焊前預熱對40Cr鋼脈沖冷焊接頭組織和性能影響

摘要： 為實現轉向架牽引拉桿的高性能修復，采用焊前局部低溫預熱方法對40Cr調質鋼脈沖冷焊堆焊修復接頭組織及性能的影響進行了研究。通過金相、顯微硬度、拉伸試驗及側彎試驗，對比分析室溫、預熱條件下堆焊修復接頭組織及性能，研究焊前低溫預熱工藝對接頭組織及性能的改善機理。結果表明，預熱條件下堆焊接頭與室溫接頭組織大體相似，其主要區(qū)別在于完全淬火粗晶區(qū)有貝氏體的生成。與室溫對比，預熱后完全淬火粗晶區(qū)硬度高點降低62 HV，回火區(qū)硬度降低30 HV左右；堆焊層及熱影響區(qū)的抗拉強度降低了2%左右。通過采取100 ℃的焊前預熱，對40Cr脈沖冷焊接頭強度影響不大，僅略微下降，但補焊層硬度得以改善，最高點下降到符合ISO15614的規(guī)定，可以用于牽引拉桿內孔局部缺陷的修復。

關鍵詞： 脈沖冷焊；40Cr；牽引拉桿；顯微組織；性能

中圖分類號： TG 455

Effect of preheating before welding on the microstructure and properties of 40Cr steel pulse cold welding joint

YU Changyuan1，LIU Deyi1， 2

（1. School of Materials Science and Engineering， Dalian Jiaotong University， Dalian， 116028 Liaoning， China; 2. Key Laboratory of Key Materials of Rail Transit in Liaoning Province， Dalian， 116028 Liaoning， China）

Abstract： In order to realize the high-performance repair of traction tie rods， the effect of local low-temperature preheating method before welding on the microstructure and properties of 40Cr quenched and tempered steel pulse cold surfacing joints was studied. The microstructure and properties of the weld repair joints under the conditions of preheating and non-preheating were compared and analyzed， and the improvement mechanism of the microstructure and properties of the joints by the low-temperature preheating process before welding was studied through metallographic， microhardness， tensile and lateral flexure tests. The results show that the structure of the surfacing joint is similar to that of the joint at room temperature under the preheating condition， and the main difference is the formation of bainite in the coarse grain area of complete quenching. Compared with room temperature： after preheating， the high point of hardness of the coarse grain zone is reduced by 62 HV， and the hardness of the tempering zone is reduced by about 30 HV; The tensile strength of the overlay and heat-affected zone has been reduced by about 2%. By taking 100 ℃ preheating before welding， the strength of the 40Cr pulse cold welding joint is not affected， and only slightly decreased， but the hardness of the repair welding layer is improved， and the highest point is reduced to meet the requirements of the ISO15614， which can be used to repair the local defects in the inner hole of the traction tie rod.

Key words： pulse cold welding; 40Cr; towing tie rod; microstructure; properties

0 前言

轉向架是軌道車輛的核心走行組件，對行車安全至關重要。轉向架上的牽引拉桿由40Cr鋼鍛件制造，通過其端部圓孔與橡膠關節(jié)壓裝配合并與其它部件實現連接和承載。軌道車輛按修程檢修時常常發(fā)現牽引拉桿內孔表面有腐蝕、氧化、拉傷等局部缺陷，其它部位完好，有局部修復價值，避免整體換新會造成巨大浪費。但由于40Cr材質焊接性較差［1-2］，采用傳統(tǒng)電弧焊方法修復困難。因此，選擇合適的再制造方法和探尋合適的修復工藝對軌道車輛檢修具有重要的參考價值［3］。

牽引拉桿內孔局部缺陷的修復除了40Cr材質焊接性差的問題外，還存在以下兩個限制條件：軌道車輛部件的焊接需按EN15085和ISO15614的規(guī)定執(zhí)行［4-5］；壓裝裝配要求必須保證牽引拉桿圓孔的尺寸和形位公差。為降低修復過程造成的整體變形，無法進行焊前高溫預熱和焊后熱處理恢復性能，只能采用低熱輸入焊接方法［6-8］。

