武永壽，劉擁軍，馬 寅

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.西南交通大學焊接研究所，四川成都610031）

環(huán)境溫度對Q345C鋼MAG焊接頭力學性能的影響

武永壽1，劉擁軍2，馬 寅1

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.西南交通大學焊接研究所，四川成都610031）

對軌道車輛材料Q345C低合金結構鋼MAG焊接頭進行了常溫、低溫（0℃、-10℃、-20℃、-30℃、-40℃）力學性能試驗，包括拉伸試驗、彎曲試驗、沖擊試驗，得到力學性能隨溫度的變化規(guī)律，同時測量了接頭硬度分布，分析了接頭硬度分布規(guī)律，觀察了接頭金相組織。研究結果表明，隨環(huán)境溫度下降，其抗拉強度和屈服強度均有所提高，但伸長率和斷面收縮率變化不大，沖擊吸收功明顯降低；Q345C焊接接頭有較大的低溫冷脆傾向；對在低溫環(huán)境條件下服役的Q345C低合金結構鋼，需重點考慮其低溫冷脆傾向。

轉向架；Q345C鋼；焊接接頭；低溫性能；環(huán)境溫度

0 前言

Q345系列低合金結構鋼是軌道車輛轉向架制造的主要材料[1]，轉向架的質量直接關系軌道車輛的安全、穩(wěn)定運行。目前服役的CRH型動車組運行的環(huán)境溫度設計要求為-25℃～40℃，而東北地區(qū)鐵路沿線近30年來氣象記錄最低溫度已達-37.3℃，這已超出了CRH型動車組運行的最低設計溫度[2]，因此要求轉向架焊接構架必須在低溫環(huán)境條件下具有良好的力學性能。在現有熔化焊工藝條件下，焊接接頭作為轉向架構架中最為薄弱的環(huán)節(jié)，其質量直接關系整個構架安全。由于低溫環(huán)境下焊接接頭的組織和性能明顯變化，深入研究焊接接頭在低溫下的組織和性能[3]，特別是焊接接頭的低溫韌性[4]就顯得尤為重要。本研究主要研究環(huán)境溫度對Q345C低合金鋼MAG焊接頭低溫力學性能的影響，為轉向架構架設計提供必要依據。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗選用軌道車輛轉向架用Q345C低合金結構鋼板，尺寸規(guī)格為350 mm×150 mm×12 mm，供貨狀態(tài)為熱軋狀態(tài)，試件開單邊30°V型坡口，采用對接接頭形式，焊接位置為平焊位。焊接材料選用CHW-50C6焊絲，直徑φ1.2 mm；保護氣體選用二元混合保護氣體φ（Ar）80％+φ（CO2）20％。試驗材料的化學成分見表1，經檢測，Q345C母材室溫（25℃）平均抗拉強度為524 MPa。

表1 試驗材料的化學成分Tab.1Chemical composition of the experimental materials ％

1.2 試驗方法

試驗所選焊接工藝為MAG多層多道焊，保護氣體采用φ（Ar）80％+φ（CO2）20％，接頭形式為對接，坡口主要尺寸及焊接順序如圖1所示。

圖1 坡口主要尺寸及和焊接順序Fig.1Weld size and weld sequence

焊接完成后進行磁粉、超聲等無損檢測，判定試樣是否存在焊接缺陷，檢驗合格后進行去應力退火處理，然后進行力學性能試樣的加工和試驗。其中，拉伸、彎曲、沖擊試驗則分別在室溫、0℃、-10℃、-20℃、-30℃、-40℃條件下完成，金相、硬度試驗在常溫條件下完成。

2 焊接接頭組織及力學性能結果分析

2.1 焊接接頭拉伸試驗

參照標準GB/T 2651-2008，拉伸試樣加工如圖2所示。拉伸試驗時，在每個溫度條件下試驗兩件，并取其平均值作為該溫度條件下的測試值。

圖2 低溫拉伸試樣Fig.2Low temperature tensile sample

低溫拉伸試驗在低溫環(huán)境試驗箱中進行，采用液氮作為冷卻介質，配以酒精調節(jié)試驗溫度，試驗溫度采用智能溫度控制儀進行監(jiān)控，試驗設備如圖3所示。所有試驗試樣需在低溫環(huán)境箱內保溫10 min以上才能進行試驗，并且在試驗過程中保證環(huán)境溫度偏差在±2℃內。拉伸試樣以5 mm/min恒定速率進行試驗。

圖3 拉伸試驗設備Fig.3Equipment for tensile test

通過拉伸試驗，得到室溫、0℃、-10℃、-20℃、-30℃、-40℃等6種溫度條件下，Q345C鋼MAG焊接頭的抗拉強度Rm、屈服強度ReL、伸長率A、斷面收縮率Z?？估瓘姸取⑶姸入S溫度的變化如圖4所示。

由圖4a可知，Q345C鋼MAG焊接頭抗拉強度隨著試驗溫度的降低呈上升趨勢；當溫度從25℃降至-10℃時，抗拉強度均值提高幅度最大，提高了10.4％，表明-10℃時對接頭性能產生了較明顯的影響；當溫度從-10℃降至-40℃時，抗拉強度均值呈

