悉尼雙客轉(zhuǎn)向架制動吊座 對接全熔透焊縫工藝性分析

于傳穎 梁姝博 董明

摘要：針對悉尼雙客項(xiàng)目轉(zhuǎn)向架制動吊座鑄鋼G20Mn5與側(cè)梁S355J2W耐候鋼兩種材質(zhì)的X型對接全熔透焊縫工藝進(jìn)行工藝性分析，對焊縫接頭進(jìn)行拉伸、彎曲、沖擊和硬度機(jī)械性能檢測和宏觀金相結(jié)果分析。通過合理制定焊接工藝，對比分析對稱焊接與非對稱焊接的焊接工藝性在生產(chǎn)構(gòu)架上的試驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)出一套滿足質(zhì)量要求、輔助時間短且可操作性強(qiáng)的提質(zhì)增效的焊接工藝方法，實(shí)現(xiàn)了鑄鋼與耐候鋼異種材質(zhì)的對接全熔透焊接，為轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)提供了理論依據(jù)與經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向架;鑄鋼;對接;焊接工藝

中圖分類號：TG444+.2? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）01-0094-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.01.15

0? ? 前言

轉(zhuǎn)向架制動吊座作為車輛制動系統(tǒng)的基礎(chǔ)組成部分，在車輛運(yùn)行中承受高強(qiáng)載荷。悉尼雙客項(xiàng)目制動吊座區(qū)別于一般城鐵車之處是：（1）材質(zhì)不同。普通城鐵或高鐵車輛制動吊座與構(gòu)架同屬低碳鋼材質(zhì)，而悉尼雙客項(xiàng)目屬不同材質(zhì)。悉尼雙客項(xiàng)目中構(gòu)架為鋼板件，制動吊座為鑄鋼件，其連接焊縫屬異種材料焊接;（2）坡口形式不同。區(qū)別于以上兩種車型的單面HV或HY型坡口（見圖1a），悉尼雙客項(xiàng)目制動吊座焊縫屬X型坡口對接全熔透焊縫（見圖1b）;（3）熱輸入不同。為降低鑄鋼G20Mn5焊接接頭裂紋傾向[1-3]，焊接時熱輸入要小于一般碳鋼。難點(diǎn)在于較小熱輸入使鑄鋼G20Mn5母材難以熔化，因此與填充金屬熔合困難。在焊縫打底焊的磁粉檢測中，鑄鋼G20Mn5與焊縫金屬發(fā)生側(cè)壁未熔合缺陷較多，焊縫返修率極高。

為此，本研究針對悉尼雙客項(xiàng)目制動吊座G20Mn5與S355J2W異種材質(zhì)X型坡口對接全熔透焊縫進(jìn)行工藝分析，總結(jié)出一套提質(zhì)增效、完整可行的工藝方法，為轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)提供理論依據(jù)與經(jīng)驗(yàn)。

1? 試驗(yàn)材料和方法

1.1? 試驗(yàn)材料

G20Mn5屬于中碳鋼，焊接接頭熔敷金屬中碳含量較大，焊縫在結(jié)晶過程中更易形成淬硬組織，產(chǎn)生冷裂紋。選取符合EN 10213：2007的試驗(yàn)片，G20Mn5可能允許的最大碳當(dāng)量（CEV）為0.45%，碳當(dāng)量公式為：

CEV=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15

經(jīng)計(jì)算可得，G20Mn5試驗(yàn)片的碳當(dāng)量為0.34%～

0.66%，焊接工藝性較差，接頭淬硬傾向大，冷裂紋敏感性高，其化學(xué)成分如表1所示。

S355J2W耐候鋼屬低合金鋼，具有優(yōu)良的強(qiáng)韌、塑性、耐腐蝕、耐高溫、抗疲勞等性能，被廣泛用于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)中[5]。試驗(yàn)選用母材符合EN 10025-5：2004，化學(xué)成分如表2所示。

1.2 試驗(yàn)方法

接頭選取板厚14 mm，坡口角度60°，間隙0～

0.5 mm，鈍邊1±0.5 mm的X型坡口對接全熔透焊縫，如圖2所示。

采用ER70S-6實(shí)心焊絲[4-6]，保護(hù)氣體為18～

20 L/min的φ（Ar）82%+φ（CO2）18%混合氣。鑄鋼G20Mn5焊前預(yù)熱，預(yù)熱溫度125 ℃。焊道層間溫度小于250 ℃，焊縫層間修磨、背部清根，打底焊熱輸入值偏小，以減小裂紋傾向[7-8]，焊接參數(shù)見表3。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 拉伸性能

根據(jù)ISO15613：2004 及ISO15614-1：2017（E），對非對稱焊接接頭進(jìn)行機(jī)械性能試驗(yàn)及分析。焊接接頭室溫下拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表4。焊后，鑄鋼G20Mn5熱影響區(qū)位置淬硬性增大，塑性變形能力減弱。接頭抗拉強(qiáng)度高于母材G20Mn5和S355J2W，滿足要求。

2.2 彎曲性能

試驗(yàn)片焊接接頭室溫下彎曲試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。彎曲后，接頭處未發(fā)現(xiàn)裂紋。

