SMA490BW耐候鋼激光-電弧復合焊接接頭性能

單清群，孫福慶，朱善峰

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111）

SMA490BW耐候鋼激光-電弧復合焊接接頭性能

單清群，孫福慶，朱善峰

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111）

高速列車轉(zhuǎn)向架服役環(huán)境復雜，易受到大氣腐蝕，通常使用耐候鋼作為轉(zhuǎn)向架材料。SMA490BW耐候鋼以普通碳素鋼為基礎，添加了耐大氣腐蝕的Cu、P、Cr、Ni等元素，具備較好的耐腐蝕性。采用激光-MAG復合焊及MAG焊，針對SMA490BW接頭性能、微觀組織及合金元素波動進行研究。結(jié)果表明，復合焊接頭組織核力學性能優(yōu)于MAG焊接接頭，且合金元素成分波動較小，在轉(zhuǎn)向架焊接中可實現(xiàn)對MAG焊接工藝的替代和優(yōu)化。

SMA490BW耐候鋼；激光-MAG復合焊；接頭組織；合金元素

0 前言

鐵路運輸是我國主要交通運輸方式之一，其優(yōu)點是運輸能力大、運輸經(jīng)濟性好、運行速度較快、運行穩(wěn)定性較高。目前，列車高速化是我國鐵路運輸行業(yè)發(fā)展的主要戰(zhàn)略方向，隨著運行速度的不斷提高，其承受的載荷以及運行的環(huán)境條件越來越復雜[1]。作為軌道車輛的重要部件之一，轉(zhuǎn)向架的材料選擇及其工藝、性能的研究也成為重要的課題[2]。

對于轉(zhuǎn)向架而言，常用的焊接方法為MAG焊，焊后殘余應力較大、易變形，且在T型接頭的焊趾處出現(xiàn)未熔透現(xiàn)象，會發(fā)生嚴重的應力集中，降低接頭的疲勞強度，進而對轉(zhuǎn)向架構架的可靠性及安全性產(chǎn)生嚴重的影響[3-4]。相比之下，激光-MAG復合焊作為一種新型焊接方法，具有功率密度高、焊縫熔深大、間隙適應能力強、殘余應力水平低等特點[5-6]。本研究采用激光-MAG復合焊獲得了成形良好的焊接接頭，并針對復合焊接頭的不同區(qū)域進行合金元素成分測量和分析。同時，對比研究復合焊接頭和常規(guī)MAG焊接頭的微觀組織及力學性能，為激光-MAG復合焊的工程應用奠定了理論基礎。

1 試驗方法和材料

1.1 試驗材料

試驗材料為高速列車轉(zhuǎn)向架用鋼SMA490BW耐候鋼，選擇直徑1.2 mm的鐵道車輛高強度耐大氣腐蝕鋼焊絲JM-55II。母材及焊絲化學成分如表1所示。

表1 SMA490BW耐候鋼主要化學成分 %

除表1中的元素外，還添加了Mo、Ti、Ni、V和Zr等耐大氣腐蝕的元素，通過這些合金元素的固溶強化和細晶強化，提高材料的強度和塑性。耐候鋼在前期銹蝕后由于鋼表面Cu、P等微量元素富集，形成了一層致密的非晶態(tài)銹層組織，并與基體牢固結(jié)合，即在基體表面形成一層致密的保護膜，阻止腐蝕向基體內(nèi)部擴展，減緩材料腐蝕的速度，對基體材料起到一定的保護作用。

1.2 試驗方法

采用激光-MAG復合焊及MAG焊進行對比研究。復合焊接系統(tǒng)主要包括IPG激光發(fā)生器和Kemp Arc Pulse焊機，如圖1所示。在保護氣的選擇上，如果使用純氬氣，焊接過程的穩(wěn)定性會下降，噪聲大；若使用純CO2氣體，則焊接飛濺大，成形不良。故選用保護氣為w（Ar）80%+w（CO2）20%。根據(jù)焊接參數(shù)工藝優(yōu)化試驗，采用激光在前、電弧在后的焊接方式，激光與焊槍之間的夾角為40°，激光-MAG復合焊選用坡口形式為雙邊60°，4 mm鈍邊，1.2 mm對接間隙；MAG選用坡口形式為雙邊60°，2 mm鈍邊，1.2 mm對接間隙。激光-MAG復合焊及MAG焊接參數(shù)如表2所示。

圖1 激光-MAG復合焊接系統(tǒng)

表2 優(yōu)化焊接參數(shù)

焊接完成后，用型號為XXQ2505D-XK3.2的X射線探傷儀對焊縫區(qū)域進行內(nèi)部缺陷檢測。針對焊接接頭各區(qū)域的合金元素成分，采用手持式合金成分分析儀進行現(xiàn)場快速測量。