現出上下波動趨勢。但在整個試驗溫度范圍內，仍呈上升趨勢；從25℃降至-40℃，抗拉強度提高了8.3％；抗拉強度最低值為室溫的496.59 MPa，滿足設計要求值470～630 MPa。

圖4 Q345C鋼接頭強度-溫度變化曲線Fig.4Curve of the relationship between strength and temperature

由圖4b可知，接頭的屈服強度均值隨試驗溫度的下降而呈升高趨勢；當溫度從25℃降至0℃時，屈服強度均值提高幅度最大；當溫度從0℃下降至-40℃過程中，屈服強度值變化不大，但整體呈上升趨勢；從25℃降至-40℃，屈服強度提高了7.4％，表明溫度降低對屈服強度的影響程度不如抗拉強度；屈服強度最小值為室溫的377.06 MPa，也達到了設計要求值（≥345 MPa）。

由圖4可知，環(huán)境溫度的降低對提高焊接接頭強度有利。文獻[5]認為：其原因是該種材料均屬于體心立方金屬。而體心立方金屬的派-納力對溫度很敏感，隨著溫度降至室溫之下，派-納力會急劇的升高。此外，材料在低溫條件下發(fā)生位錯運動阻力增加，從而使材料抵抗變形的能力增強。兩者綜合作用，使接頭強度隨溫度降低而提高。

此外，試驗結果還發(fā)現，隨著溫度從25℃降低至-40℃，焊接接頭的伸長率和斷面收縮率變化不明顯，表明環(huán)境溫度對材料的塑性影響不大；伸長率和斷面收縮率是材料的塑性指標，伸長率約26％，斷面收縮率約61％，塑性指標滿足設計要求。

2.2 焊接接頭彎曲性能檢驗

參照標準GB/T2653-2008，彎曲試驗在WDW-200電子拉力試驗機進行，兩個面彎、兩個背彎。試驗結果表明，在不同試驗溫度下，所有試樣經過180°冷彎后沒有出現開裂，說明焊接接頭在各試驗溫度條件下都具有良好的抗變形能力。

2.3 焊接接頭沖擊試驗

沖擊試驗參照標準GB/T2650-2008在JBN-300型沖擊試驗機進行。沖擊試樣大小為10 mm×10 mm× 55 mm，開V形缺口，缺口位置分別在母材、焊縫中心、熱影響區(qū)。經試驗得到每個試樣沖擊吸收功，然后取平均值，并繪制成曲線如圖5所示。

由圖5可知：①試驗溫度在24℃～-40℃時，Q345C鋼母材、焊縫及熱影響區(qū)的沖擊吸收功隨溫度的降低而減小，且趨勢很明顯；②試驗溫度從24℃降至-40℃時，母材、熱影響區(qū)沖擊吸收功減小幅度分別為35％、31％。而焊縫中心沖擊吸收功減小幅度達48％，表明Q345C鋼MAG焊接頭已經表現出較大的低溫冷脆傾向；③三者在0℃時沖擊吸收功都遠遠超過設計所要求的34 J，表明接頭具有良好的低溫沖擊韌性，分析認為其原因是焊縫熔敷金屬中含有可以提高鋼低溫韌性的合金元素Mn、Ni，且母材金屬中含有細化晶粒元素Nb、V，在一定的含量范圍內，能改善焊縫金屬的沖擊韌性，使接頭具有良好的綜合力學性能。由此可見，在焊絲中加入了一些微量元素，可以細化晶粒，提高焊縫金屬的力學性能，特別是低溫的沖擊韌性。因此，Q345C低合金結構鋼在-40℃已經表現出相當的低溫冷脆傾向，在實際生產中要盡可能選用合金含量足夠的焊絲，關注環(huán)境溫度對Q345C低合金結構鋼性能的影響

2.4 焊接接頭硬度測試

參照標準GB/T 2654-2008，采用HVS-30型數顯維氏硬度計對焊接接頭進行硬度測量，得到接頭蓋面層不同區(qū)域硬度分布如圖6所示。

由圖6可知，接頭硬度值分布規(guī)律為熱影響區(qū)

最大，焊縫次之，母材最小，其中熱影響區(qū)硬度為170～230 HV，焊縫硬度為170～190 HV，母材硬度為150～160 HV。熱影響區(qū)硬度最高是由于熱影響區(qū)的組織晶粒變大；焊縫區(qū)域硬度高于母材硬度是因為采用高匹配焊絲的緣故。最高硬度出現在熱影響區(qū)靠近熔合線附近，最高硬度值為228HV，這是由于該區(qū)域晶粒粗大的緣故，同時也表明該區(qū)域在低溫環(huán)境下最可能產生脆性破壞。

圖5 沖擊功-溫度變化曲線Fig.5Curve of the relationship between impact power and temperature

圖6 對接接頭硬度分布Fig.6Microhardness distribution of welded joint

2.5 焊接接頭金相組織

參照標準GB/T2650-2008對母材、接頭分別取樣，并對所取試樣進行磨光、拋光，然后使用4％硝酸酒精溶液侵蝕、清洗并吹干，置于卡爾蔡司A1m顯微鏡上進行金相組織觀察。其金相組織如圖7所示。

