陳建華，許志森，張翔，張衍坤，孫浩

(中車山東機(jī)車車輛有限公司，山東 濟(jì)南 250022)

0 前言

隨著國(guó)家“一帶一路”倡議的深入推進(jìn)，中車山東機(jī)車車輛有限公司實(shí)施“走出去”戰(zhàn)略，近年來(lái)有多種軌道貨車產(chǎn)品打入歐洲高端貨車市場(chǎng)。其中車體、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架鋼結(jié)構(gòu)主要采用S355J2+N非合金結(jié)構(gòu)鋼，該型號(hào)鋼板執(zhí)行EN 10025-2標(biāo)準(zhǔn)，主要用于制造強(qiáng)度要求更高、成形性更好和性能穩(wěn)定的機(jī)械制造、車輛、化工設(shè)備等各種設(shè)備的結(jié)構(gòu)，大型廠房鋼結(jié)構(gòu)，重要工程及橋梁結(jié)構(gòu)等，在歐洲應(yīng)用廣泛[1]。

為降低成本，在生產(chǎn)制造過(guò)程中不免要出現(xiàn)需對(duì)焊縫接頭進(jìn)行返修的情況。有技術(shù)人員研究了返修焊接對(duì)S355J2W+N耐候結(jié)構(gòu)鋼焊接接頭性能及金相組織的影響[2-3]，但目前對(duì)于S355J2+N還鮮有研究。為了驗(yàn)證返修對(duì)S355J2+N非合金結(jié)構(gòu)鋼焊接接頭性能的影響，為生產(chǎn)制造中制定返修焊工藝提供依據(jù)，我們選取了12 mm厚的S355J2+N板材進(jìn)行了焊接工藝試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)材料和方法

采用MAG焊焊接方法對(duì)S355J2+N非合金結(jié)構(gòu)鋼進(jìn)行了的焊接工藝試驗(yàn)。焊接5塊對(duì)接試板，分別編號(hào)為T(mén)0，T1，T2，T3和T4，其中T0試板不進(jìn)行返修，T1，T2，T3和T4試板分別進(jìn)行1，2，3，4次模擬返修焊接。按照ISO 15614-1-2017《金屬材料焊接工藝規(guī)程及評(píng)定-焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)-第一部分：鋼的弧焊和氣焊、鎳及鎳合金的弧焊》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行焊接工藝評(píng)定并對(duì)接頭各項(xiàng)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.1 母材

選用生產(chǎn)中常用的12 mm厚S355J2+N非合金結(jié)構(gòu)鋼，化學(xué)成分見(jiàn)表1，力學(xué)性能見(jiàn)表2。

表1 母材化學(xué)成分(質(zhì)量數(shù)數(shù)，%)

表2 力學(xué)性能

1.2 焊材

焊絲選用φ1.2 mm的符合ISO 14341-2011-A的 G42 4 M21 3Si1焊絲(保護(hù)氣為成分為80%Ar+20%CO2)。焊絲化學(xué)成分見(jiàn)表3，焊材熔覆金屬力學(xué)性能要求見(jiàn)表4。

表3 焊絲化學(xué)成分

表4 焊材熔覆金屬力學(xué)性能要求

1.3 坡口形式

焊縫接頭形式如圖1所示。焊接時(shí)采用單面焊雙面成形，其中坡口角度α=100°，組對(duì)間隙b=2～3 mm，鈍邊c=0～0.5 mm。模擬返修焊接去除缺陷時(shí)坡口準(zhǔn)備如圖2所示。返修時(shí)，采用碳弧氣刨的方式去除焊縫，去除深度8～10 mm，并將碳化層、氣刨掛渣清除干凈，露出金屬光澤。

圖1 焊接接頭形式

圖2 模擬缺陷清除示意圖

1.4 焊接設(shè)備

焊接設(shè)備選用林肯CV500P MAG焊機(jī)，直流反接。

1.5 焊接工藝

焊前用砂輪打磨焊縫兩側(cè)20 mm區(qū)域，清除影響焊接質(zhì)量的油污、鐵銹、焊渣等。焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 焊接工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 外觀檢測(cè)

按照ISO 5817-2014《鋼、鎳、鈦及其合金熔焊接頭(不包括電子束焊接)缺陷的質(zhì)量等級(jí)》標(biāo)準(zhǔn)B級(jí)對(duì)焊縫外觀進(jìn)行了評(píng)判。焊縫成形良好，表面無(wú)裂紋、咬邊、未熔合、氣孔、夾渣等缺陷。

2.2 無(wú)損檢測(cè)

