SMA490BW耐候鋼深熔焊工藝及接頭的組織和性能

吳向陽(yáng) 田仁勇 張志毅 李亞南 趙秩磊 丁成鋼

摘要：分別采用高頻脈沖MAG焊和普通脈沖MAG焊（深熔模式）對(duì)12 mm厚SMA490BW耐候鋼板T型接頭（角焊縫）進(jìn)行了焊接工藝試驗(yàn)，觀察和分析了熔深及焊接接頭的宏觀形貌、金相組織特征，并測(cè)試了焊接接頭的維氏硬度（HV10）和焊接殘余應(yīng)力。結(jié)果表明：與普通脈沖MAG焊相比，在相近的焊接線能量（熱輸入）下，高頻脈沖的熔深增加20%～30%，焊接熱影響區(qū)（距焊趾處約12 mm）的殘余應(yīng)力降低約為11%～26%;與普通脈沖MAG焊相比，高頻脈沖MAG焊接頭呈較為理想的組織特征，焊縫中針狀鐵素體（AF）組織含量較多，熔合區(qū)不含側(cè)板條鐵素體（FSP）組織，先共析鐵素體（GBF）組織數(shù)量較少，其過(guò)熱區(qū)的晶粒粗化程度較小;兩種焊接方法獲得的焊接接頭的維氏硬度值均小于380 HV10，符合焊接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的要求。

關(guān)鍵詞：SMA490BW耐候鋼;高頻脈沖MAG深熔焊;殘余應(yīng)力;顯微組織;維氏硬度

中圖分類號(hào)：TG457.11 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）10-0065-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.10.13

0 前言

SMA490BW 耐候鋼具有較好的強(qiáng)度、塑性、韌性以及耐大氣腐蝕等綜合性能，是制造高速動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架的主要用鋼[1]。在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接生產(chǎn)過(guò)程中，某些焊縫受到焊接可達(dá)性限制（如焊接空間不足），只能實(shí)施單面焊雙面成形，即要求底層焊道完全熔透、熔合以及成形良好。目前，轉(zhuǎn)向架主要采用傳統(tǒng)脈沖（普通脈沖）MAG焊，在限制焊接熱輸入量的工藝要求下，普遍存在熔合不良、熔深不足的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)軌道交通裝備制造企業(yè)在改善根部熔合性、提高焊接熔深等方面進(jìn)行了相關(guān)的較為系統(tǒng)的研究[2-3]，如選用進(jìn)口焊機(jī)、進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)及接頭的綜合評(píng)定。但還需做進(jìn)一步深入的研究工作，比如熔深、焊接接頭的金相組織的具體數(shù)據(jù)對(duì)比等。

針對(duì)焊接材料和工藝對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接接頭組織和性能的影響，國(guó)內(nèi)專家學(xué)者也進(jìn)行了相應(yīng)的研究。結(jié)果表明，隨著焊接線能量的增加，焊接冷卻速度降低，針狀鐵素體數(shù)量明顯減少，會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闂l狀或塊狀鐵素體，熱影響區(qū)的晶粒粗化會(huì)導(dǎo)致其韌性下降[4]，國(guó)產(chǎn)焊絲CHW-55CNH可以代替進(jìn)口焊絲G424M21Z進(jìn)行SMA490BW耐候鋼的焊接，兩者對(duì)焊縫組織的影響差別不大，且拉伸試驗(yàn)均斷裂在母材上[5]。

與普通脈沖MAG焊相比，高頻脈沖MAG焊具有以下特點(diǎn)：①“一脈多滴”的熔滴過(guò)渡特點(diǎn)，使焊接速度更快，與普通脈沖MAG焊相比，焊接速度可提高約30%～40%;②弧柱收窄，具有壓縮電弧特性，增加了焊接熔深及電弧的穿透力;③小電流更穩(wěn)定，更適合立向下打底焊;④基本無(wú)焊接飛濺?；诖?，文中以T型接頭角焊縫為研究對(duì)象，選用高頻（高速）脈沖MAG焊焊接方法，使用改制的焊機(jī)進(jìn)行了深熔焊的工藝研究，并對(duì)焊接接頭的應(yīng)力、組織和性能進(jìn)行了相關(guān)評(píng)定，以實(shí)現(xiàn)大熔深、高質(zhì)量的焊接，為新的焊接工藝方法在高速動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接制造上的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用母材為厚度12 mm的SMA490BW耐候鋼板，焊接試板規(guī)格為350 mm×150 mm×12 mm，填充材料為直徑1.2 mm 的CHW-55CNH實(shí)心焊絲，母材和焊材的化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1所示。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 焊接工藝對(duì)比試驗(yàn)