如圖7a所示，焊縫組織為柱狀進組織，晶界處為先共析鐵素體、少量無碳貝氏體，晶內存在大量針狀鐵素體、珠光體和少量粒狀貝氏體；如圖7b所示，右上部分為焊縫組織，左下部分為過熱區(qū)組織，有少量的塊狀鐵素體沿晶界析出，晶內為條狀鐵素體和珠光體；如圖7c所示，細晶區(qū)組織為鐵素體和珠光體；如圖7d所示，熱軋狀態(tài)的母材組織是呈帶狀分布的珠光體和晶粒細小的鐵素體。

組織形態(tài)和種類決定了材料的性能。隨著形成條件不同，先共析鐵素體具有不同形態(tài)。一般來說，針狀鐵素體在非金屬夾雜物處非均勻形核，然后從形核點向許多不同的方向輻射生長[6]，大多存在于原奧氏體晶粒內部，晶粒位向以大角度分布，故其強度高，塑韌性較好，在各類鐵素體中性能最好。由圖7a可知，蓋面焊焊縫組織中存在大量的針狀鐵素體，少量粒狀貝氏體，且由于在熱源作用下鐵素體較為粗大。對比圖7c，可以發(fā)現圖7a中鐵素體要明顯粗大，圖7c中的鐵素體則更細密，這就說明了在低溫環(huán)境條件下，焊縫區(qū)的沖擊韌性不如熱影響區(qū)的沖擊韌性的原因。

3 結論

（1）隨著環(huán)境溫度的降低，Q345C鋼MAG焊接頭的抗拉強度和屈服強度均有所提高，其提高率依次為8.3％、7.4％，伸長率和斷面收縮率沒有明顯變化。

（2）在本研究的環(huán)境溫度范圍內，接頭沖擊韌性隨環(huán)境溫度的降低而下降，試驗溫度從室溫下降至-40℃，母材、熱影響區(qū)、焊縫中心的沖擊功分別下降了35％、31％和48％，表明材料韌性的溫度敏感

性很高。

圖7 焊接接頭不同區(qū)域微觀組織Fig.7Microstructures of the welded joints in different zones

（3）接頭最高硬度出現在熱影響區(qū)靠近熔合線附近，該區(qū)域在低溫環(huán)境下最可能產生脆性破壞。

（4）Q345C低合金結構鋼焊接接頭低溫力學性能良好，能夠很好地滿足低溫環(huán)境條件下服役要求。

[1]呂任遠，張連敏，陶傳琦，等.轉向架構架Q345-E鋼板焊接接頭力學性能[J].機車車輛工藝，2006（4）：12-14.

[2]魏書波，劉建，劉擁軍.軌道車輛車體5083鋁合金焊接接頭低溫服役性能研究[J].電焊機，2014，12（44）：121-124.

[3]王淑花.1Cr18Ni9Ti鋼的低溫拉伸變形行為[J].材料科學與工藝，2004，12（6）：579-582.

[4]朱健，郭魁文，王秉新.焊接方法對C-Mn超細晶粒鋼接頭低溫韌性的影響[J].焊接技術，2009，38（10）：47-49.

[5]束德林.金屬力學性能[M].北京：機械工業(yè)出版社，1987：31-78.

[6]劉占國，苗張木，馬濤，等.鉆井平臺焊接接頭低溫CTOD韌度試驗[J].焊接技術，2010，39（5）：17-20.

Effect of environment temperature on mechanical properties of Q345C steel MAG welded joints

WU Yongshou1，LIU Yongjun2，MA Yin1
（1.CRRC Qingdao Sifang Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China；2.Welding Institute，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

The normal and lowtemperature（0℃、-10℃、-20℃、-30℃、-40℃）tensile test，bendingtest and impact test were carried out on MAG welded joints of Q345C lowalloy structural steel for rail transit bogie in China，the change lawof mechanical properties with temperature is obtained.Meanwhile，the hardness of the welded joints are measured and the microstructure of the joints are observed.The results showthat the tensile strength and yield strength of the steel are improved with the decrease of temperature，but the elongation and the change of the section shrinkage is little.The impact absorption power decreases rapidly，which indicates that the Q345C welded joints have a relativelylarge lowtemperature cold brittle tendency.Q345Clowalloystructural steel，which is served at lowtemperature，should be considered the lowtemperature cold brittle.

bogie；Q345Csteel；welded joint；lowtemperature properties；environment temperature

TG407

A

1001-2303（2016）10-0040-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.10.08

獻

武永壽，劉擁軍，馬寅.環(huán)境溫度對Q345C鋼MAG焊接頭力學性能的影響[J].電焊機，2016，46（10）：40-44.

2016-03-15；

2016-05-16

武永壽（1982—），男，甘肅靖遠人，工程師，學士，主要從事轉向架焊接工藝的研究工作。