安 博 ，陳麗園 ，郝曉衛(wèi) ，胡文浩 ，崔 巖 ，賈占君 ，賀宇翔 ，龔寶強(qiáng)

（1.中車唐山機(jī)車車輛有限公司，河北唐山063035；2.空氣化工產(chǎn)品（中國）投資有限公司，上海 201203）

0 前言

鐵路客車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架主要采用焊接結(jié)構(gòu)，工藝方法為熔化極活性氣體保護(hù)焊，保護(hù)氣體基本采用 φ（Ar）80%+φ（CO2）20%和 φ（Ar）82%+φ（CO2）18%二元保護(hù)氣體。相對于純CO2氣體保護(hù)，二元保護(hù)氣體焊接飛濺顯著減少，但是仍然不能滿足軌道行業(yè)高標(biāo)準(zhǔn)的要求，焊后去除飛濺量很大，增加了工時成本，并影響生產(chǎn)效率。在普通二元保護(hù)氣體的基礎(chǔ)上，添加適量O2可以減少表面張力，改善熔池流動性，細(xì)化熔滴，提高電弧穩(wěn)定性，減少焊接飛濺，同時改善焊縫成形，大大減少焊后打磨工作量。但是目前軌道車輛行業(yè)對三元混合保護(hù)氣體應(yīng)用較少，而各主機(jī)廠研究的三元氣體組分也不盡相同。

因此，選用一種目前國內(nèi)動車組列車轉(zhuǎn)向架常用的 S355J2W+N 鋼板，分別采用 φ（Ar）82%+φ（CO2）18%二元保護(hù)氣體[1-3]和一種在Ar+CO2組分添加了少量O2的三元保護(hù)氣體進(jìn)行焊接試驗，對比分析微觀組織、拉伸性能、彎曲性能、抗沖擊性能、顯微硬度，為鐵路列車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架采用三元保護(hù)氣體MAG焊提供試驗依據(jù)。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗材料為S355J2W+N鋼板，接頭形式為平對接接頭，60°V 型坡口，間隙 2～3 mm，鈍邊 1 mm。焊材選用規(guī)格為1.0mm的ISO 14341-A-G Z3Ni1Cu焊絲，S355J2W+N鋼板母材及焊材化學(xué)成分如表1所示，力學(xué)性能如表2所示。焊接設(shè)備選用松下YD-350GLW型焊機(jī)。

表1 S355J2W+N鋼和ISO 14341-A-G Z3Ni1Cu焊絲化學(xué)成分%

表2 S355J2W+N鋼和ISO 14341-A-G Z3Ni1Cu焊絲力學(xué)性能

1.2 焊接工藝試驗

對接接頭試板采用數(shù)控加工方式進(jìn)行坡口制備，焊前清理試板坡口及兩側(cè)20 mm范圍內(nèi)鐵銹油污，焊縫形式為12 V，單面焊雙面成形，三層三道進(jìn)行焊接，層間溫度小于250℃，無焊接墊板。焊接工藝參數(shù)如表3所示。

表3 焊接工藝參數(shù)

1.3 試驗方法

對比觀察兩種接頭形式的焊后試板，查看焊縫外觀成形以及表面飛濺，然后按照ISO15614-1標(biāo)準(zhǔn)要求對對接焊縫進(jìn)行無損探傷和破壞性試驗，首先進(jìn)行表面滲透探傷和射線探傷，檢驗合格后進(jìn)行金相、彎曲、拉伸、硬度、沖擊等試驗。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 無損檢測

外觀檢測依據(jù)ISO 5817-2014《焊接—鋼、鎳、鈦與其合金的熔焊接頭（束焊除外）—缺陷的質(zhì)量等級》B級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測。焊縫外觀良好，表面無裂紋、余高超高和咬邊等缺陷。滲透檢測按照ISO23277-2009《焊縫的無損檢測—焊縫的滲透檢驗—驗收等級》標(biāo)準(zhǔn)評定。試板均未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)的線性顯示和非線性顯示。射線檢測參照ISO5817-B級內(nèi)部缺陷標(biāo)準(zhǔn)評定，內(nèi)部未顯示裂紋、氣孔、未熔合、夾雜等焊接缺陷，焊接試板合格。兩種保護(hù)氣體對接接頭的焊縫外觀情況分別如圖1和圖2所示。可以看出，在相同的焊接條件下，相對于二元保護(hù)氣體焊接的試板表面，采用三元保護(hù)氣體的焊接飛濺數(shù)量明顯減少，飛濺顆粒更加細(xì)小，表面幾乎沒有大顆粒飛濺，焊縫表面成形更加平滑，焊縫余高較小，且焊縫表面氧化物較少。這是由于在氬氣中添加了CO2和O2，結(jié)合兩者優(yōu)點，可減少表面張力，使焊縫更平整，并產(chǎn)生較小的熔滴，電弧穩(wěn)定性更好，飛濺物更少、更小。