選用在原有焊機(jī)基礎(chǔ)上改制的高頻脈沖MAG焊機(jī)及普通脈沖MAG焊機(jī)（選用“熔深控制-深熔模式”），搭配HCD500A-1擺動(dòng)式自動(dòng)焊接小車(chē)焊接試板，保護(hù)氣體選擇EN ISO14175 M21型氣體φ（Ar）80%+φ（CO2）20%，氣體流量 22 L/min。焊接工藝參數(shù)如表2所示。

1.2.2 焊接接頭綜合評(píng)定試驗(yàn)

參照GB/T 24179：2009“金屬材料殘余應(yīng)力測(cè)定壓痕應(yīng)變法”標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，用KJS-3型壓痕應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試距角焊縫焊趾處約12 mm的焊接熱影響區(qū)的殘余應(yīng)力，測(cè)試點(diǎn)選起弧部位、中間部位、收弧部位各1點(diǎn)，如圖1所示;參照EN ISO17639：2013標(biāo)準(zhǔn)，用Leica DMi8 A金相顯微鏡觀察金相組織，分析接頭顯微組織特點(diǎn);焊接接頭維氏硬度（HV10）的測(cè)試參照EN ISO9015：2011標(biāo)準(zhǔn)，用HVA-10A小維氏硬度試驗(yàn)機(jī)測(cè)試焊接接頭硬度，加載載荷10 kg，測(cè)試點(diǎn)如圖2所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊接接頭的宏觀形貌

焊接接頭的宏觀形貌如圖3所示。由圖3可知，高頻脈沖MAG焊、普通脈沖MAG焊根部及側(cè)壁熔合良好，未見(jiàn)裂紋、氣孔、夾雜類缺陷。值得注意的是，與普通脈沖MAG焊相比，高頻脈沖MAG焊的焊縫余高較小，熔深較大，根部熔深值高出約20%，側(cè)壁熔深值高出約30%，這是由于高頻脈沖MAG焊壓縮性電弧作用的原因。

2.2 焊趾處殘余應(yīng)力

距焊趾處約12 mm的熱影響區(qū)焊接殘余應(yīng)力如表3所示。與普通脈沖MAG焊相比，在相同位置，高頻脈沖MAG焊的焊接殘余拉應(yīng)力降低約在11%～26%。高頻脈沖焊的壓縮電弧使得電弧能量密度較高，焊接接頭的殘余應(yīng)力得以降低。

2.3 焊接接頭的金相組織和硬度

焊接接頭的顯微組織如圖4～圖6所示。由圖4可知，兩種焊接工藝條件下的焊縫顯微組織類型相似，為先共析鐵素體（GBF）、針狀鐵素體（AF）、少量粒狀貝氏體（BG）及珠光體（P）組織，高頻脈沖MAG焊焊縫中明顯含有數(shù)量較多的AF組織。

由圖5可知，熔合區(qū)的顯微組織類型有所不同。高頻脈沖MAG焊接頭熔合區(qū)的顯微組織為晶內(nèi)細(xì)條狀鐵素體（IGF）、AF及少量的GBF、BG和P組織;而普通脈沖MAG焊接頭熔合區(qū)的顯微組織為GBF、FSP及少量的IGF、BG和P組織;高頻脈沖MAG焊、普通脈沖MAG焊過(guò)熱區(qū)的組織特征是：晶粒較為粗大，晶內(nèi)為細(xì)條狀鐵素體（IGF）及少量BG和P組織，未見(jiàn)粗大的魏氏組織。

值得注意的是，兩種焊接工藝條件下接頭的組織特征有顯著不同，與普通脈沖MAG焊相比，高頻脈沖MAG焊接頭的組織特征較為理想，表現(xiàn)為：①焊縫金屬中含有更多的AF組織（見(jiàn)圖4）;②熔合區(qū)中無(wú)韌性很差的FSP組織，GBF組織數(shù)量也較少;③過(guò)熱區(qū)的晶粒粗化程度較?。ㄒ?jiàn)圖5）。高頻脈沖MAG焊接頭的這種組織特征會(huì)使接頭的韌性，尤其是低溫沖擊韌性明顯優(yōu)于普通脈沖MAG焊接頭。

