胡立國(guó)，呂 昊*

（中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130000）

國(guó)內(nèi)外對(duì)于不銹鋼車體工藝的理論研究基本與鋁合金車體工藝同步，但是隨著車體輕量化設(shè)計(jì)概念的提出，不銹鋼車體的應(yīng)用范圍和使用程度要高于鋁合金車體。不銹鋼車體工藝的發(fā)展過(guò)程大致經(jīng)歷了四個(gè)階段，第一個(gè)階段不銹鋼車體只是車體外板為不銹鋼材質(zhì)，其成為蒙皮不銹鋼車體；第二個(gè)階段不銹鋼車體除了車體外板使用了不銹鋼材質(zhì)以外，車體的骨架和承載梁也由不銹鋼材質(zhì)代替，成為半不銹鋼車體；第三個(gè)階段成為全不銹鋼車體，車體除了轉(zhuǎn)向架的材質(zhì)不是不銹鋼之外，其與均為不銹鋼；第四個(gè)階段為輕量化不銹鋼車體，整個(gè)車體無(wú)多余的零部件，車體外板平滑化，利用焊接工藝將外板、骨架以及車體外周進(jìn)行智能化焊接。不銹鋼車體的零部件相對(duì)于其他材質(zhì)的車體零部件相對(duì)較少，但是其對(duì)焊接工藝的要求較高，目前應(yīng)用于不銹鋼車體焊接的方法主要有電阻點(diǎn)焊、熔焊以及激光焊，但是無(wú)論那種焊接方法，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中焊縫都會(huì)出現(xiàn)形狀、大小不一的夾雜物，該夾雜物是由于在焊接時(shí)焊縫的溫度較高，溶解的部分不銹鋼材質(zhì)，當(dāng)周圍溫度降低之后，就會(huì)形成夾雜物，夾雜物的出現(xiàn)會(huì)對(duì)不銹鋼車體焊縫質(zhì)量以及裂紋造成影響，該影響決定了不銹鋼車體焊點(diǎn)參數(shù)以及焊點(diǎn)工藝的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，同時(shí)也決定了不銹鋼車體焊接質(zhì)量。但是目前不銹鋼車體焊接工藝性不佳，對(duì)于焊縫中夾雜物比較敏感，并且國(guó)內(nèi)對(duì)于該部分的理論研究較少，不能對(duì)改善不銹鋼車體焊接工藝提供準(zhǔn)確的理論依據(jù)，為此提出焊縫中夾雜物對(duì)不銹鋼車體焊縫質(zhì)量和裂紋的影響研究，為不銹鋼車體焊接技術(shù)發(fā)展和改善提供理論依據(jù)。

1 焊縫中夾雜物對(duì)不銹鋼車體焊縫質(zhì)量的影響

理想的不銹鋼車體焊接工藝是在保證不銹鋼基體強(qiáng)度和低溫韌性等金屬力學(xué)性能不變的情況下，通過(guò)焊接金屬將車體各個(gè)零部件連接起來(lái)，并形成一定的針狀鐵素體形核組織，將其作為焊縫韌化相來(lái)提高焊縫質(zhì)量[1]。有關(guān)研究表明，不銹鋼車體焊縫中存在利于針狀鐵素體形核和不利于針狀鐵素體形核兩種，其中利于針狀鐵素體形核夾雜物形狀為圓球形，呈彌散分布，結(jié)構(gòu)為殼核結(jié)構(gòu)；不利于針狀鐵素體形核夾雜物形狀為多邊形，呈集中分布，結(jié)構(gòu)為晶體結(jié)構(gòu)，下表為不銹鋼車體焊縫兩種夾雜物的化學(xué)成分及力學(xué)性能表。

表1 不銹鋼車體焊縫兩種夾雜物的化學(xué)成分表（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

利于針狀鐵素體形核中碳化學(xué)成分高于不利于針狀鐵素體形核，所以在焊接過(guò)程中利于針狀鐵素體形核夾雜物的析出，可以提高不銹鋼車體焊縫的強(qiáng)度和低溫韌性，以下通過(guò)測(cè)試方法具體分析焊縫中夾雜物對(duì)不銹鋼車體焊縫質(zhì)量影響。

1.1 焊縫中夾雜物對(duì)焊縫強(qiáng)度的影響

在焊接過(guò)程中，高溫環(huán)境下焊接組織析出夾雜物的種類決定了焊縫金屬?gòu)?qiáng)度，因此焊縫中夾雜物對(duì)不銹鋼車體焊縫強(qiáng)度具有重要影響，為了更好的分析二者之間的關(guān)系，此次通過(guò)測(cè)試，測(cè)試出不銹鋼車體焊縫不同熱輸入情況下，形成焊縫夾雜物的種類、夾雜物尺寸大小對(duì)焊縫金屬?gòu)?qiáng)度影響。測(cè)試中采用不銹鋼車體焊接工藝常用的藥芯焊絲作為焊接材料，其直徑大小為1.45mm，含有的化學(xué)元素包含錳、鎂、鐵、鋁、鈦等，車體不銹鋼材料采用上海寶鋼產(chǎn)IGFD 鋼，整體尺寸為300mm×100mm×45mm，不銹鋼的強(qiáng)度為225HV5[2]。測(cè)試中將不銹鋼車體開(kāi)45°坡口，平板對(duì)接位置采用激光焊進(jìn)行焊接，焊接過(guò)程中以純氬氣作為保護(hù)氣體，焊接電流設(shè)置為175A ～195A，焊接電壓設(shè)定為25V ～28V，保護(hù)氣體流量設(shè)定為15.5L/min ～17.5L/min，熱輸入范圍為8J/cm ～28J/cm，記錄下在該熱輸入范圍內(nèi)焊縫夾雜物的物理特征，并且在不銹鋼車體接縫冷卻之后測(cè)量出焊縫金屬?gòu)?qiáng)度，下表為不同熱輸入情況下夾雜物物理特征及焊縫強(qiáng)度。

