地鐵轉(zhuǎn)向架用S355J2W耐候鋼板對接接頭焊接工藝研究

尤君， 倪寶成， 方孝鐘， 楊紅偉

（中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司轉(zhuǎn)向架設(shè)計部，南京 210031）

0 引言

能抗大氣腐蝕的鋼通常又叫做耐候鋼，是含有一定數(shù)量的合金元素的鋼材，如添加P、Cu、Cr、Ni、Mo等到鋼材中，在常溫下通過在母材金屬表面形成自保護(hù)的氧化膜來增強(qiáng)其抗大氣腐蝕性[1]。研究表明，依耐候鋼的成分不同，鋼件結(jié)構(gòu)使用環(huán)境不同，在一般情況下它的耐大氣腐蝕性能大約比一般碳素鋼大2～8倍之間[2]，同時耐候鋼在大氣中使用時間越長，它的耐腐蝕性越突出[3]。因而被廣泛應(yīng)用于長期暴露在大氣中的鋼結(jié)構(gòu)當(dāng)中。

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架為H型焊接構(gòu)架，由一系列板材件組裝焊接而成。作為鐵路客車、城市地鐵、高速動車組、有軌電車等現(xiàn)代軌道車輛的核心大部件，它承受車輛大部分的動載荷，而焊接技術(shù)是確保該大部件安全運(yùn)行的核心技術(shù)之一，焊接質(zhì)量的好壞直接影響著列車的安全性、可靠性和運(yùn)行壽命[4-5]。

文中結(jié)合轉(zhuǎn)向架車間生產(chǎn)實(shí)際情況，選用轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接生產(chǎn)用的S355J2W耐候鋼板來做一系列焊接試驗(yàn)，借助金相顯微鏡、維氏顯微硬度測試儀、射線探傷等現(xiàn)代分析測試手段進(jìn)行理化分析，評估該種材料在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接生產(chǎn)中的可行性及可靠性，從而制定符合實(shí)際生產(chǎn)的焊接工藝，確保焊接接頭的焊接質(zhì)量，規(guī)范焊接實(shí)施基本要素[6]。

1 試驗(yàn)用材料

1.1 試驗(yàn)用母材

鐵路行業(yè)EN15085焊接體系標(biāo)準(zhǔn)對設(shè)計、工藝、檢查等環(huán)節(jié)均有嚴(yán)格的規(guī)定，特別是選用新材料時須按不同焊接結(jié)構(gòu)形式做周密的焊接規(guī)范及工藝試驗(yàn)[7-8]。本試驗(yàn)選用4塊地鐵轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接生產(chǎn)用的S355J2W耐候鋼板，試板規(guī)格尺寸為350 mm×150 mm×12 mm，機(jī)械加工V型坡口，單面坡口角度為30°。鋼板成分及規(guī)定極限值的允許偏差執(zhí)行EN10025-5標(biāo)準(zhǔn)，鋼板的化學(xué)成分見表1，拉伸、彎曲性能指標(biāo)見表2。

表1 S355J2W耐候鋼板的化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

表2 S355J2W耐候鋼板的拉伸、彎曲性能指標(biāo)

1.2 材料焊接性分析

S355J2W耐候鋼的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)WC≤0.16%，屬于一種低碳鋼，除含P鋼外，焊接性與一般低合金鋼熱軋鋼沒有原則差別，焊接熱影響區(qū)的最高硬度不超過350 HV，焊接性良好。鋼中Cu的含量低（WCu約0.25%～0.55%），焊接時不會產(chǎn)生熱裂紋。含P鋼中WC+P都控制在0.25%以下，故鋼的冷脆傾向不大。所以可與強(qiáng)度較低(σS=343～292 MPa)的低合金熱軋鋼一樣擬定焊接工藝，只需要注意選擇焊接材料時既要考慮等強(qiáng)匹配又要考慮等化學(xué)成分匹配的原則，以滿足焊縫金屬的耐蝕性能與母材相匹配。

