李 濤，朱忠尹，邢艷雙，李俊民，張浩汝

（1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都 610031）

0 前言

我國(guó)高速動(dòng)車組主要車型CRH2型、CRH3型和CRH5型及中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的焊接大多采用熔化極氣體保護(hù)焊。由于轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，交叉焊縫較多，焊后殘余應(yīng)力聚集，且部分位置峰值較高，生產(chǎn)效率低，焊接和打磨產(chǎn)生的煙塵、電弧產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致工作環(huán)境條件十分惡劣。MAG焊在焊接過(guò)程中易產(chǎn)生焊接變形，要求采用火焰或者機(jī)械方法進(jìn)行矯正，不但增加加工成本，更延長(zhǎng)了制造周期，甚至可能造成殘余應(yīng)力的分布狀態(tài)無(wú)規(guī)律。更為重要的是，在構(gòu)架焊接接頭中，尤其是橫梁鋼管與縱向梁正面8道焊和背面5道焊的管板搭接焊縫、橫梁鋼管與齒輪箱正面和背面各9道焊的管板搭接焊縫、橫梁鋼管與制動(dòng)吊座正面11道和背面14道焊多道焊的管板搭接焊縫、橫梁鋼管與小電機(jī)吊座正面和背面各8道焊的管板搭接焊縫、橫梁鋼管與扭桿座正面8道和背面6道焊多道焊的管板搭接焊縫、彈簧筒與側(cè)梁上蓋板開的單邊V型坡口3道焊的角焊縫，如果施焊工藝過(guò)程操作不當(dāng)，會(huì)出現(xiàn)焊縫根部未焊透等缺陷[1-2]。

焊縫根部未焊透及背面焊縫成形不良缺欠會(huì)因幾何形狀發(fā)生突變而引起嚴(yán)重的應(yīng)力集中，影響轉(zhuǎn)向架全壽命安全運(yùn)行的可靠性和服役壽命。因此，焊接構(gòu)架中焊縫根部未焊透和背面焊縫成形不良是轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接亟待解決的問(wèn)題。而采用MAG焊接、TIG焊接等工藝均無(wú)法有效地解決此問(wèn)題[3-4]。

法國(guó)的Coste F.[5]等人采用11kW的激光功率將2個(gè)激光光斑進(jìn)行組合來(lái)增加焊縫寬度從而充分熔化側(cè)壁，實(shí)現(xiàn)了厚度60 mm的不銹鋼激光多層焊接。日本的Takeshi Tsukamoto[6]等人對(duì)厚板采用雙面焊接并結(jié)合激光光束擺動(dòng)的方法，單道可實(shí)現(xiàn)60 mm板厚的焊接，雙面可焊厚度可達(dá)150 mm。盡管利用了激光光束擺動(dòng)的方法，但側(cè)壁未熔合缺陷仍然無(wú)法完全避免。目前國(guó)內(nèi)的窄間隙CO2激光填絲焊研究存在激光功率低、焊接板材厚度薄的問(wèn)題，窄間隙激光填絲焊在增加板材可焊厚度方面的優(yōu)勢(shì)難以真正體現(xiàn)。因此，增加焊接板材厚度，提升窄間隙激光填絲焊接工藝方法在工業(yè)上的應(yīng)用價(jià)值十分必要。

本研究以轉(zhuǎn)向架構(gòu)架常用的S355J2N材料為對(duì)象，采用超窄間隙激光填絲焊進(jìn)行焊接，探討該技術(shù)的焊接可行性。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料為12 mm厚度S355J2N，焊絲牌號(hào)CHW-50C6R，直徑1.2mm，其化學(xué)成分如表1所示，焊接工藝參數(shù)如表2所示。窄間隙激光焊接設(shè)備如圖1所示。

表1CHW-50C6R焊絲化學(xué)成分 %

表2 12 mm S355J2N鋼窄間隙激光填絲焊工藝參數(shù)

