客車水箱焊接工藝性能研究

（中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇南京266111）

0 前言

客車水箱一般采用304不銹鋼薄板通過焊接制得[1-2]，其質(zhì)量主要取決于焊接接頭的質(zhì)量，因此，研究客車水箱用304不銹鋼薄板的焊接工藝性能顯得十分重要。在304不銹鋼薄板的焊接方面已開展了很多研究[3-11]，但是針對304不銹鋼薄板用于客車水箱制造的焊接特性研究工作，目前尚未見報(bào)道。本文針對客車水箱制造過程中可能使用的焊接方法和4種焊接接頭形式（全焊透板對接接頭、T型接頭、單面角焊縫接頭和搭接接頭），進(jìn)行了一系列焊接工藝性能試驗(yàn)。通過測試和分析不同焊接接頭力學(xué)性能、組織結(jié)構(gòu)、殘余應(yīng)力分布、氯離子敏感度等，獲得4種焊接接頭綜合性能的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)，為優(yōu)化客車水箱設(shè)計(jì)制造方案提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為304不銹鋼薄板，厚度3 mm，化學(xué)成分如表1所示。4種焊接接頭試板共4對8塊，每塊試板尺寸規(guī)格為150 mm×300 mm×3 mm。

1.2 焊接試驗(yàn)工藝參數(shù)

采用手工鎢極氬弧焊（TIG焊）對客車水箱用304不銹鋼薄板進(jìn)行焊接[2，12-13]，獲得4種焊接接頭：全焊透板對接接頭、T型接頭、單面角焊縫接頭和搭接接頭，分別如圖1～圖4所示，選用設(shè)備為逆變交直流氬弧焊機(jī)（ADP400型）。4種形式焊接接頭的焊接試驗(yàn)工藝參數(shù)如表2、表3所示。

表1 304不銹鋼薄板化學(xué)成分 %

圖1 全焊透板對接接頭

圖2 T型接頭

1.3 焊接工藝試驗(yàn)試板檢驗(yàn)和檢測項(xiàng)目

圖3 單面角焊縫接頭

圖4 搭接接頭

依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[2，12-13]，4種焊接接頭試板的檢驗(yàn)和檢測項(xiàng)目為：表面裂紋檢測（PT 100%）、硬度（HV）測定、宏觀金相觀測、金相顯微組織分析、耐蝕性試驗(yàn)（氯離子敏感度測定）和殘余應(yīng)力測定，此外，全焊透板對接接頭還需進(jìn)行橫向拉伸和彎曲試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 表面裂紋檢測

按照NB/T47013.5承壓設(shè)備表面著色檢測標(biāo)準(zhǔn)對全焊透板對接接頭、T型接頭、單面角焊縫接頭和搭接接頭進(jìn)行表面著色檢測，均未發(fā)現(xiàn)裂紋。說明上述4種焊接接頭的焊接工藝合理，施焊操作正確。

表2 全焊透板對接接頭焊接工藝參數(shù)

表3 T型接頭、單面角焊縫接頭和搭接接頭焊接工藝參數(shù)

2.2 力學(xué)性能測試結(jié)果及分析

2.2.1 拉伸和彎曲試驗(yàn)結(jié)果及分析

4種焊接接頭中，只有全焊透板對接接頭可以進(jìn)行拉伸和彎曲試驗(yàn)。按照GB/T 2651對全焊透板對接接頭進(jìn)行橫向拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示；按照GB/T 2653對全焊透板對接接頭進(jìn)行橫向彎曲試驗(yàn)，結(jié)果如表5所示。由表4、表5可知，全焊透板對接接頭拉伸屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均大于304不銹鋼材料標(biāo)準(zhǔn)值，彎曲試驗(yàn)結(jié)果均滿足304不銹鋼材料標(biāo)準(zhǔn)要求，表明焊接試驗(yàn)工藝參數(shù)是合適的。

2.2.2 硬度試驗(yàn)結(jié)果及分析

4種焊接接頭三區(qū)（指焊肉、熱影響區(qū)、母材三個(gè)區(qū)域，以下同）硬度測試結(jié)果如表6～表9所示。由表可知，4種焊接接頭三區(qū)硬度（HV10）值共同的特點(diǎn)是熱影響區(qū)硬度值最高，這是由于熱影響區(qū)被加熱而使其中析出相有所增多所致。對接接頭、搭接接頭焊肉硬度略高于母材硬度，T型接頭焊肉硬度與母材硬度基本相同，單面角焊縫接頭焊肉硬度略低于母材硬度。4種焊接接頭三區(qū)硬度值均滿足304不銹鋼材料標(biāo)準(zhǔn)要求（≤200 HV10）。

表4 全焊透板對接接頭的拉伸性能

表5 全焊透板對接接頭彎曲試驗(yàn)結(jié)果

表6 全焊透板對接接頭的硬度

表7 T型接頭的硬度

表8 單面角焊縫接頭的硬度

對鋼鐵材料，一般可根據(jù)硬度值粗略比較不同試件抗拉強(qiáng)度的大小。4種焊接接頭中單面角焊縫接頭焊肉硬度最低，表明單面角焊縫接頭焊肉抗拉強(qiáng)度最低。

