機(jī)車牽引桿用鋼Q345E與16MnDR的平板對接時(shí)焊接性能研究與對比

沈安琪 李婧

摘 要：Q345E鋼和16MnDR鋼是機(jī)車常用鋼，16MnDR可在低達(dá)-40℃的環(huán)境中使用，在因此不僅在壓力容器、制冷、化工設(shè)備行業(yè)廣泛應(yīng)用、在車輛行業(yè)也得到了使用。16Mn DR鋼是以鐵素體為基的細(xì)晶粒鋼， 由于其碳含量低， 其他合金元素含量也不高， 碳當(dāng)量為0.46%左右， 淬硬和冷裂傾向小， 不易產(chǎn)生冷裂紋， 同時(shí)鋼中S， P等雜質(zhì)的含量也控制得較小， 所以也不易產(chǎn)生熱裂紋。

關(guān)鍵詞：機(jī)車牽引桿用鋼;焊接性能研究;平板對接

引言：Q345E這種低合金高強(qiáng)度鋼也因其優(yōu)良的焊接性能和抗低溫韌性在機(jī)車制造上得到普遍運(yùn)用。其碳當(dāng)量為0.416%，高于0.4%，存在一定淬硬性。但仍具有良好的焊接性能，由于少量Ni元素的加入，提高了材料的淬透性，但其含碳量控制的較低，因此具有一定的冷裂紋傾向，但并不嚴(yán)重。

從下表兩者化學(xué)成分對比可知，16MnDR較Q345E硅含量較高，硫含量更低。

一、試驗(yàn)材料及方法

本組試驗(yàn)?zāi)覆腝345E鋼（GB/T 1591—2008），尺寸350 mm×150 mm×12 mm的板材，填充材料為φ1.2mm規(guī)格的ER55-Ni1焊絲，平板對接。

母材16MnDR，試板尺寸350 mm×150 mm×12 mm，填充材料采用直徑φ1.2mm的ER50-6焊絲。焊絲化學(xué)成分見表2.1.

本試驗(yàn)采用林肯焊機(jī)進(jìn)行對接接頭的CO2焊，保護(hù)氣體為CO2氣體。開V形坡口，坡口面30°，鈍邊0.5～1mm，坡口及焊道布置如圖2.1、2.2。焊接裝配時(shí)始端間隙3mm，焊接終端4mm，預(yù)制反變形量為3°。需3層焊，每道次焊縫厚度的不同可通過電壓和電流調(diào)節(jié)，焊接參數(shù)如表2.2。焊接試件2組。分別編號為1-1、2-2。

焊接完成后，為了評定12mm厚的Q345E鋼和16MnDR鋼CO2焊后的焊接對接接頭性能的差異，本研究對焊接接頭進(jìn)行了各項(xiàng)試驗(yàn)檢測，具體試驗(yàn)項(xiàng)目、評定指標(biāo)及試樣數(shù)量如表2.3所示。

二、 試驗(yàn)結(jié)果及分析

1. 焊接接頭的宏觀形貌

圖3.1所示為采用CO2保護(hù)氣體在相同焊接工藝下進(jìn)行焊接的焊件對接接頭。

圖片可看出，兩種材料的對接焊縫成型優(yōu)秀，焊縫波均勻，飛濺不大，外觀無氣孔及咬邊。焊后對樣品進(jìn)行無損檢測，均未發(fā)現(xiàn)存在內(nèi)部缺陷。相比較而言，16MnDR試件焊縫較Q345E試件焊縫成型更好，焊縫尺寸更均勻，且余高不高。

焊縫橫截面金相試樣腐蝕后的形貌如圖3.2所示，通過觀察可以發(fā)現(xiàn)16MnDR焊接接頭都大致呈倒三角狀，熔合性均良好。相比較而言，焊縫呈“指狀”，并且斷面要窄一些，根部呈現(xiàn)水滴狀，熔深更大。而Q345E焊縫斷面要更寬，焊縫呈扁平形。綜合分析可知，16MnDR焊縫具有良好的熔合性、根部成型以及較高的焊接穿透性，因此相對于Q345E焊縫，要更加優(yōu)秀。

2.金相分析

圖3.3為焊件Q345E顯微組織，可以看出母材組織主要由鐵素體及少量珠光體組成。焊縫組織由針條狀鐵素體、粒狀貝氏體及少量索氏體組成。熱影響區(qū)金相組織為針條狀鐵素體、粒狀貝氏體和塊狀索氏體，焊接過程中的高溫從焊縫位置持續(xù)傳熱至熱影響區(qū)，奧氏體析出碳化物并轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w組織形成索氏體。