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 激光電弧復合焊焊縫成形

對試驗所獲接頭進行分宏觀形貌分析，主要觀察焊縫整體成形情況、背面是否焊透、熔合情況是否良好以及是否存在咬邊等缺陷。激光-MAG復合焊焊縫宏觀成形見圖2，MAG焊焊縫成形見圖3。

兩種焊接工藝下，焊縫正、反面成形良好，無咬邊、未熔合等缺陷，焊縫余高適中，紋理較為均勻。焊接過程中，層道表面出現(xiàn)少量熔渣，故表面存在熔渣清理痕跡。

針對12 mm厚SMA490BW激光-MAG復合焊對接試板，X射線探傷參數(shù)為：焦點直徑3 mm，焦距700 mm，電流5.0 mA，電壓150 kV，曝光時間2.5 s。要求靠近焊縫處的灰度值調(diào)整為11 000～13 000，以保證圖片清晰。X射線探傷結(jié)果如圖4所示，MAG焊、激光-MAG復合焊焊縫接頭內(nèi)部基本沒有可見的氣孔、夾雜、未熔合等內(nèi)部缺陷。

圖2 激光-MAG復合焊焊縫成形

圖3 MAG復合焊焊縫成形

2.2 基于XRF熒光光譜法的焊接接頭元素成分

通過基于XRF熒光光譜的手持式合金成分檢測儀對焊接接頭的不同區(qū)域進行合金元素成分檢測。分別在焊縫、熱影響區(qū)、近熱影響區(qū)母材及遠離熱影響區(qū)母材四個區(qū)域測量合金元素成分，觀察焊接接頭不同區(qū)域合金元素的波動情況。

圖4 X射線探傷結(jié)果

圖5 焊接接頭不同區(qū)域合金元素測量示意

如圖5所示，在焊縫中心無缺陷處選取測量點，運用合金成分測量儀的小點焊縫分析功能測量焊縫區(qū)域合金成分；之后，從焊縫中心測量點處向右移動5 mm測量熱影響區(qū)的合金成分；完成熱影響區(qū)成分測量后，分別從熱影響區(qū)測量中心點向右移動10 mm、20 mm，測量近熱影響區(qū)母材及遠離熱影響區(qū)母材的合金成分。

圖6 焊接接頭不同區(qū)域合金元素含量

SMA490BW耐候鋼激光-MAG復合焊接接頭的合金元素成分測量結(jié)果如圖6所示。焊縫中心區(qū)域合金元素成分有一定的波動，特別是Ni、Nb等元素；然而對于熱影響區(qū)，合金元素成分波動較小，基本與母材持平；距焊縫中心不同距離的母材，其合金元素成分也基本持平，處于測量儀器正常檢測誤差范圍之內(nèi)。總體來說，整個焊接接頭的合金元素成分雖存在一定程度的波動，但相比于傳統(tǒng)MAG焊接，其波動程度較小，焊后幾乎不對母材的合金元素成分造成影響，故SMA490BW耐候鋼復合焊接接頭的強化性能、抗大氣腐蝕性能能夠較好的保持。

2.3 激光-電弧復合焊接接頭組織

接頭焊縫區(qū)微觀組織如圖7所示。MAG焊、激光-MAG復合焊焊縫區(qū)均為粗大的柱狀晶，其分布方向與熱擴散方向平行，與熔合線垂直，是由母材晶粒向熔池內(nèi)部生長，與母材晶粒的取向保持一致，這種結(jié)晶方式稱為聯(lián)生結(jié)晶[7]。

圖7 對接接頭焊縫區(qū)微觀組織

激光-MAG復合焊焊縫區(qū)的組織和傳統(tǒng)MAG焊均為沿晶界分布的條狀鐵素體、無碳貝氏體向晶內(nèi)生長，晶內(nèi)則是針狀鐵素體、側(cè)板條鐵素體和珠光體。在結(jié)晶過程中，條狀的鐵素體沿奧氏體晶界析出，而側(cè)板條鐵素體則從奧氏體晶界的側(cè)面以側(cè)板條狀向晶內(nèi)生長，在原始奧氏體晶內(nèi)則是針狀鐵素體，原奧氏體冷卻后變?yōu)橹楣怏w。

激光-MAG復合焊接熔池在冷卻過程中以非均勻方式形核，以柱狀晶的形式從母材向熔池生長。結(jié)晶方向與最大溫度梯度方向一致，因為該方向上需要的形核功最小。激光與電弧的協(xié)同作用使復合電弧壓縮能量集中，溫度分布曲線陡峭，冷卻速度較快，因此，激光-MAG復合焊焊縫區(qū)晶粒粗化程度更低，晶粒尺寸小于MAG焊，且組織均勻分布。