圖1 二元保護(hù)氣體對接接頭焊縫外觀

圖2 三元保護(hù)氣體對接接頭焊縫外觀

2.2 微觀組織分析

對采用兩種不同保護(hù)氣體焊接的對接接頭進(jìn)行微觀組織分析，如圖3所示?？梢钥闯?，采用三元保護(hù)氣體的焊接接頭微觀組織與二元保護(hù)氣體的相比較，組織特征上差別不大，各區(qū)域組織構(gòu)成相同，形貌特征相似。圖3a、3b為焊縫金屬組織，由于三元氣體的熱輸入小，故焊縫晶粒較細(xì)小，粗大的條狀+塊狀先共析鐵素體分布于柱狀晶界上，先共析鐵素體沿奧氏體晶界析出，針狀+條狀鐵素體向晶內(nèi)生長，可見少量珠光體組織；圖3c、3d為熱影響區(qū)的粗晶區(qū)，組織為塊狀分布的鐵素體+珠光體，晶粒粗大，這是由于該區(qū)加熱溫度高，奧氏體晶粒顯著長大，冷卻后得到粗大的塊狀過熱組織，導(dǎo)致韌性降低，易產(chǎn)生裂紋，是焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)；圖3e、3f為熱影響區(qū)的細(xì)晶區(qū)，組織主要由均勻細(xì)小的鐵素體+少量珠光體組成，沿軋制方向呈帶狀分布[4-5]。

2.3 拉伸試驗結(jié)果

兩種保護(hù)氣體焊接接頭各取兩個拉伸試樣，拉伸試驗環(huán)境溫度（23±5）℃，拉伸試驗結(jié)果如表4所示。無論是二元還是三元保護(hù)氣體，抗拉強(qiáng)度均高于母材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，三元保護(hù)氣體的抗拉強(qiáng)度略高，均具有良好的抗拉強(qiáng)度。

表4 兩種保護(hù)氣體室溫拉伸試驗結(jié)果

2.4 彎曲試驗結(jié)果

S355J2W+N鋼采用兩種保護(hù)氣體的彎曲試驗結(jié)果如表5所示。兩種保護(hù)氣體下S355J2W+N鋼彎曲試件彎曲角均達(dá)到180°，試件表面光滑，無斷裂或裂紋現(xiàn)象產(chǎn)生，彎曲性能良好。

表5 兩種保護(hù)氣體彎曲試驗結(jié)果

2.5 沖擊試驗結(jié)果

依據(jù)EN10025-5標(biāo)準(zhǔn)，S355J2W+N鋼低溫沖擊溫度為-20℃，為驗證高寒情況下鋼板沖擊性能要求，沖擊試驗溫度設(shè)定為-40℃，沖擊位置選定為焊縫和熱影響區(qū)，每個區(qū)域進(jìn)行3組試驗，兩種保護(hù)氣體S355J2W+N鋼沖擊試驗結(jié)果如表6所示。可以看出，無論采用二元還是三元保護(hù)氣體焊接，構(gòu)架材料S355J2W+N鋼在-40℃下沖擊功均高于標(biāo)準(zhǔn)要求（大于等于27 J），具有良好的低溫韌性[6-7]。與二元保護(hù)氣體相比，采用三元保護(hù)氣體的焊縫區(qū)和熱影響區(qū)沖擊功較低。這與采用三元氣體焊接時氣體的氧化性強(qiáng)有關(guān)，母材及焊材合金元素的燒損較為嚴(yán)重，一般合金元素減少，強(qiáng)度及韌性均會降低。

表6 兩種保護(hù)氣體沖擊試驗結(jié)果

2.6 顯微硬度分布

圖3 焊接接頭微觀組織

焊接接頭硬度分布如圖4所示。接頭各特征區(qū)的硬度分布較均勻，都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。與二元氣體相比，無論是焊縫還是熱影響區(qū)，三元氣體的硬度略高。但三元氣體的熱影響區(qū)距熔合線約3.5 mm處硬度值下降，而二元氣體的熱影響區(qū)距熔合線約4.5 mm處硬度值才下降，說明三元氣體的熱影響區(qū)寬度比二元氣體的窄約1 mm。這與兩種氣體焊接時的熱輸入有關(guān)，三元氣體的熱輸入小，故熱影響區(qū)較窄。

3 結(jié)論

圖4 兩種氣體焊接接頭硬度分布

（1）相對于二元保護(hù)氣體（Ar+CO2），采用三元保護(hù)氣體（Ar+CO2+O2）焊接時，焊縫表面成形更加平滑，焊接性能優(yōu)良，且焊接飛濺顯著減少，減少了打磨工作量，降低焊接綜合成本。

（2）相對于二元保護(hù)氣體（Ar+CO2），采用三元保護(hù)氣體（Ar+CO2+O2）焊接時，焊縫晶粒較細(xì)小，組織為粗大的條狀和塊狀先共析鐵素體分布于柱狀晶界上，先共析鐵素體沿奧氏體晶界析出，針狀+條狀鐵素體向晶內(nèi)生長，可見少量珠光體組織；熱影響區(qū)由晶粒大小不一的鐵素體和珠光體組成，并沿軋制方向呈帶狀分布。

（3）相對于二元保護(hù)氣體（Ar+CO2），采用三元保護(hù)氣體（Ar+CO2+O2）焊接，S355J2W+N 鋼焊接接頭的抗拉強(qiáng)度更好，焊接接頭彎曲180°均合格，具有良好的塑性和韌性。接頭各個特征區(qū)的硬度分布均勻，三元保護(hù)氣體的硬度略高，熱影響區(qū)寬度比二元保護(hù)氣體的窄約1 mm。無論是焊縫還是熱影響區(qū)，兩種保護(hù)氣體焊接接頭的沖擊功均高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，具有良好的低溫沖擊韌性。