按ISO 17638-2016《焊縫無(wú)損檢測(cè)-磁粉探傷》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊接接頭進(jìn)行了磁粉探傷并按ISO 23278-2015《焊縫無(wú)損檢測(cè)-磁粉檢驗(yàn)-驗(yàn)收等級(jí)》 標(biāo)準(zhǔn)2X等級(jí)進(jìn)行驗(yàn)收；按ISO 17640-2018《焊縫的無(wú)損檢驗(yàn)-超聲波檢測(cè)》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行超聲波探傷并按ISO 11666-2018《焊接的無(wú)損檢測(cè)-超聲波檢測(cè)-驗(yàn)收》標(biāo)準(zhǔn) 2級(jí)進(jìn)行驗(yàn)收。探傷結(jié)果未發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔等缺陷，焊縫質(zhì)量良好。

2.3 力學(xué)性能測(cè)試

按ISO 4136-2012《金屬材料焊接的破壞性測(cè)試-橫向張力測(cè)試》進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，按ISO 5173—2009《金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn)-彎曲試驗(yàn)》進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，按ISO 9016-2012《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，按ISO 9015-1-2001《金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn)-硬度試驗(yàn) 第1部分：電弧焊接頭硬度試驗(yàn)》進(jìn)行硬度試驗(yàn)。相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果分析如下。

2.3.1拉伸性能

為了更直觀展示結(jié)果并便于分析，將不同返修次數(shù)下2個(gè)抗拉強(qiáng)度結(jié)果取平均值并制成曲線圖，如圖3所示。結(jié)果表明，返修會(huì)造成接頭抗拉強(qiáng)度有一定的下降，返修1至4次抗拉強(qiáng)度平均值分別為未返修接頭抗拉強(qiáng)度平均值的88.4%，98.2%，99.7%，89.4%，但強(qiáng)度均能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)最低要求。其中返修2次和3次時(shí)接頭抗拉強(qiáng)度基本與未返修接頭基本持平。返修次數(shù)1次和4次時(shí)接頭強(qiáng)度下降幅度稍大，由于其斷裂位置為母材且距離焊縫和熱影響區(qū)較遠(yuǎn)，推測(cè)強(qiáng)度降低可能不是由返修焊接造成。

圖3 抗拉強(qiáng)度結(jié)果

2.3.2彎曲試驗(yàn)

對(duì)焊接接頭進(jìn)行取樣，并進(jìn)行了側(cè)彎試驗(yàn)，壓頭直徑等于4倍板厚，彎曲角度180°。結(jié)果表明，彎曲試樣沒(méi)有出現(xiàn)裂紋等缺陷，彎曲性能良好。

2.3.3沖擊性能

對(duì)焊縫和熱影響區(qū)進(jìn)行了-20 ℃沖擊性能試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)在焊縫和熱影響區(qū)各取3個(gè)沖擊試樣，每個(gè)試樣的沖擊吸收能量數(shù)值均大于標(biāo)準(zhǔn)要求的母材沖擊吸收能量最小值。沖擊吸收能量平均值如圖4所示。從圖中可以看出，焊縫和熱影響區(qū)的沖擊吸收能量數(shù)值呈一定波動(dòng)，但其數(shù)值都能遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)要求，甚至返修次數(shù)為2次、3次時(shí)，焊縫區(qū)的沖擊性能比未返修時(shí)更佳，返修2次時(shí)熱影響區(qū)的沖擊性能比未返修時(shí)更佳。

圖4 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

2.4 宏觀金相

不同返修次數(shù)條件下，接頭的宏觀金相如圖5所示，可以看出熔合情況良好。但隨著返修次數(shù)的增加，熱輸入造成試件焊接變形逐漸增大。

2.5 硬度試驗(yàn)

使用維氏硬度儀對(duì)焊接接頭和母材的顯微硬度進(jìn)行了測(cè)量。在上、下表面2 mm處各打一排點(diǎn)，從接頭的一側(cè)母材開(kāi)始，經(jīng)熱影響區(qū)、焊縫直至另一側(cè)母材，每個(gè)區(qū)域3個(gè)點(diǎn)，硬度測(cè)量位置如圖5所示。結(jié)果表明，所有測(cè)試點(diǎn)的硬度都小于320 HV10,滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖5 宏觀金相

3 結(jié)論

(1)S355J2+N非合金結(jié)構(gòu)鋼焊接性能良好，多次返修焊接并沒(méi)有造成焊接接頭抗拉強(qiáng)度、韌性等性能明顯降低，焊接接頭性能各項(xiàng)指標(biāo)均高于工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的最低要求。

(2)試驗(yàn)結(jié)果為生產(chǎn)制造過(guò)程中制定返修焊接工藝提供了依據(jù)。