根據(jù)歐標(biāo)EN ISO 4136 Ed 2011標(biāo)準(zhǔn)對(duì)12 mm S355J2N鋼窄間隙激光填絲焊焊接接頭取2個(gè)拉伸試樣。根據(jù)歐標(biāo)EN ISO 5173 Ed2010標(biāo)準(zhǔn)對(duì)12 mm S355J2N鋼窄間隙激光填絲焊焊接接頭取4個(gè)彎曲試樣。采用YNS 1000電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，根據(jù)歐標(biāo)EN ISO 9016 Ed 2011標(biāo)準(zhǔn)對(duì)16 mm S355J2N鋼窄間隙激光填絲焊焊接接頭取6個(gè)沖擊試樣，其中3個(gè)缺口在焊縫中心，3個(gè)缺口在熔合線，沖擊試樣尺寸55 mm×10 mm×10 mm。用HVS-30數(shù)字顯微硬度計(jì)測(cè)量焊接接頭各區(qū)域的硬度值，測(cè)量載荷10kg，載荷持續(xù)時(shí)間10s，硬度點(diǎn)間距為1 mm，測(cè)試方向?yàn)閺暮缚p的一側(cè)母材穿過(guò)焊縫到另一側(cè)母材。采用Neophot-32數(shù)碼金相顯微鏡觀察焊接接頭的母材、焊核區(qū)、熱機(jī)影響區(qū)及熱影響區(qū)的顯微組織，金相腐蝕液為混合酸溶液。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 S355J2N鋼接頭形貌

圖1 超窄間隙激光填絲焊試驗(yàn)平臺(tái)

S355J2N鋼窄間隙激光填絲焊焊接接頭正面及背面焊縫形貌如圖2所示。焊縫表面光滑，成形美觀。焊縫截面形貌如圖3所示，可明顯看出焊接的三道焊縫，焊縫與母材之間過(guò)渡良好，無(wú)明顯的咬邊、未焊透以及未熔合等宏觀焊接缺陷。

圖2 12 mm S355J2N鋼窄間隙激光填絲焊接頭形貌

2.2 S355J2N鋼接頭基本力學(xué)性能

S355J2N鋼接頭的載荷-位移曲線如圖4所示。接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

拉伸試樣斷裂位置均在母材，焊接接頭抗拉強(qiáng)度平均值為539 MPa。

圖3 12 mm S355J2N鋼窄間隙激光填絲焊焊縫宏觀金相

表3 焊接接頭拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)

12 mm S355J2N鋼窄間隙激光填絲焊焊接接頭彎曲試樣表面均未出現(xiàn)裂紋，彎曲性能合格。

沖擊試樣如圖5所示。采用金屬材料沖擊試驗(yàn)機(jī)在-20℃條件下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，16 mm S355J2N鋼窄間隙激光填絲焊焊接接頭沖擊試樣斷后形貌如圖6所示，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

厚度16 mm的S355J2N硬度打點(diǎn)取樣示意如圖7所示，取樣位置為焊縫上表面、焊縫中部和焊縫下表面。

圖4 12 mm S355J2N鋼窄間隙激光填絲焊焊接接頭拉伸載荷-位移曲線

圖5 焊焊接接頭沖擊試樣

圖6 焊接接頭沖擊斷口形貌

表4 焊接接頭沖擊試驗(yàn)結(jié)果

圖7 16 mm S355J2N硬度打點(diǎn)取樣示意

S355J2N硬度曲線如圖8所示?？梢钥闯?，在測(cè)量焊縫下表面硬度時(shí)（鈍邊3 mm處），此處熱影響區(qū)硬度與焊縫硬基本一致，平均硬度291.56 HV，下表面硬度分布曲線突然出現(xiàn)大的波動(dòng)，這是因?yàn)樯系篮缚p對(duì)此焊縫重熔導(dǎo)致硬度上升。而焊縫上表面硬度分布在熱影響區(qū)和焊縫出現(xiàn)較大變化，綜合其金相組織分析，熱影響區(qū)組織主要為馬氏體和M-A組織，焊縫中心組織為沿晶界析出的先共析鐵素體和晶界內(nèi)的針狀鐵素體和珠光體，從而導(dǎo)致熱影響區(qū)硬度較焊縫硬度出現(xiàn)較大變動(dòng)，其焊縫硬度平均值為271.5 V。由焊縫中部硬度分布曲線可知，焊縫區(qū)域出現(xiàn)數(shù)值的波動(dòng)，這是由于焊縫與焊縫相熔導(dǎo)致硬度上升。