接頭熱影響區(qū)微觀組織如圖8所示。傳統(tǒng)MAG焊、激光-MAG復合焊的過熱區(qū)組織基本相同，熔合線兩側(cè)組織存在明顯差異，熔合線右側(cè)為柱狀晶的焊縫組織，左側(cè)為過熱區(qū)。過熱區(qū)的組織主要是沿晶界分布的先析鐵素體、向晶內(nèi)生長的無碳貝氏體，晶內(nèi)則是針狀鐵素體、粒狀貝氏體和珠光體組織。貝氏體的強度、硬度和塑性、韌性較好。

圖8 對接接頭熱影響區(qū)各分區(qū)微觀組織

正火區(qū)的微觀組織見圖8c、8d，MAG焊、激光-MAG復合焊正火區(qū)的晶粒非常細小，組織為細小的鐵素體和珠光體。與傳統(tǒng)MAG焊相比，激光電弧復合焊的組織分布更加均勻。MAG焊、激光-MAG復合焊不完全重結(jié)晶區(qū)的組織均為鐵素體和部分珠光體，具體組織形貌如圖8e、8f所示。

3 結(jié)論

以12mm厚的高速列車轉(zhuǎn)向架材料SMA490BW耐候鋼為研究材料，采用MAG和激光-MAG復合焊接兩種工藝進行對接焊接試驗，測試和分析焊接接頭進行組織及合金元素成分，得出以下結(jié)論：

（1）根據(jù)工藝優(yōu)化實驗，設計出了適合12 mm厚SMA490BW激光-MAG復合焊及MAG焊的坡口形式和焊接參數(shù)，焊接接頭成形良好。

（2）針對激光-MAG復合焊接接頭，采用基于XRF熒光光譜的手持式合金成分測試儀對其不同區(qū)域進行了元素成分測量，得到變化波動情況。

（3）激光-MAG復合焊和MAG焊的焊接接頭組織均分為焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材，其中熱影響區(qū)又分為過熱區(qū)、正火區(qū)和部分相變區(qū)。焊縫區(qū)的組織主要為沿晶界分布的先析條狀鐵素體、向晶內(nèi)生長的無碳貝氏體，晶內(nèi)則是針狀鐵素體和珠光體；過熱區(qū)的組織主要是先析鐵素體、無碳貝氏體、粒狀貝氏體和珠光體，還有過熱的魏氏組織；正火區(qū)為細小均勻的鐵素體和珠光體；部分相變區(qū)的組織則是細小和粗大的鐵素體以及部分珠光體；母材為鐵素體和珠光體的帶狀組織。

[1]金光.鐵路客車轉(zhuǎn)向架構架材料焊接接頭的組織與性能研究[D].遼寧：大連交通大學，2007.

[2]廖永亮.鉸接式轉(zhuǎn)向架構架疲勞壽命研究[D].四川：西南交通大學，2009.

[3]嚴雋耄.車輛工程[M].北京：中國鐵道出版社，1999.

[4]劉煥軍.轉(zhuǎn)向架側(cè)梁焊接殘余應力與變形的研究[D].四川：西南交通大學，2012.

[5]陳彥賓.現(xiàn)代激光焊接技術[M].北京：科學出版社，2005.

[6] 袁小川.激光-電弧復合焊接技術的研究與應用[J].焊接技術，2010，4（8）：5-9.

[7]張文鉞.焊接冶金學（基本原理）[M].北京：機械工業(yè)出版社，1999：87-103.

Properties of welded joint in laser-MAG hybrid welding of SMA490BW weather-resistance steel

SHAN Qingqun，SUN Fuqing，ZHU Shanfeng
（CRRC QINGDAO SIFANG Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China）

The research on bogie has been a key issue.Because of a complex service environment and atmospheric corrosion，weatherresistance steel is usually taken as the bogie material.Compared with ordinary carbon steel，elements with good corrosion resistance, such as Cu，P，Cr and Ni，have been added to SMA490BW weather-resistance steel.As for SMA490BW weather-resistance steel，laser-MAG hybrid welding has the advantages of high efficiency，small welding deformation and lower residual stress level.In this paper，the mechanical properties，microstructure and the variety of alloy elements of SMA490BW weather-resistance steel welded joints by different welding method were investigated.The results illustrated that the microstructure and mechanical properties of hybrid welded joints were superior to those of MAG welded joints，and the alloy elements fluctuation was smaller.Therefore，laser-MAG hybrid welding is the substitution and optimization of MAG welding.

SMA490BW weather-resistance steel；laser-MAG hybrid welding；microstructure；alloy elements

TG456.7

A

1001－2303（2017）03－0079-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.03.15

獻

單清群，孫福慶，朱善峰.SMA490BW耐候鋼激光-電弧復合焊接接頭性能[J].電焊機，2017，47（03）：79-83.

2016-12-22；

2017-03-02

單清群（1963—），男，山東青島人，工程師，學士，主要從事軌道車輛制造過程質(zhì)量檢測的研究工作。