鑒于上述限制，許多文獻［9-11］報導的焊接方法和工藝可以實現40Cr材質的堆焊修復，但都不適合牽引拉桿局部缺陷修復再制造的工況。文獻［12-13］提出采用精密脈沖冷焊方法可以在無預熱和后熱的條件下實現牽引拉桿局部缺陷的堆焊修復。該方法具有對母材的熱輸入低，焊后變形小，熱影響區(qū)范圍窄等獨特的優(yōu)勢。然而從其研究結果看，由于脈沖冷焊快速加熱和快速冷卻的工藝特點，堆焊層和熱影響區(qū)必然產生馬氏體組織，特別是熱影響區(qū)最高硬度接近500 HV，按ISO15614規(guī)定，40Cr材質焊接區(qū)最高硬度應不高于450 HV，工藝過程尚需優(yōu)化。文中在文獻［12-13］的基礎上，嘗試采取小幅低溫預熱的措施進行40Cr材質的脈沖冷焊堆焊，降低焊接區(qū)的硬度高點，為牽引拉桿內孔局部缺陷的修復提供試驗依據。

1 試驗材料及方法

試驗中采用的40Cr板材經過鍛造和調質處理。調質后硬度為HRC 30，抗拉強度為970 MPa。加工成200 mm×150 mm×16 mm的試板，沿平行于寬度方向，采用R10棒狀銑刀預制深度為2 mm的溝槽缺陷，如圖1所示。堆焊修復焊材選用直徑為1.2 mm的ER80S-G焊絲，板材及焊絲成分如表1所示。

為研究預熱工藝對40Cr調質鋼脈沖冷焊修復接頭組織與性能的影響，分別在室溫和預熱100 ℃的情況下對其進行冷焊修復，預熱方式將試件置于加熱圈中加熱至100℃后，同樣采用HB-L6型冷焊機對試件進行脈沖冷焊修復，且該預熱方法在實際工程中被普遍應用。焊接工藝參數如表2所示，堆焊修復需要多層多道才能將預制缺陷填滿，多層多道焊接順序如圖2所示，依次將焊道填滿，且層間溫度不能低于預熱溫度。堆焊后參照ISO15614-7的要求，在板堆焊試件相應位置進行取樣，并進行宏觀和顯微組織分析并結合橫向側彎考察堆焊結合質量。通過硬度分布測試分析開裂傾向，彎曲試件尺寸根據ISO5173截取標準試樣，靠模直徑計算方式根據ISO15614的規(guī)定，計算得

出直徑為50 mm。拉伸試驗參照 GB/T228進行，首先沿垂直于堆焊方向裁條，銑平堆焊余高，按挖補深度2 mm 切取補焊層拉伸試樣，熱影響區(qū)拉伸試樣在挖補層下方2 mm 范圍內切取，所有拉伸試樣厚度統(tǒng)一定為2 mm。通過拉伸試驗測試堆焊層的強度和焊接熱循環(huán)對熱影響區(qū)性能的影響。

2 試驗結果與分析

2.1 微觀組織分析

2.1.1 室溫下堆焊接頭組織

圖3為室溫條件下脈沖冷焊焊接所得到的堆焊修復接頭顯微組織。由圖3（a）可以看出，在室溫無預熱條件下，接頭焊縫整體成型良好，不同堆焊層之間連接致密，無裂紋產生，且焊接過程穩(wěn)定，未發(fā)現明顯的飛濺及氣孔等缺陷。根據其形貌特征，可以將接頭橫截面分成堆焊層、完全淬火粗晶區(qū)、完全淬火細晶區(qū)、不完全淬火區(qū)、回火區(qū)及母材等區(qū)域，如圖3（b）、3（c）、3（d）、3（e）所示。

圖3（b）為接頭的堆焊層，其主要由焊絲填充所得，成分與焊絲相近。焊縫組織以馬貝混合組織為主，并伴有有少量針狀鐵素體和珠光體。

圖3（c）為堆焊層下方的熔合區(qū)，該區(qū)域母材融化較少，且熱量會通過半熔化區(qū)快速傳遞至母材，從而產生極快的冷卻速率，獲得一層淬硬馬氏體。

圖3（d）上半部分為緊靠熔合區(qū)的完全淬火粗晶區(qū)，其為從半熔化晶粒開始（其峰值溫度為固相線），向基體內部方向降至1 100 ℃左右范圍內所形成的粗大淬火晶粒。這一區(qū)域相較于熱影響區(qū)的其它微區(qū)更靠近熱源，經歷的溫度高，高溫停留時間長，奧氏體晶粒長大，冷卻后得到相對粗大的馬氏體組織。

