尤君， 倪寶成， 方孝鐘， 楊紅偉

（中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司轉向架設計部，南京 210031）

0 引言

能抗大氣腐蝕的鋼通常又叫做耐候鋼，是含有一定數(shù)量的合金元素的鋼材，如添加P、Cu、Cr、Ni、Mo等到鋼材中，在常溫下通過在母材金屬表面形成自保護的氧化膜來增強其抗大氣腐蝕性[1]。研究表明，依耐候鋼的成分不同，鋼件結構使用環(huán)境不同，在一般情況下它的耐大氣腐蝕性能大約比一般碳素鋼大2～8倍之間[2]，同時耐候鋼在大氣中使用時間越長，它的耐腐蝕性越突出[3]。因而被廣泛應用于長期暴露在大氣中的鋼結構當中。

轉向架構架為H型焊接構架，由一系列板材件組裝焊接而成。作為鐵路客車、城市地鐵、高速動車組、有軌電車等現(xiàn)代軌道車輛的核心大部件，它承受車輛大部分的動載荷，而焊接技術是確保該大部件安全運行的核心技術之一，焊接質量的好壞直接影響著列車的安全性、可靠性和運行壽命[4-5]。

文中結合轉向架車間生產實際情況，選用轉向架構架焊接生產用的S355J2W耐候鋼板來做一系列焊接試驗，借助金相顯微鏡、維氏顯微硬度測試儀、射線探傷等現(xiàn)代分析測試手段進行理化分析，評估該種材料在轉向架構架焊接生產中的可行性及可靠性，從而制定符合實際生產的焊接工藝，確保焊接接頭的焊接質量，規(guī)范焊接實施基本要素[6]。

1 試驗用材料

1.1 試驗用母材

鐵路行業(yè)EN15085焊接體系標準對設計、工藝、檢查等環(huán)節(jié)均有嚴格的規(guī)定，特別是選用新材料時須按不同焊接結構形式做周密的焊接規(guī)范及工藝試驗[7-8]。本試驗選用4塊地鐵轉向架構架焊接生產用的S355J2W耐候鋼板，試板規(guī)格尺寸為350 mm×150 mm×12 mm，機械加工V型坡口，單面坡口角度為30°。鋼板成分及規(guī)定極限值的允許偏差執(zhí)行EN10025-5標準，鋼板的化學成分見表1，拉伸、彎曲性能指標見表2。

表1 S355J2W耐候鋼板的化學成分質量分數(shù) %

表2 S355J2W耐候鋼板的拉伸、彎曲性能指標

1.2 材料焊接性分析

S355J2W耐候鋼的碳質量分數(shù)WC≤0.16%，屬于一種低碳鋼，除含P鋼外，焊接性與一般低合金鋼熱軋鋼沒有原則差別，焊接熱影響區(qū)的最高硬度不超過350 HV，焊接性良好。鋼中Cu的含量低（WCu約0.25%～0.55%），焊接時不會產生熱裂紋。含P鋼中WC+P都控制在0.25%以下，故鋼的冷脆傾向不大。所以可與強度較低(σS=343～292 MPa)的低合金熱軋鋼一樣擬定焊接工藝，只需要注意選擇焊接材料時既要考慮等強匹配又要考慮等化學成分匹配的原則，以滿足焊縫金屬的耐蝕性能與母材相匹配。

2 焊接工藝制定

2.1 焊接方法及焊接材料選擇

結合產品的結構特點及轉向架焊接車間實際生產情況，試板對接焊縫采用MAG135進行焊接，保護氣體為80%Ar+20%CO2[9-10]，氣體流量18～22 L/min，電源極性為DCEP/+。根據(jù)等強度、等化學成分匹配的原則，本次試驗選用ESAB品牌的ISO14341-A：G 42 4 M21 Z 3Ni1Cu φ1.2焊絲，該焊絲的化學成分及力學性能見表3、表4。

表3 ISO14341-A：G 42 4 M21 Z 3Ni1Cu焊絲的化學成分%

表4 ISO14341-A：G 42 4 M21 Z 3Ni1Cu焊絲的力學性能

2.2 焊前準備

用鋼絲刷將試板坡口面及焊縫周圍20 mm范圍內的雜質清理干凈，特別是油污、氧化膜、鐵的衍生氧化物等雜質[11]。必要時可用拋光片進行打磨直到露出金屬光澤。打開氣瓶閥門及焊機電源，調整焊接參數(shù)確保焊機運行良好，焊接電源通常的額定電流500 A，空載電壓為55～80 V，負載持續(xù)率為60%～100%，外特性曲線為平特性。調整過程中可在試板上進行預焊以驗證電流及電壓的匹配性，使其達到最佳匹配狀態(tài)。