2.3 S355J2N鋼母材微觀組織

S355J2N的母材組織為鐵素體和珠光體，白色部分為鐵素體，黑色部分為呈帶條狀的珠光體，如圖9所示，這是由于母材在軋制過(guò)程中晶粒被拉長(zhǎng)而形成。

2.4 S355J2N鋼焊接接頭焊縫微觀組織

圖8 16 mm S355J2N硬度曲線

圖9 S355J2N母材微觀組織

S355J2N的焊縫區(qū)組織如圖10所示，白色為先共析鐵素體沿柱狀晶分布，從高溫慢冷下來(lái)之際、在發(fā)生共析轉(zhuǎn)變之前析出的鐵素體，由奧氏體晶界首先析出。無(wú)碳貝氏體沿晶界向晶內(nèi)平行生長(zhǎng)，晶內(nèi)有針狀鐵素體（是在奧氏體內(nèi)非金屬夾雜物及奧氏體晶界等處形核形成）、粒狀貝氏體（由較粗大等軸狀的鐵素體和富碳奧氏體區(qū)組成）和珠光體。

2.5 S355J2N鋼焊接接頭熱影響區(qū)微觀組織

S355J2N的熱影響區(qū)宏觀形貌如圖11所示，分為過(guò)熱區(qū)、正火區(qū)和不完全正火區(qū)。過(guò)熱區(qū)微觀組織如圖12所示，組織發(fā)生粗大變化，網(wǎng)狀晶界明顯，其組織特征為板條馬氏體（一般形成于低中碳鋼，光學(xué)顯微鏡下呈板條狀，平行成束分布）和白色小塊區(qū)域的M-A組織（M-A組織是在貝氏體、馬氏體基底上分布的顆粒組織）。

圖10 S355J2N焊縫微觀組織

圖11 S355J2N熱影響區(qū)微觀組織

圖12 S355J2N過(guò)熱區(qū)微觀組織

正火區(qū)和不完全正火區(qū)組織分別如圖13、圖14所示。正火區(qū)組織為均勻分布的鐵素體和珠光體，晶粒細(xì)小，組織均勻，力學(xué)性能優(yōu)異，細(xì)小的鐵素體與珠光體略呈帶狀混雜分布。不完全正火區(qū)的一部分晶粒發(fā)生重結(jié)晶過(guò)程，變得細(xì)小而均勻，其組織為鐵素體和珠光體，其余部分則與母材保持一致，性能介于正火區(qū)與母材之間。

圖13 S355J2N正火區(qū)微觀組織

圖14 S355J2N不完全正火區(qū)微觀組織

2.6 S355J2N鋼焊接接頭多層層間微觀組織

多層焊層的宏觀形貌如圖15所示，層間區(qū)微觀組織形貌如圖16所示，白色鐵素體沿原奧氏體晶界析出，晶內(nèi)為針狀鐵素體、粒狀貝氏體和珠光體。

圖15 S355J2N多層焊層區(qū)宏觀形貌

3 結(jié)論

（1）S355J2N窄間隙激光填絲焊的焊接接頭拉伸強(qiáng)度平均值為539 MPa；彎曲性能測(cè)試時(shí)焊縫均未發(fā)生斷裂；-20℃沖擊吸收功最低值為126 J，最高值為158 J。以上結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖16 S355J2N多層焊層區(qū)微觀組織

（2）母材組織為鐵素體和珠光體，焊縫區(qū)組織白色為先共析鐵素體沿柱狀晶分布，無(wú)碳貝氏體沿晶界向晶內(nèi)平行生長(zhǎng)，晶內(nèi)有針狀鐵素體，粒狀貝氏體和珠光體。熱影響區(qū)網(wǎng)狀晶界明顯，其組織特征為板條馬氏體和白色小塊區(qū)域的M-A組織。

（3）多層焊層的層間區(qū)微觀組織形貌為：白色鐵素體沿原奧氏體晶界析出，晶內(nèi)為針狀鐵素體、粒狀貝氏體和珠光體。

（4）超窄間隙激光填絲焊技術(shù)焊接20鋼-Q345C管具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值。