2 焊接工藝制定

2.1 焊接方法及焊接材料選擇

結(jié)合產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及轉(zhuǎn)向架焊接車間實(shí)際生產(chǎn)情況，試板對接焊縫采用MAG135進(jìn)行焊接，保護(hù)氣體為80%Ar+20%CO2[9-10]，氣體流量18～22 L/min，電源極性為DCEP/+。根據(jù)等強(qiáng)度、等化學(xué)成分匹配的原則，本次試驗(yàn)選用ESAB品牌的ISO14341-A：G 42 4 M21 Z 3Ni1Cu φ1.2焊絲，該焊絲的化學(xué)成分及力學(xué)性能見表3、表4。

表3 ISO14341-A：G 42 4 M21 Z 3Ni1Cu焊絲的化學(xué)成分%

表4 ISO14341-A：G 42 4 M21 Z 3Ni1Cu焊絲的力學(xué)性能

2.2 焊前準(zhǔn)備

用鋼絲刷將試板坡口面及焊縫周圍20 mm范圍內(nèi)的雜質(zhì)清理干凈，特別是油污、氧化膜、鐵的衍生氧化物等雜質(zhì)[11]。必要時可用拋光片進(jìn)行打磨直到露出金屬光澤。打開氣瓶閥門及焊機(jī)電源，調(diào)整焊接參數(shù)確保焊機(jī)運(yùn)行良好，焊接電源通常的額定電流500 A，空載電壓為55～80 V，負(fù)載持續(xù)率為60%～100%，外特性曲線為平特性。調(diào)整過程中可在試板上進(jìn)行預(yù)焊以驗(yàn)證電流及電壓的匹配性，使其達(dá)到最佳匹配狀態(tài)。

2.3 焊接工藝[12-13]

1）將地線鉗夾持在試板上，控制對接間隙2～3 mm，調(diào)整焊機(jī)按照打底焊1焊道參數(shù)將試板兩端頭點(diǎn)焊固定，點(diǎn)焊縫長度10～20 mm。在起弧時，保持焊絲干伸長度穩(wěn)定，起弧處由于工件溫度較低，又無法像手工焊那樣拉長電弧預(yù)熱，所以應(yīng)采用倒退引弧法，使焊道充分熔合；收弧時也應(yīng)該保持焊絲干伸長度不變，并把燃燒點(diǎn)拉到熔池邊緣處?；?，焊機(jī)自完成回?zé)⑾?、延時氣保護(hù)的收弧過程。試板具體焊接形式及焊接參數(shù)表見表5。

2）打磨點(diǎn)固焊點(diǎn)并清理焊接飛濺，噴焊接防飛濺液（DCF-1燕福），注意不要直對著坡口面噴，防止過量。

3）進(jìn)行打底焊接。施焊過程中注意觀察電弧，打底焊接時宜采用短路過渡電弧，短弧焊接，單面焊接雙面成型并確保熔透。

4）第一層焊接完成后需要適當(dāng)打磨焊縫使其形成凹面，控制焊接層間溫度＜180℃（紅外線測溫儀監(jiān)控）。

5）按表5調(diào)整焊接參數(shù)進(jìn)行焊縫的填充及蓋面焊接。施焊過程中注意觀察電弧，填充蓋面焊接時宜采用噴射過渡電弧，長弧焊接。采用多層多道焊，焊接后一層時須對前一層做好層間清理，控制焊接層間溫度低于180℃（紅外線測溫儀監(jiān)控），確保焊道之間熔合良好。

表5 試板焊接參數(shù)表

3 焊接接頭檢驗(yàn)[14-15]

1）焊縫外觀檢查。焊縫與母材連接過渡圓滑，表面未見氣孔、裂紋、焊瘤、弧坑等肉眼可見的缺陷，咬邊深度≤0.3 mm，對接焊縫余高≤2.5 mm，缺欠質(zhì)量滿足ISO5817 B級焊縫要求，試件焊后的宏觀金相圖見圖1。