2.3 焊接工藝[12-13]

1）將地線鉗夾持在試板上，控制對接間隙2～3 mm，調整焊機按照打底焊1焊道參數(shù)將試板兩端頭點焊固定，點焊縫長度10～20 mm。在起弧時，保持焊絲干伸長度穩(wěn)定，起弧處由于工件溫度較低，又無法像手工焊那樣拉長電弧預熱，所以應采用倒退引弧法，使焊道充分熔合；收弧時也應該保持焊絲干伸長度不變，并把燃燒點拉到熔池邊緣處?；?，焊機自完成回燒、消球、延時氣保護的收弧過程。試板具體焊接形式及焊接參數(shù)表見表5。

2）打磨點固焊點并清理焊接飛濺，噴焊接防飛濺液（DCF-1燕福），注意不要直對著坡口面噴，防止過量。

3）進行打底焊接。施焊過程中注意觀察電弧，打底焊接時宜采用短路過渡電弧，短弧焊接，單面焊接雙面成型并確保熔透。

4）第一層焊接完成后需要適當打磨焊縫使其形成凹面，控制焊接層間溫度＜180℃（紅外線測溫儀監(jiān)控）。

5）按表5調整焊接參數(shù)進行焊縫的填充及蓋面焊接。施焊過程中注意觀察電弧，填充蓋面焊接時宜采用噴射過渡電弧，長弧焊接。采用多層多道焊，焊接后一層時須對前一層做好層間清理，控制焊接層間溫度低于180℃（紅外線測溫儀監(jiān)控），確保焊道之間熔合良好。

表5 試板焊接參數(shù)表

3 焊接接頭檢驗[14-15]

1）焊縫外觀檢查。焊縫與母材連接過渡圓滑，表面未見氣孔、裂紋、焊瘤、弧坑等肉眼可見的缺陷，咬邊深度≤0.3 mm，對接焊縫余高≤2.5 mm，缺欠質量滿足ISO5817 B級焊縫要求，試件焊后的宏觀金相圖見圖1。

圖1 試件焊接后的宏觀金相圖

2）試件母材及焊縫組織微觀金相組織見圖2。

圖2 母材及焊縫區(qū)微觀組織金相圖

3）試件X射線探傷結果按ISO10675-1標準評定均達到I級合格標準，其射線探傷底片見圖3。

圖3 試件射線探傷底片

4）試板力學性能試驗。在焊接試板上切取試樣，按國際標準ISO4136《對接焊縫拉伸試驗》、ISO5173《金屬材料的破壞性試驗—彎曲試驗》、ISO9016《金屬材料的破壞性試驗—沖擊試驗》、ISO9015《金屬材料的破壞性試驗—硬度試驗》進行力學性能試驗，試驗結果合格，測試結果如表6～表9和圖4所示。

4 結論

通過對地鐵轉向架用S355J2W耐候鋼板焊接性分析和焊接工藝試驗，擬定了合理的焊接工藝，確保了焊接接頭的質量，并獲得了優(yōu)質的焊接接頭，從而得出以下幾點結論：

1）S355J2W耐候鋼具有良好的焊接性 ，ISO14341-A：G 42 4 M21 Z 3Ni1Cuφ1.2焊絲分別能夠與目前轉向架使用S355J2W型號的板材相匹配，滿足焊接性能要求，試驗結果均達到相關標準。

表6 試件拉伸試驗結果

表7 彎曲試驗結果

表8 沖擊試驗結果

圖4 硬度試驗位置示意圖

表9 硬度試驗結果

2）接頭母材組織均為白色細小塊狀均勻分布的鐵素體+黑色的珠光體；焊縫組織均為沿柱狀晶內分布的先共析鐵素體，無碳貝氏體沿晶界向晶內平行生長，晶內有針狀鐵素體、粒狀貝氏體和少量珠光體。

3）S355J2W耐候鋼對接接頭的焊縫及熱影響區(qū)硬度高于母材區(qū)，焊接接頭的整體抗拉強度高于母材。因此，選擇合理的焊接工藝進行焊接時可以獲得優(yōu)質的焊接接頭，從而能夠滿足轉向架構架生產制造的使用要求。

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