2.3 沖擊性能

試驗(yàn)片焊接接頭-20 ℃沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明，焊縫金屬區(qū)、母材G20Mn5熱影響區(qū)、母材G20Mn5、母材S355J2W熱影響區(qū)、母材S355J2W沖擊吸收功分別為130 J、97 J、101 J、113 J、134 J，均高于構(gòu)架沖擊功標(biāo)準(zhǔn)值。

2.4 硬度試驗(yàn)

檢測位置選取距試驗(yàn)片焊縫橫截面上下表面各3 mm的水平位置處。硬度試驗(yàn)結(jié)果如表6所示，可以看出焊縫熱影響區(qū)處硬度最高，G20Mn5母材位置硬度次之，S355J2W母材位置硬度最小，硬度最大值小于ISO15614-1：2004標(biāo)準(zhǔn)允許的硬度最大值，符合標(biāo)準(zhǔn)要求，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

2.5 宏觀金相

對磁粉檢測、超聲波檢測合格的焊接接頭進(jìn)行宏觀金相檢測，如圖3所示，焊角飽滿、未見內(nèi)部缺陷。

3 焊接工藝性

在試驗(yàn)構(gòu)架焊接中，制動吊座X型對接焊縫采用對稱與非對稱焊接兩種焊接工藝。對比分析兩種焊接方式的工藝可操作性，為后續(xù)轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)提供參考。

3.1 對稱焊接

首先將制動吊座立筋與側(cè)梁立板點(diǎn)固焊接，約束制動吊座焊接變形并保證制動吊座與側(cè)梁連接穩(wěn)固，非對稱焊接亦然。在對稱焊接工藝中，焊接順序與點(diǎn)固如圖4所示，數(shù)字標(biāo)注順序即為焊接順序。即在X型坡口單側(cè)進(jìn)行打底焊1后，翻轉(zhuǎn)構(gòu)架，背面清根兼磁粉檢測。檢測無缺陷后進(jìn)行打底2、填充3。待焊件冷卻后二次翻轉(zhuǎn)試件完成填充4、蓋面5。最后三次翻轉(zhuǎn)構(gòu)架完成蓋面6，并對完整焊縫進(jìn)行超聲波探傷檢測。

試驗(yàn)表明，采用此方式焊接時需正反翻轉(zhuǎn)構(gòu)架3次，輔助時間長，生產(chǎn)效率低。經(jīng)過對試驗(yàn)構(gòu)架4個制動吊座上下8條對接焊縫打底焊1的磁粉檢測結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，有3條焊縫存在不同長度的連貫的側(cè)壁未熔合，未熔合均在鑄鋼G20Mn5母材一側(cè)，缺陷率為37.5%。在對缺陷進(jìn)行打磨清除的過程中，打磨深度或接近于打底焊熔深，易造成打底焊開裂或磨穿焊縫，可操作性差，不建議采用。

3.2 非對稱焊接

非對稱焊接相比對稱焊接調(diào)整了焊道順序，探傷工序不變。如圖5所示，數(shù)字標(biāo)注順序即為焊接順序。單側(cè)坡口打底1、填充2、蓋面3，翻轉(zhuǎn)構(gòu)架，進(jìn)行焊縫清根1，清根后磁粉檢測，檢測合格完成焊縫焊接4、5、6。整體焊接完成后，進(jìn)行100%超聲波探傷檢測，若檢測焊縫中存在內(nèi)部缺陷，則對焊縫進(jìn)行修補(bǔ)，重新探傷檢測直至合格。

對整體焊縫進(jìn)行100%超聲波檢測中發(fā)現(xiàn)，缺陷多出現(xiàn)在距焊縫表面8～10 mm的X型坡口中間層位置，即打底焊1位置。使用砂輪片將缺陷位置剖開后觀察，缺陷顯示為鑄鋼G20Mn5間斷性側(cè)壁未熔合。為消除缺陷，背面焊縫清根時改變原有“ V ”型坡口打磨至“ U ”型，打磨深度1～3 mm，打磨后坡口深度8～10 mm。增加的“ U ”型坡口清根方式打磨范圍更大、深度更深、更能清除徹底潛在缺陷，減少焊縫內(nèi)部缺陷，減小焊縫返修，優(yōu)化焊縫質(zhì)量。

經(jīng)過對試驗(yàn)構(gòu)架4個制動吊座上下8條對接焊縫的磁粉檢測結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，磁粉檢測合格率為87.5%，較對稱焊接提升50%，具有應(yīng)用推廣價值。而后對磁粉檢測合格的7條焊縫進(jìn)行100%超聲波探傷檢測，合格率100%。且選用非對稱焊接方式翻轉(zhuǎn)構(gòu)架一次，輔助時間小于對稱焊接。綜合對比分析，非對稱焊接工藝方法焊縫質(zhì)量好，生產(chǎn)效率高，工藝性更好。

4 結(jié)論

（1）焊接參數(shù)滿足工藝評定要求。接頭具有良好的機(jī)械性能，磁粉探傷檢測合格，宏觀金相無缺陷。

（2）非對稱焊接焊縫背部清根時將坡口打磨至“ U ”型能夠減少焊縫內(nèi)部缺陷，磁粉檢測合格率為87.5%，較對稱焊接提升50%，磁粉檢測合格的焊縫超聲波探傷檢測合格率100%。

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