圖3（d）下半部分為緊鄰淬火粗晶區(qū)的完全淬火細晶區(qū)，其在焊接過程中加熱峰值溫度范圍為1 100 ℃～Ac3。該區(qū)域在加熱過程中全部轉變?yōu)閵W氏體，但高溫停留時間短，在冷卻過程中發(fā)生固態(tài)相變得到細小的馬氏體組織。圖3（d）上半部分為緊靠完全淬火細晶區(qū)的為不完全淬火區(qū)，其在焊接過程中加熱的峰值溫度范圍為Ac3～Ac1。在這個溫度范圍內，鐵素體在快速加熱的條件下大部分鐵素體保持形態(tài)不變，只是發(fā)生不同程度的長大；部分珠光體組織在加熱過程中轉變?yōu)閵W氏體，然后在隨后的冷卻過程中轉變?yōu)轳R氏體。因此，該區(qū)域最終形成馬氏體-鐵素體的混合組織。圖3（e）圖下部分為靠近母材的回火區(qū)，該區(qū)域在焊接過程中峰值溫度達不到相變點Ac1，焊接熱循環(huán)后相當于對該區(qū)域進行了一次高溫度的回火，碳化物析出更充分。

2.1.2 預熱條件下堆焊接頭組織

堆焊修復接頭顯微組織。由圖4（a）可以看出在預熱條件下的接頭整體成型也較為良好，無明顯缺陷。根據其顯微組織特征，同樣可將堆焊接頭組織分為堆焊區(qū)、完全淬火粗晶區(qū)、完全淬火細晶區(qū)、不完全淬火區(qū)、回火區(qū)及母材。

圖4（b）為預熱條件下堆焊層組織，其與室溫下的堆焊層組織較為一致，且以馬氏體-貝氏體混合為主，同樣混有少量針狀鐵素體和珠光體。圖4（c）同樣為堆焊層下方的熔合區(qū)，組織與室溫堆焊接頭熔合區(qū)一致，只有一層淬硬馬氏體。由于預熱導致熱輸入的增加，所形成的熱影響區(qū)比室溫下接頭的熱影響區(qū)寬200 μm左右。圖4（d）上半部分為緊靠熔合區(qū)的完全淬火粗晶區(qū)，由于高溫奧氏體晶粒粗大，冷卻后表現為淬火條件下的粗大組織。其與室溫情況下相比，由于預熱的原因，高溫停留時間更長，奧氏體晶粒長大趨勢增加，冷卻后得到相對粗大的馬氏體組織并伴有一定的貝氏體產生，如圖5所示。

圖4（d）下半部分為緊鄰完全淬火粗晶區(qū)的完全淬火細晶區(qū)，其在焊接過程中加熱峰值溫度范圍為1 100 ℃～Ac3，該區(qū)域在加熱過程中全部轉變?yōu)閵W氏體。相較于室溫下接頭組織，預熱使高溫停留時間較室溫下停留長，所以該區(qū)域的熱影響區(qū)寬度要比室溫下的熱影響區(qū)寬50～100 μm，冷卻過程中同樣發(fā)生固態(tài)相變得到細小的馬氏體組織。

圖4（e）為不完全淬火區(qū)，其在焊接過程中加熱的峰值溫度范圍為Ac3～Ac1，大部分鐵素體形態(tài)仍保持不變，只是發(fā)生不同程度的長大；而珠光體和貝氏體等組織在加熱過程中轉變?yōu)閵W氏體，并在后續(xù)的冷卻過程中同樣轉變?yōu)轳R氏體。因此，該區(qū)域最終也同樣形成馬氏體-鐵素體的混合組織。圖4（f）為靠近母材的回火區(qū)組織，其在焊接過程中峰值溫度達不到相變點Ac1，但其會比室溫情況下回火時間更長，該區(qū)域碳化物析出更為充分，如圖6所示。

2.2 顯微硬度分析

圖7為室溫與100 ℃預熱條件下堆焊接頭堆焊層至母材側的顯微硬度分布。如圖所示，室溫下堆焊接頭顯微硬度分布曲線呈現出先升高后降低，并在母材側趨于穩(wěn)定的分布特征。堆焊層的硬度由熱影響區(qū)向堆焊層表面方向，呈下降趨勢。這是因為焊接過程采用多層多道焊，熔合線位置附近為母材與焊材的第一層混合區(qū)，母材中的Cr元素與含碳量較高，Cr元素與含碳量的增加，會使鋼材的強度和硬度提高。在焊接過程中，母材中的元素會向堆焊層中擴散，且堆焊層區(qū)域離熔合線越遠，母材擴散的元素濃度越低，所以硬度曲線上從熱影響區(qū)到堆焊層表面區(qū)域，焊縫硬度呈現出下降趨勢。熱影響區(qū)中在完全淬火粗晶區(qū)達到硬度最高點492 HV。熱影響區(qū)靠近母材的回火區(qū)則達到硬度最低點275 HV，這是因為該區(qū)域溫度相當于經歷了二次回火，硬度略低于母材。