圖1 試件焊接后的宏觀金相圖

2）試件母材及焊縫組織微觀金相組織見圖2。

圖2 母材及焊縫區(qū)微觀組織金相圖

3）試件X射線探傷結(jié)果按ISO10675-1標(biāo)準(zhǔn)評定均達(dá)到I級合格標(biāo)準(zhǔn)，其射線探傷底片見圖3。

圖3 試件射線探傷底片

4）試板力學(xué)性能試驗(yàn)。在焊接試板上切取試樣，按國際標(biāo)準(zhǔn)ISO4136《對接焊縫拉伸試驗(yàn)》、ISO5173《金屬材料的破壞性試驗(yàn)—彎曲試驗(yàn)》、ISO9016《金屬材料的破壞性試驗(yàn)—沖擊試驗(yàn)》、ISO9015《金屬材料的破壞性試驗(yàn)—硬度試驗(yàn)》進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果合格，測試結(jié)果如表6～表9和圖4所示。

4 結(jié)論

通過對地鐵轉(zhuǎn)向架用S355J2W耐候鋼板焊接性分析和焊接工藝試驗(yàn)，擬定了合理的焊接工藝，確保了焊接接頭的質(zhì)量，并獲得了優(yōu)質(zhì)的焊接接頭，從而得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）S355J2W耐候鋼具有良好的焊接性 ，ISO14341-A：G 42 4 M21 Z 3Ni1Cuφ1.2焊絲分別能夠與目前轉(zhuǎn)向架使用S355J2W型號的板材相匹配，滿足焊接性能要求，試驗(yàn)結(jié)果均達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

表6 試件拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表7 彎曲試驗(yàn)結(jié)果

表8 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

圖4 硬度試驗(yàn)位置示意圖

表9 硬度試驗(yàn)結(jié)果

2）接頭母材組織均為白色細(xì)小塊狀均勻分布的鐵素體+黑色的珠光體；焊縫組織均為沿柱狀晶內(nèi)分布的先共析鐵素體，無碳貝氏體沿晶界向晶內(nèi)平行生長，晶內(nèi)有針狀鐵素體、粒狀貝氏體和少量珠光體。

3）S355J2W耐候鋼對接接頭的焊縫及熱影響區(qū)硬度高于母材區(qū)，焊接接頭的整體抗拉強(qiáng)度高于母材。因此，選擇合理的焊接工藝進(jìn)行焊接時可以獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭，從而能夠滿足轉(zhuǎn)向架構(gòu)架生產(chǎn)制造的使用要求。

[1] 曹楚南.中國材料的自然環(huán)境腐蝕[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

[2] 李愛柏.熱軋耐候鋼板B490NQ的研制[J].寶鋼技術(shù),1994(6):42-47.

[3] 梁彩鳳,侯文泰.合金元素對碳鋼和低合金鋼在大氣中耐腐蝕性的影響[J].中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報,1997,17(2):87-92.

[4] 王君杰.轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接接頭組織與性能研究[D].大連:大連交通大學(xué),2007.

[5] 張鑫鑫.對高速列車轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架選材的探討[J].機(jī)車車輛工藝,1994(1):41-45.

[6] 陳祝年.焊接工程師手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002:385-409.

[7] 朱志民.基于EN15085焊接質(zhì)量體系的管理和應(yīng)用 [J].焊接,2010(11):57-59.

[8] 陳方嶺,丁亞萍,趙陳.Q355GNHG高耐候鋼在動車組中的焊接運(yùn)用[J].鐵道機(jī)車車輛工人,2012(1):5-8.

[9] 傅小日,李金森,程冰,等.我國鐵路客車轉(zhuǎn)向架技術(shù)發(fā)展的概述[J].鐵道車輛,2005,43(10):8-15.

[10]李亞江.焊接組織性能與質(zhì)量控制[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

[11] 王家偉.鋁合金車體焊接工藝[J].鐵道機(jī)車車輛工人,2011(2):1-5.

[12] 賈安東.焊接結(jié)構(gòu)學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[13] 王高見,賴世強(qiáng),歐亞.Gr25Ni20鋼焊接工藝性分析與評定[J].熱加工工藝,2010,39(9):154-155.

[14] 李以善,劉德鎮(zhèn),肖世榮,等.焊接結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009.

[15] 董洪達(dá),倪寶成,張迪,等.TIG重熔對轉(zhuǎn)向架用P355NL1鋼焊接接頭性能的影響[J].熱加工工藝,2015(5):220-222.