不平衡狀態(tài)，而這種成分不同、組織粗細(xì)不均的混合區(qū)是易產(chǎn)生失效的最薄弱環(huán)節(jié)[3-4]。

圖1 焊接接頭不同區(qū)域顯微組織Fig.1 Microstructures of welded joints in different zones

2.2 拉伸試驗

S355J2W鋼對接接頭常溫拉伸試驗結(jié)果如表4所示。

表4 S355J2W鋼對接接頭室溫拉伸試驗結(jié)果Table 4 Tensile results of butt joint of S355J2W steel at room temperature

接頭屈服強度在445 MPa以上，抗拉強度大于538 MPa，延伸率最小37.5％，達(dá)到母材S355J2W力學(xué)性能的最低要求，拉伸試驗合格。從斷裂位置來看，接頭斷裂位置在焊接熱影響區(qū)和焊縫粗晶區(qū)，這與前述微觀金相分析一致。

2.3 彎曲試驗

S355J2W鋼對接接頭所有彎曲試樣在試驗時均未發(fā)現(xiàn)明顯開裂，彎曲試驗合格。表明接頭具有良好的變形能力。

2.4 硬度試驗

S355J2W鋼對接接頭維氏硬度檢測結(jié)果如圖2所示。從硬度測試結(jié)果來看，焊縫處硬度較母材高，但硬度最高點位于焊縫與熱影響區(qū)之間的熔合區(qū)附近，最高硬度值為214 HV10，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的退火狀態(tài)下最高硬度值320 HV10?？偟膩碚f，從熔合線到熱影響區(qū)再到母材區(qū)域，隨著熱輸入量的減少，其組織晶粒也逐漸變小，塑性和韌性提高，硬度下降；過熱區(qū)晶粒組織嚴(yán)重長大，塑性和韌性較差，硬度達(dá)到最大。

圖2 對接接頭硬度分布Fig.2 Hardness distribution of butt joints

2.5 沖擊試驗結(jié)果及分析

S355J2W鋼焊接接頭在-40℃時沖擊試驗結(jié)果如表5所示。由表5可知，焊接熱影響區(qū)、焊縫和母材的沖擊功在-40℃條件下都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的27 J，表明焊接接頭的沖擊韌性良好；熱影響區(qū)的沖擊功平均值最高，母材其次，焊縫最低。

表5 S355J2W鋼接頭-40℃沖擊功AkvTable 5 Impact results of butt joint at-40℃/J

焊接接頭在-40℃時沖擊斷口微觀形貌如圖3所示。斷口形貌為解理[5]，河流狀花樣，表明接頭在-40℃時已經(jīng)表現(xiàn)出脆性趨勢。

圖3 焊接接頭沖擊斷口形貌Fig.3 Morphology of impact fracture

3 結(jié)論

（1）制定的焊接工藝合理，S355J2W接頭的力學(xué)性能均達(dá)到要求。（2）S355J2W焊接接頭平均屈服強度454 MPa，平均抗拉強度547 MPa，平均延伸率為40％。（3）接頭硬度分布最高點在焊接熱影響區(qū)，且最高硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的退火狀態(tài)下最高硬度值320 HV10。（4）S355J2W焊接接頭-40℃沖擊功最低值達(dá)70J，遠(yuǎn)超過母材沖擊性能最低要求，接頭具有良好的沖擊韌性。

[1]史紹賢，陳麗園，謝明，等.16MnR低合金鋼焊接接頭的組織與力學(xué)性能研究[J]．熱加工工藝，2011，40（15）：130-134.

[2]張志毅，韓永彬，王心紅，等.轉(zhuǎn)向架構(gòu)架補焊殘余應(yīng)力數(shù)值模擬[J].電焊機，2012，42（4）：82-86．

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Microstructure and mechanical properties of S355J2W steel welded joint

ZHAO Zhongcheng1，LI Xiaona2
（1.CRRC Changchun Raiway Vehicles Co.，Ltd.，Changchun 130062，China；2.Mechanical Engineering&Automation Department，Chengdu Textile College，Chengdu 611731，China）

S355J2W low alloy steel is one of the materials used in the railway vehicle bogie frame.In the paper，the mechanical properties of S355J2W low alloy steel MAG butt joints of a high speed train bogie are tested by tensile，bending and impact test，and the hardness of the welded joints are also measured.The microstructure and fracture morphology of the joints are observed.The test results show that the JM55-Ⅱwelding wire for S355J2W steel welding，welding joint has good mechanical properties，its welding process is feasible.

bogie；S355J2W steel；JM55-Ⅱwelding wire；MAG welded joints；low temperature properties

TG407

B

1001－2303（2016）12－0093-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.12.20

獻(xiàn)

趙忠成，李曉娜.S355J2W鋼焊接接頭的組織和力學(xué)性能[J].電焊機，2016，46（12）：93-95.

2016-04-02；

2016-11-02

趙忠成（1978—），男，吉林長春人，高級工程師，主要從事軌道車輛設(shè)備、工藝研發(fā)及生產(chǎn)工作。