預熱堆焊接頭的顯微硬度曲線整體趨勢與室溫下堆焊接頭顯微硬度相對一致，但在預熱的影響下M5iLoSR4TOJsZ8HaqPYEZ47gN0FaZur+liX1xjOL5ow=，焊后冷卻速度較慢，硬度最高點所對應的完全淬火粗晶區(qū)馬氏體較為粗大，并伴有少量的貝氏體，進而導致該區(qū)域的硬度有所下降，最高值降低到430 HV。相較于室溫接頭完全淬火粗晶區(qū)組織顯微硬度降低62 HV左右。預熱后的熱影響區(qū)硬度整體低于室溫下熱影響區(qū)的硬度，并在回火區(qū)達到硬度最低點246 HV。經過預熱，回火區(qū)在回火溫度停留時間更長，α-Fe中固溶的碳就會明顯減少，使得碳固溶強化的作用大大減弱，并且會導致滲碳體的粗化，所以，預熱后的回火區(qū)硬度要比室溫下低30 HV左右。

2.3 彎曲性能分析

圖8為室溫及100 ℃預熱條件下接頭彎曲性能檢測結果。根據ISO15614規(guī)定，40Cr材質彎曲試驗只需彎曲120°即可。試驗過程中，試件的任何方向不得出現＞3 mm的單缺陷。試件邊角處出現的缺陷在評定時應忽略不計，且彎曲試樣尺寸、彎曲試驗靠模直徑、彎曲試樣取樣位置均符合ISO15614標準。因此，雖然兩組試件上可以觀察到邊緣略微變形不協(xié)調，但均可認定為彎曲性能合格。并且由兩組試件的比較看，預熱試件邊緣不協(xié)調程度有所減輕，這應該與預熱使焊接區(qū)的硬度降低有關。硬度降低后塑性變形能力略有提高。

2.4 拉伸性能分析

為對比室溫及100 ℃預熱條件下堆焊的補焊強度和對熱影響區(qū)性能的影響程度，對帶補焊層試樣和純熱影響區(qū)的試樣進行了拉伸試驗，結果如圖9所示。室溫下帶堆焊層試樣的抗拉強度為930 MP，熱影響區(qū)抗拉強度為957 MPa；焊前預熱試件的相應抗拉強度分別為910 MPa和941 MPa?？梢?，焊前預熱后，試件的抗拉強度略有下降，這應該與預熱后母材熱容量相對降低和散熱速度變慢有關。預熱后堆焊層在冷卻過程中的馬氏體量相對減少，導致堆焊層的強度有所下降；熱影響區(qū)的組織上也有所變化，完全淬火粗晶區(qū)生成少量貝氏體，回火區(qū)的回火時間較室溫下經歷更長，α-Fe中固溶的碳就會明顯減少，使得碳固溶強化的作用大大減弱，回火區(qū)的強度有所降低。雖然預熱使補焊強度和熱影響區(qū)強度略有降低，但幅度較小，僅為2%左右，能夠滿足使用要求，同時硬度高點降到了450 HV以下，符合ISO15614的相關規(guī)定，用于牽引拉桿內孔局部缺陷修復的可行性大大提升。

3 結論

（1）室溫脈沖冷焊接頭堆焊層以馬貝混合組織為主，混有少量針狀鐵素體和珠光體；完全淬火粗晶區(qū)為粗大的馬氏體組織；完全淬火細晶區(qū)為細小的馬氏體組織；不完全淬火區(qū)為馬氏體-鐵素體的混合組織；回火區(qū)為回火索氏體。預熱條件下堆焊接頭與室溫接頭大體相似，其主要區(qū)別在于完全淬火粗晶區(qū)為粗大的馬氏體組織并伴有貝氏體生成。

（2）室溫和預熱堆焊接頭的硬度最高點都在完全淬火粗晶區(qū)。室溫下最高硬度達492 HV，預熱后最高硬度降為430 HV，滿足ISO15614規(guī)定的不超多450 HV的要求，且彎曲過程中塑性變形能力也略有提高。

（3）雖然預熱后，補焊強度和熱影響區(qū)強度都有所降低，但降低幅度較小，僅為2%左右，滿足使用要求，可見焊前小幅低溫預熱提高了脈沖冷焊用于牽引拉桿內孔局部缺陷修復的可行性。

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收稿日期： 2024-08-20

于長遠簡介： 1999年出生，碩士研究生，主要從事焊接修復方面的研究