從表2 可以看出，隨著不銹鋼車體熱輸入的增加，夾雜物尺寸范圍也在不斷增加，并且當(dāng)熱輸入超過(guò)J/cm 時(shí)，焊縫中夾雜物為不利于針狀鐵素體形核，且焊縫金屬?gòu)?qiáng)度較低，當(dāng)熱輸入為8J/cm 時(shí)，不銹鋼車體焊縫中夾雜物為利于針狀鐵素體形核，夾雜物尺寸最小，焊縫金屬?gòu)?qiáng)度最高，并且此時(shí)焊縫金屬?gòu)?qiáng)度高于不銹鋼車體強(qiáng)度。說(shuō)明焊縫中夾雜物的種類與尺寸大小對(duì)焊縫強(qiáng)度有直接的影響，夾雜物為利于針狀鐵素體形核時(shí)，焊縫金屬?gòu)?qiáng)度比較高，且?jiàn)A雜物尺寸越小，焊縫金屬?gòu)?qiáng)度越高。

表2 不同熱輸入情況下夾雜物物理特征及焊縫強(qiáng)度

1.2 焊縫中夾雜物對(duì)焊縫低溫韌性的影響

有關(guān)研究資料表明，焊縫低溫韌性與焊縫中夾雜物的晶粒大小有直接關(guān)系，通常情況下焊縫中的夾雜物無(wú)論是有利針狀鐵素體形核還是不利有利針狀鐵素體形核，其晶粒尺寸大小范圍在0.1um ～1um 之間[3]。通過(guò)測(cè)試記錄不同焊縫夾雜物尺寸條件下，焊縫斷面收縮率以及焊縫延伸率的變化，焊接過(guò)程的工藝參數(shù)參照上文，通過(guò)對(duì)焊縫斷面收縮率以及焊縫延伸率變化分析，得到焊縫中夾雜物對(duì)焊縫低溫韌性的影響，下表為不同焊縫夾雜物尺寸下焊縫低溫韌性。

表3 不同焊縫夾雜物尺寸下焊縫低溫韌性

從上表可以看出，焊縫夾雜物晶體尺寸在0.1um ～0.3um 范圍時(shí)，焊縫斷面收縮率和焊縫延伸率較小，當(dāng)焊縫晶體尺寸超出0.3um 時(shí)，隨著晶體尺寸的增加，焊縫斷面收縮率和焊縫延伸率呈逐漸提高的趨勢(shì)。這說(shuō)明焊縫夾雜物晶體尺寸越小，焊縫低溫韌性能越好，當(dāng)焊縫夾雜物尺寸為0.3um 時(shí)，焊縫低溫韌性能達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。所以不銹鋼車體焊接時(shí)，要將焊縫中夾雜物晶體尺寸控制在0.1um ～0.3um 之間，以此才能保證焊縫低溫韌性良好，進(jìn)而使不銹鋼車體焊接質(zhì)量符合焊接要求。

2 焊縫中夾雜物對(duì)不銹鋼車體焊縫裂紋的影響

有研究發(fā)現(xiàn)，不銹鋼車體焊縫金屬中裂紋的形成和擴(kuò)展是通過(guò)焊縫中夾雜物進(jìn)行的，焊縫中不利于針狀鐵素體形核尺寸較大，在焊接金屬中能夠在其周圍不銹鋼基體之間產(chǎn)生裂紋源，下圖為因焊縫夾雜物生成的不銹鋼車體焊縫裂紋圖。

圖1 因焊縫夾雜物生成的不銹鋼車體焊縫裂紋圖

為了更加深入了解焊縫中夾雜物對(duì)不銹鋼車體焊縫裂紋的影響，分別記錄了不利于針狀鐵素體形核的焊縫夾雜物尺寸在0.1um ～1um 之間，形成焊縫裂紋的幾率，以及焊縫裂紋尺寸范圍，測(cè)試結(jié)果如下表所示。

表4 焊縫中夾雜物對(duì)不銹鋼車體焊縫裂紋的影響

從上表可以看出，隨著不利于針狀鐵素體形核焊縫夾雜物尺寸的增加，焊縫裂紋的形成幾率以及焊縫裂紋的尺寸大小也隨之增加，說(shuō)明焊縫裂紋的生成及尺寸大小與焊縫中夾雜物的尺寸成正相關(guān)關(guān)系，夾雜物尺寸越大，越容易生成焊縫裂紋，且焊縫裂紋的尺寸越大，所以在對(duì)不銹鋼車體焊接過(guò)程中需要嚴(yán)格控制不利于針狀鐵素體形核焊縫夾雜物的尺寸，以此完成焊縫中夾雜物對(duì)不銹鋼車體焊縫質(zhì)量和裂紋的影響研究。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)焊縫中夾雜物對(duì)不銹鋼車體焊縫質(zhì)量和裂紋的影響進(jìn)行了研究，對(duì)改善和優(yōu)化不銹鋼車體焊接工藝具有重要的作用，同時(shí)為提高不銹鋼車體焊縫質(zhì)量和抑制焊縫裂紋生產(chǎn)和擴(kuò)展也起到了重要作用。由于此次僅對(duì)焊縫中夾雜物對(duì)不銹鋼車體焊縫質(zhì)量和裂紋的影響進(jìn)行了分析，研究?jī)?nèi)容比較單一，且不具有針對(duì)性，對(duì)于有關(guān)焊縫中夾雜物的形成規(guī)律、分布規(guī)律以及對(duì)不銹鋼車體焊縫金屬性能的影響機(jī)理還有待進(jìn)一步深入研究。