表9 搭接接頭的硬度

3.3 宏觀金相觀察

觀察4種焊接接頭的宏觀金相照片（圖1～圖4）可知，各種焊接接頭成形良好。

3.4 金相顯微組織分析

4種焊接接頭三區(qū)金相顯微組織如圖5～圖8所示。由圖可知，全焊透板對接接頭、T型接頭、單面角焊縫接頭和搭接接頭4種形式接頭對應(yīng)區(qū)域的顯微組織基本相同。4種焊接接頭焊肉的金相組織均為柱狀樹枝晶組織，熱影響區(qū)和母材金相組織均為等軸晶組織。以上顯微組織均為奧氏體不銹鋼焊接接頭的常規(guī)金相組織，未出現(xiàn)異常組織。

3.5 殘余應(yīng)力測試結(jié)果及分析

焊接殘余應(yīng)力在平行于焊縫軸線方向的應(yīng)力分量稱為縱向殘余應(yīng)力σx，垂直于焊縫軸線方向的應(yīng)力分量為橫向殘余應(yīng)力σy，厚度方向的殘余應(yīng)力分量為σz。在厚度小于20 mm的焊接接頭結(jié)構(gòu)中，厚度方向應(yīng)力分量σz相對很小，可以忽略，焊接殘余應(yīng)力基本沿板件的長和寬方向。

4種焊接接頭殘余應(yīng)力測試點(diǎn)分布如圖9所示，殘余應(yīng)力測試結(jié)果如圖10所示。

由圖10可知，4種焊接接頭中，單面角焊縫接頭和搭接接頭焊肉附近的縱向殘余應(yīng)力和橫向殘余應(yīng)力都較大，而全焊透板對接接頭和T型接頭焊肉附近的縱向殘余應(yīng)力較大，橫向殘余應(yīng)力較小。

當(dāng)焊件中橫向殘余應(yīng)力較大時(shí)，會(huì)與外加拉應(yīng)力疊加作用，降低焊接件的靜載強(qiáng)度，增大焊接件開裂的可能性。4種形式接頭中，單面角焊縫接頭和搭接接頭焊肉附近的橫向殘余應(yīng)力均較大，因此，在拉應(yīng)力作用下，這兩種接頭的靜載強(qiáng)度較低，開裂的可能性較大。

3.6 耐蝕性試驗(yàn)結(jié)果及分析

焊接試件的腐蝕試驗(yàn)采用ASTM G48-2011（2015），選擇此標(biāo)準(zhǔn)中的方法A—三氯化鐵麻點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)。對于全焊透板對接接頭、T型接頭、單面角焊縫接頭和搭接接頭4種接頭形式，每種焊接接頭按標(biāo)準(zhǔn)取樣，試樣均包括焊縫、熱影響區(qū)和母材，試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。

圖5 全焊透板對接接頭三區(qū)金相顯微組織

圖6 T型接頭三區(qū)金相顯微組織

圖7 單面角焊縫接頭三區(qū)金相顯微組織

圖8 搭接接頭三區(qū)金相顯微組織

圖9 四種焊接接頭殘余應(yīng)力測試點(diǎn)分布

表10 各種焊接接頭及純母材的腐蝕速率 g/m·2h

由表10可知，單面角焊縫接頭和搭接接頭的腐蝕速率明顯高于全焊透板對接接頭和T型接頭。由前述分析還可知，4種形式接頭的組織結(jié)構(gòu)基本相同，而其中殘余應(yīng)力的分布情況卻不同。

金屬材料在應(yīng)力（主要是拉應(yīng)力）和腐蝕介質(zhì)的共同作用下發(fā)生的破壞現(xiàn)象，稱為應(yīng)力腐蝕。焊件中殘余應(yīng)力（主要是拉應(yīng)力）越大，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的傾向就越大，腐蝕速率越快。所以，殘余應(yīng)力較大的單面角焊縫接頭和搭接接頭的腐蝕速率較高，發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的可能性大于全焊透板對接接頭和T型接頭。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

（1）本試驗(yàn)研究采用的焊接工藝、焊接材料、焊接設(shè)備都是適宜的。

（2）在客車水箱制造可能會(huì)采用的4種焊接接頭形式中，全焊透板對接接頭在力學(xué)性能、焊接殘余應(yīng)力分布、耐腐蝕性等方面最優(yōu)，而單面角焊縫接頭在力學(xué)性能、焊接殘余應(yīng)力分布、耐腐蝕性等方面最差。

4.2 建議

根據(jù)以上結(jié)論，建議將客車水箱設(shè)計(jì)為兩端帶直邊封頭的圓筒形（即膠囊型）水箱，這樣外包板與端部封頭可以采用綜合性能最優(yōu)的全焊透板對接接頭形式焊接，從而提高客車水箱的承載能力和耐蝕性。

圖10 四種焊接接頭殘余應(yīng)力分布