■ 尤君,白麗杰,胡蘇磊,楊紅偉
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S355J2W耐候鋼與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架常用的P355NL1結(jié)構(gòu)鋼強度相當(dāng),但前者在耐大氣腐蝕性能上具有明顯的優(yōu)勢。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架作為現(xiàn)代軌道車輛的核心部件,同時也是承受動載荷的焊接結(jié)構(gòu),因其特殊的服役環(huán)境不僅要求結(jié)構(gòu)、強度可靠,而且還兼具耐候性,這使得S355J2W耐候鋼越來越多的被用在地鐵轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的焊接中。進口焊絲性能優(yōu)異,但是價格高昂,采購周期不可控,因此有必要選用一種可以替代的國產(chǎn)焊絲。
本試驗遵循等成分等強度的原則,分別選用一種進口焊絲與一種國產(chǎn)焊絲對地鐵轉(zhuǎn)向架用S355J2W耐候鋼進行焊接試驗,通過對比分析各自焊接接頭的性能差異,為實現(xiàn)公司地鐵轉(zhuǎn)向架焊接材料的國產(chǎn)化提供技術(shù)儲備和依據(jù)。
(1)母材 試驗材料選取兩組共計6塊轉(zhuǎn)向架構(gòu)架車間焊接工藝評定用S355J2W耐候鋼標(biāo)準(zhǔn)試板,產(chǎn)品成分及規(guī)定極限值的允許偏差執(zhí)行EN10025-5標(biāo)準(zhǔn),鋼板化學(xué)成分如表1所示,力學(xué)性能如表2所示。
(2)焊材 結(jié)合車間生產(chǎn)實際并遵循等成分等強度的原則,國產(chǎn)焊絲選用上海大西洋焊接材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的CHW—55CNH型鐵道車輛用高強度耐大氣腐蝕鋼用鍍銅氣體保護焊絲;進口焊絲選用ESAB品牌的ISO14341-A:G 42 4 M21 Z ?1.2mm焊絲,兩種焊絲的化學(xué)成分及力學(xué)性能如表3和表4所示。
(3)接頭形式及焊接參數(shù) 焊接試板尺寸為350mm×150mm×12mm,對接焊縫采用MAG焊接,保護氣體為80%Ar+20%CO2,在焊接之前用鋼絲刷將焊縫及其周圍兩側(cè)各20mm范圍內(nèi)徹底清理干凈,不應(yīng)有任何油脂、污漬、油漆標(biāo)記、氧化皮和其他雜質(zhì)。焊接完成后進行清渣處理,焊接接頭形式及焊接參數(shù)如表5所示。
表1 S355J2W鋼板的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)) (%)
表2 S355J2W鋼板的拉伸、彎曲性能指標(biāo)
兩組試板焊接完成后按照ISO5817標(biāo)準(zhǔn)進行外觀檢查,然后制取金相試樣進行宏觀及微觀金相檢驗,研究焊接接頭區(qū)域組織的變化;采用數(shù)碼金相顯微鏡進行金相分析(按ISO17639標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行);采用電子萬能拉伸試驗機進行拉伸試驗(按ENISO4136標(biāo)準(zhǔn)檢測);在JB-300B300/150型沖擊試驗機上進行沖擊試驗(按ENISO9016標(biāo)準(zhǔn)檢測);采用HVS—30維氏硬度計進行維氏硬度檢測(按ISO9015-1標(biāo)準(zhǔn)檢測),加載10kg,加載時間15s,每間隔1mm打一個點。
圖1 試件宏觀金相
(1)試樣宏觀金相 焊接試樣的宏觀金相組織如圖1所示,從圖中可以看出接頭焊縫熔合良好,焊縫表面無咬邊、氣孔、未熔合等缺陷,外觀質(zhì)量滿足ISO5817 B級標(biāo)準(zhǔn)要求。
圖2 接頭不同區(qū)域金相顯微組織
表3 兩種焊絲的化學(xué)成分
表4 兩種焊絲的力學(xué)性能
表5 試板焊接參數(shù)
(2)試樣微觀金相 焊接接頭各區(qū)域金相顯微組織分別如圖2所示。圖2a焊縫區(qū)顯微組織均為白色先共析條狀鐵素體,少量無碳貝氏體,晶內(nèi)則是針狀鐵素體和珠光體,細小點狀粒狀貝氏體,1#試樣組織最優(yōu)異;圖2b熔合區(qū)是接頭中最薄弱區(qū),熔合線區(qū)晶粒大小不均勻,靠近過熱區(qū)一側(cè)晶粒粗大,靠近焊縫一側(cè)晶粒較??;圖2c過熱區(qū)為珠光體和沿奧氏體晶界析出的塊狀先共析鐵素體,晶粒內(nèi)部為少量細小粒狀貝氏體;圖2d正火區(qū)為比母材區(qū)更為細小均勻的鐵素體和珠光體組織。
(3)拉伸試驗結(jié)果 圖3為兩組平板試樣在拉伸后的宏觀形貌,各個試樣抗拉強度值、伸長率、斷裂位置如表6所示。
從測試結(jié)果可以看出,平板拉伸試樣經(jīng)歷了塑性變形、頸縮、出現(xiàn)微裂紋、微裂紋擴展直至瞬間剪斷斷裂的過程,所有試樣最后斷裂都在母材金屬處,說明這種焊接接頭的薄弱部位為母材,同時也證明該焊接接頭具有良好的拉伸性能。此外,兩組試樣的拉伸強度、斷面伸長率基本相等,測試值遠遠高于S355J2W母材要求的最低極限值,兩種接頭的抗拉性能均滿足使用及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。
(4)沖擊試驗結(jié)果 表7為兩組試樣的沖擊試驗結(jié)果。從表中數(shù)據(jù)可以看出,在-40℃時兩種焊接接頭的焊縫、熱影響區(qū)的沖擊吸收能量平均值均在190J以上,可見焊接接頭具有良好的沖擊性能。測試值均遠遠高于S355J2W母材要求的最低極限值,沖擊性能均滿足使用要求。
(5)硬度試驗結(jié)果 按圖4對兩組試樣進行維氏硬度測試,測試結(jié)果如圖5所示。
從圖5中可以看出,兩種接頭的硬度由母材到焊縫均是呈先增加后降低的趨勢,母材至正火區(qū)至過熱區(qū)硬度依次升高,至焊縫硬度降低,硬度峰值在過熱區(qū),焊縫硬度均高于母材。
圖3 兩組試樣拉伸測試宏觀形貌
表7 沖擊試驗結(jié)果
圖4 維氏硬度測試位置
圖5 硬度測試結(jié)果
(1)在實際生產(chǎn)中,對于碳鋼及低合金高強鋼應(yīng)該遵循等化學(xué)成分、等強度匹配的原則下進行焊絲選配。
(2)地鐵轉(zhuǎn)向架構(gòu)架用S355J2W耐候鋼板能與成分、強度相同的進口焊絲ISO14341-A:G 42 4 M21 Z φ1.2mm及國產(chǎn)焊絲CHW—55CNH形成良好的焊接接頭,且二者力學(xué)性能相當(dāng),均能夠滿足焊接構(gòu)架的使用性能要求。
[1] 王君杰.轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接接頭組織與性能研究[D].大連:大連交通大學(xué),2007.
[2] 張曉波,等. 980MPa級低碳貝氏體高強鋼MAG焊接接頭不同試樣的拉伸斷裂機理[J].焊接學(xué)報,2012,36(2):19-23.
[3] 李亞江.焊接組織性能與質(zhì)量控制[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.1.