孫 佳，董洪達，倪寶成

（中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇 南京 210031）

0 前言

構架焊接后，因焊縫缺陷存在引起的裂紋源在應力集中的情況下，容易出現(xiàn)裂紋缺陷而導致結構破壞[1-3]。直接報廢有焊接缺陷的構架會增加成本，因此焊接缺陷修補工作顯得尤為重要。本研究采取合理的焊補工藝，通過分析焊補件顯微組織，測試其靜載強度、顯微硬度、沖擊韌性和疲勞性能，獲得可靠的實驗數(shù)據(jù)，為工程實際應用提供參考[4-5]。

1 試驗材料和方法

選用板厚12mm的P355NL1鋼，其化學成分和力學性能分別如表1、表2所示。

表1 P355NL1鋼的化學成分%

表2 P355NL1鋼的力學性能

構架試驗板采用MAG焊，焊絲為符合ISO 14341標準的G4Si1。焊接工藝如圖1所示。

試板焊好后按GB2649規(guī)定取樣，使用電子顯微鏡觀察原始焊件和一次焊補件的焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材。依據(jù)GB/T2651對原始焊件和一次焊補件進行拉伸試驗，依據(jù)GB/T2650對原始焊件和一次焊補件的母材、HAZ、焊縫進行沖擊試驗。使用維氏硬度計測定原始焊件和一次焊補件各層焊縫區(qū)、熔合線、粗晶區(qū)、細晶區(qū)和母材的硬度。依據(jù)GB/T13816對原始焊件和一次焊補件進行疲勞試驗。

圖1 構架試板焊接工藝

2 試驗結果和討論

2.1 顯微組織觀察

原始焊件金相試樣顯微組織如圖2所示，一次焊補件金相試樣顯微組織如圖3所示，其組織均為珠光體+鐵素體。焊補前后，試樣的母材組織無變化，從焊縫中心到母材，組織形態(tài)的變化情況為：柱狀晶區(qū)→粗晶區(qū)→細晶區(qū)→帶狀組織。焊縫由上層到下層晶粒尺寸逐漸減小。焊補后存在重疊的熱影響區(qū)，相對于原始焊接接頭金相試樣，在焊縫與熱影響區(qū)的交界處多了一個粗晶區(qū)和一個細晶區(qū)，上層焊縫尤為明顯。焊根處為焊補過程中始終保留的部分，相對原始焊件，一次焊補件焊根處晶粒明顯細化。

圖2 原始焊件金相試樣顯微組織

2.2 顯微硬度

原始焊件與一次焊補件顯微硬度對比如圖4所示。原始焊接接頭各層焊縫區(qū)硬度與一次焊補件相應的區(qū)域硬度接近，硬度最高值出現(xiàn)在熱影響區(qū)的粗晶區(qū)，且基本低于250 HV，一次焊補對焊件的硬度無明顯影響。

2.3 拉伸試驗

原始焊件拉伸試驗數(shù)據(jù)見表3，一次焊補件拉伸試驗數(shù)據(jù)見表4。原始焊件的平均屈服強度354.61 MPa，平均抗拉強度527.03 MPa；一次焊補件平均屈服強度348.23 MPa，平均抗拉強度為525.20 MPa。無論是原始焊件還是一次焊補件，均在母材處斷裂，說明焊接修補后若能保證焊接接頭的焊接質量，焊補對焊接接頭的靜載強度沒有影響。

2.4 沖擊韌性試驗

原始焊件的沖擊試驗數(shù)據(jù)見表5。母材沖擊功平均值113.37 J，高于焊縫沖擊功平均值74.27 J，與熱影響區(qū)沖擊功平均值112.21 J相接近，所有沖擊試件均未斷裂。一次焊補件沖擊試驗數(shù)據(jù)見表6，母材沖擊功平均值119.47 J，高于焊縫沖擊功平均值92.20 J，與熱影響區(qū)沖擊功平均值109.31 J接近。與母材和熱影響區(qū)相比，焊縫沖擊功最低。焊縫的粗大柱狀晶是造成沖擊功較低的主要原因。一次焊補件的沖擊韌性較原始焊件有所提高，這是因為焊補對上一次殘余的焊接接頭部分起到熱處理作用，細化了晶粒，改善了組織分布，韌性得到提高。

圖3 一次焊補件金相試樣顯微組織

圖4 原始焊件與一次焊補件顯微硬度對比

2.5 疲勞強度試驗

原始焊件和一次焊補件的疲勞試驗數(shù)據(jù)如表7、表8所示。在循環(huán)周次1×107下，原始焊接接頭疲勞強度為154 MPa，且所有試樣全部斷裂于焊根處。一次焊補接頭高應力水平下的疲勞性能與原始焊接接頭的疲勞性能相近，表現(xiàn)為在相同應力水平下試樣斷裂時的循環(huán)次數(shù)相近，而低應力水平下的疲勞性能優(yōu)于原始焊接接頭，循環(huán)周次1×107下的疲勞強度為170MPa。疲勞試驗頻率20Hz，應力比R=0。

表3 原始焊件拉伸試驗數(shù)據(jù)

表4 一次焊補件拉伸試驗數(shù)據(jù)

表5 原始焊件的沖擊試驗數(shù)據(jù)

表6 一次焊補件沖擊試驗數(shù)據(jù)

表7 原始焊件的疲勞試驗數(shù)據(jù)

表8 一次焊補件的疲勞試驗數(shù)據(jù)

3 結論

（1）對比分析原始焊件與一次焊補件焊接接頭的顯微組織，焊接修補對接頭顯微組織無有害影響，還可細化保留的下層焊縫晶粒，對焊接接頭的強度和韌性有一定貢獻。

（2）顯微硬度測試結果表明，經一次焊補后，焊縫硬度無明顯下降。

（3）由拉伸試驗結果可知，焊接構件為高配接頭，拉伸斷裂均發(fā)生在母材。

（4）沖擊試驗和疲勞試驗結果表明，一次焊補件的沖擊韌性和疲勞強度較原始焊件略有提高。

參考文獻：

[1]葉洪巖，鄔平波.轉向架焊接構架靜強度分析及疲勞強度評估[J].鐵道機車車輛工人：自然科學版，2011（2）：23-28.

[2]趙建明，顧麗英.焊接轉向架焊接接頭疲勞性能的試驗[J].機車車輛工藝，2003（6）：15-17.

[3]王浩，李天賜，張樂樂.焊接技術在金屬結構修復中的應用和發(fā)展狀況[J].焊接，2017（1）：18-26.

[4]趙柏森.熱作模具鋼特性及焊接修復應用現(xiàn)狀[J].熱加工工藝，2013，42（17）：9-12.

[5]羅洪軍，徐林，黃小歐.中碳調質鋼大型零部件焊接修復[J].熱噴涂技術，2004，10（3）：22-25.