圖3.4為焊件16MnDR的顯微組織?？梢杂^察到，母材的成分是由細(xì)晶鐵素體和珠光體構(gòu)成。細(xì)晶鐵素體具有較高的強(qiáng)度和韌性，細(xì)晶鐵素體也叫貝氏鐵素體。珠光體具有良好的力學(xué)性能，對鋼的強(qiáng)度和韌性都有很大的影響，它是奧氏體發(fā)生其析轉(zhuǎn)變所形成鐵素體和滲碳體的層狀混合物。

焊縫區(qū)主要由針狀鐵素體、貝氏體和少量珠光體構(gòu)成。針狀鐵素體是合金鋼焊縫金屬中最希望得到的組織，它具有良好的抗塑性變形能力，能夠提高材料的強(qiáng)度和低溫韌性。

熱影響區(qū)中，較多的鐵素體、珠光體、側(cè)板條鐵素體和一定數(shù)量的貝氏體。

通過焊接接頭的金相觀察可以發(fā)現(xiàn)，16MnDR與Q345E的焊縫接頭顯微組織在晶粒大小和成分組成上大體相同，略有差異。二元混合氣體試件在熱影響區(qū)中，尤其是粗晶區(qū)，晶粒比較粗大，鐵素體絕大部分為塊狀先共析鐵素體，這主要是由于采用二元混合氣體進(jìn)行焊接時(shí)，由于CO2的含量較高，在焊接過程中熔池中液態(tài)金屬流動(dòng)性差，焊槍停留時(shí)間較長，導(dǎo)致熱輸入量增高，焊絲熔化率增高，冷卻速度較慢，導(dǎo)致在粗品區(qū)出現(xiàn)大量的粗大鐵素體。

3. 焊接接頭力學(xué)性能對比

分別對兩種材料焊接接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3.1，所有試樣均斷裂于母材，斷口呈韌窩韌性斷口。Q345E抗拉強(qiáng)度及下屈服強(qiáng)度較高，但斷面伸長率16MnDR鋼略高，塑性較好。

表3.2是焊接接頭沖擊試驗(yàn)結(jié)果對比。試樣采用V型缺口， 分別開在焊縫和熱影響區(qū) （距熔合線1.5mm處） 上。Q345E焊縫-40℃沖擊功的平均值為30.67J， 熱影響區(qū)沖擊功的平均值為49.67J。16MnDR焊縫室-40℃擊功的平均值為39.67J，側(cè)熱影響區(qū)室溫沖擊功的平均值為125 J，均高于Q345E鋼材接頭，擁有優(yōu)秀的低溫韌性。

焊接接頭的彎曲試驗(yàn)結(jié)果如表3.3所示，16MnDR有一組試樣出現(xiàn)裂紋，EN 15614-1—2017標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定彎曲試樣在任意方向上未出現(xiàn)>3 mm的缺欠則為合格，因此，所有彎曲試樣均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。表明兩類材料焊接接頭彎曲性能較好。

維氏硬度測試按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4340.1-2009進(jìn)行，硬度測試點(diǎn)位置如圖3.5所示，測試結(jié)果見表3.4。將表3.4中的數(shù)據(jù)投影至坐標(biāo)中得到圖3.6，該圖3.6中可以看出，Q345E的焊接接頭硬度變化較均勻，最大硬度位置均處于熱影響區(qū)，焊縫區(qū)域的硬度高于母材的。16MnDR焊縫區(qū)硬度明顯高與母材區(qū)，最大硬度與Q345E相近。

三、結(jié)語

1.兩種材料的對接焊縫成型優(yōu)秀，焊縫波均勻，飛濺不大。16MnDR焊縫具有良好的熔合性、根部成型以及較高的焊接穿透性，因此相較Q345E焊縫而言，更加優(yōu)秀。

2.兩種材料的焊縫及熱影響區(qū)的焊縫位置金相組織基本相似，由貝氏體、鐵素體和少量珠光體組成。

3.Q345E抗拉強(qiáng)度及下屈服強(qiáng)度較高，但斷面伸長率16MnDR鋼略高，塑性較好。

4.在沖擊試驗(yàn)中，16MnDR的焊縫及側(cè)熱影響區(qū)，在-40℃時(shí)沖擊功均高于Q345E鋼材接頭，擁有優(yōu)秀的低溫韌性。

5.維氏硬度結(jié)果顯示，兩種材料最大硬度相差不大，且位置均處于熱影響區(qū)，即焊縫區(qū)域的硬度高于母材的。Q345E的硬度變化較均勻。

參考文獻(xiàn)：

1. 邱葭菲，王瑞權(quán)，曹時(shí)增.16MnDR焊接工藝試驗(yàn)與分析[J].焊接技術(shù)，2013，42（11）：76-78.10.13846/j.cnki.cn12-1070/tg.2013.11.024.

2. 邱葭菲，王瑞權(quán)，曹時(shí)增.16MnDR焊接工藝試驗(yàn)與分析[J].焊接技術(shù)，2013，42（11）：76-78.10.13846/j.cnki.cn12-1070/tg.2013.11.024.