針狀鐵素體（AF）組織是中溫組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，在本質(zhì)上可認(rèn)為是貝氏體（B）中鐵素體，長(zhǎng)寬比多為4∶1，形成溫度在600 ℃到貝氏體組織轉(zhuǎn)變點(diǎn)（BS）之間，是在中等冷卻速度下，且有氧化物夾雜作為形核質(zhì)點(diǎn)形成的，AF組織的增加可顯著改善焊縫金屬的韌性[6-8]。高頻脈沖MAG焊具有壓縮電弧的特性，與普通脈沖MAG焊相比，在相近的焊接線能量（熱輸入）下，可獲得更大的脈沖電弧能量密度[9]。當(dāng)普通脈沖電弧還是鐘罩形時(shí)，高頻脈沖電弧已經(jīng)呈現(xiàn)角錐形這一理想形狀，使得電弧能量密度增加，對(duì)熔池作用的范圍更大，不但增大了焊縫側(cè)面的熔深，還增大了焊接接頭的冷卻速度，使焊縫、熔合區(qū)金屬的800 ～500 ℃冷卻時(shí)間（t8/5）滿足更多的AF形成的窗口條件，熔合區(qū)中脆性的FSP組織難以形成，焊接熱影響區(qū)（HAZ）過(guò)熱粗晶區(qū)（CGZ）晶粒粗化程度得以降低。而一脈多滴的熔滴過(guò)渡形式使得對(duì)熔池沖擊作用的次數(shù)增多，增大了焊縫根部的熔深。高頻脈沖MAG焊工藝及接頭組織和性能還有待于后續(xù)的深入研究，如AF組織準(zhǔn)確的定量表征、焊接工藝窗口與組織和性能的關(guān)系等。

焊接接頭的硬度測(cè)試結(jié)果如表4所示。由表可知，焊接接頭的維氏硬度均小于380 HV10，符合焊接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)EN ISO15614：2017的要求。

3 結(jié)論

（1）無(wú)論普通脈沖MAG焊還是高頻脈沖MAG焊，焊縫金屬與母材金屬均熔合良好，接頭無(wú)裂紋、氣孔、夾雜類缺陷;在相近的焊接熱輸入下，高頻脈沖MAG焊的熔深大于選用“深熔模式”的普通脈沖MAG焊，根部熔深值比普通脈MAG焊沖高出約20%，側(cè)壁熔深值高出約30%。

（2）與普通脈沖MAG焊相比，高頻脈沖MAG焊接頭熱影響區(qū)的殘余焊接拉應(yīng)力降低約11%～26%。

（3）高頻脈沖MAG焊焊縫顯微組織類型與普通脈沖MAG焊接頭的組織類似，為先共析鐵素體（GBF）、針狀鐵素體（AF）、少量的粒狀貝氏體（BG）及珠光體（P）組織，高頻脈沖MAG焊焊縫中明顯含有數(shù)量較多的AF組織。

（4）高頻脈沖MAG焊接頭熔合區(qū)的顯微組織為晶內(nèi)細(xì)條狀鐵素體（IGF）、AF及少量的GBF、BG和P組織;而普通脈沖MAG焊接頭熔合區(qū)的顯微組織為GBF、FSP及少量的IGF、BG和P組織;高頻脈沖MAG焊熔合區(qū)中不含脆性的FSP組織，GBF組織的數(shù)量也較少。

（5）高頻脈沖MAG焊、普通脈沖MAG焊過(guò)熱區(qū)的組織特征是晶內(nèi)細(xì)條狀鐵素體（IGF）及少量BG和P組織，未見(jiàn)粗大的魏氏組織，且高頻脈沖MAG焊焊接熱影響區(qū)過(guò)熱區(qū)的晶粒粗化程度小于普通脈沖MAG焊。

（6）高頻脈沖MAG焊與普通脈沖MAG焊接頭的維氏硬度值均小于380 HV10，符合焊接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的要求。

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