胡彬，馬凱夫，彭玲陽(yáng)

中車株洲電力機(jī)車有限公司 湖南株洲 412001

1 序言

隨著貨運(yùn)列車、提速旅客客車、重載貨運(yùn)列車、高速列車及復(fù)興號(hào)動(dòng)車組的快速發(fā)展，使得我國(guó)的鐵路發(fā)展越來(lái)越走向國(guó)際化[1]。轉(zhuǎn)向架是軌道車輛中最重要的承載結(jié)構(gòu)之一，擔(dān)負(fù)著支撐車體、運(yùn)行、轉(zhuǎn)向等功能，它決定著客車的運(yùn)行品質(zhì)和行車安全[2]。構(gòu)架是軌道車輛轉(zhuǎn)向架最關(guān)鍵的零部件之一，也是轉(zhuǎn)向架其他零部件的安裝基礎(chǔ)，在軌道車輛的牽引運(yùn)行中承受、傳遞各種作用力及載荷，因此，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的可靠性對(duì)軌道車輛的性能和安全性有著重大影響[3]。

焊接工藝控制不嚴(yán)格，會(huì)導(dǎo)致接頭性能變化，尤其是焊接熱影響區(qū)性能的降低，因此為了能得到性能優(yōu)良的焊接接頭，需要把焊接參數(shù)控制在一定范圍。電弧電壓、焊接電流以及焊接速度是焊接熱輸入的集中體現(xiàn)，因此，研究焊接熱輸入對(duì)材料焊縫和熱影響區(qū)組織性能的影響對(duì)提高接頭性能具有重要意義[4]。本文主要通過對(duì)構(gòu)架常用材料16MnDR鋼在不同焊接熱輸入下的典型焊接接頭的微觀組織分析及力學(xué)性能測(cè)試，研究不同焊接熱輸入下的焊接變形量，為構(gòu)架焊接時(shí)焊接變形提供一定的理論數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)過程

2.1 試驗(yàn)材料

母材為轉(zhuǎn)向架構(gòu)架常用材料12mm厚16MnDR鋼，使用的焊接材料為ISO 14341-A-G 38 4 M21 2Si，保護(hù)氣體為富氬混合氣（Ar80%+CO220%）。

2.2 焊接試驗(yàn)

（1）試驗(yàn)條件 采用熱輸入值為10～15k J/c m、15～20k J/c m和20～25k J/c m，分別對(duì)兩塊300mm×150mm×12mm板材對(duì)接焊縫焊接（見圖1），焊接方法為MAG焊。

圖1 試驗(yàn)條件

（2）焊接試驗(yàn)方案 具體試驗(yàn)方案如下。

方案1：組裝時(shí)試板平直（不做任何反變形），不采用剛性固定，讓焊接試板自由變形，焊后檢測(cè)試板變形尺寸（以邊緣翹起高度作為變形量）。

方案2：組裝同方案1，焊接時(shí)采用剛性固定后進(jìn)行焊接，壓緊位置保持一致。焊后檢測(cè)同方案1。

方案3：組裝時(shí)預(yù)留反變形（反變形角度保持一致），不采用剛性固定，讓焊接試板自由變形。焊后檢測(cè)同方案1。

方案4：組裝同方案3，不采用剛性固定，讓焊接試板自由變形，焊后對(duì)試板進(jìn)行退火處理，采用現(xiàn)有城軌構(gòu)架去應(yīng)力退火工藝。

4種方案材料編號(hào)及焊接工藝見表1。

（3）試驗(yàn)步驟 具體試驗(yàn)步驟如下。

1）組裝對(duì)接試板，組裝時(shí)保證對(duì)接間隙為3mm，焊縫背面貼陶瓷墊板，保證兩試板平直度。

表1 材料編號(hào)及焊接工藝

2）采用手工MAG焊進(jìn)行對(duì)接試板定位焊，焊點(diǎn)為距兩端部25mm，反面焊接，焊接電流220A，電弧電壓24V。

3）焊前采用點(diǎn)溫計(jì)測(cè)量對(duì)接試板離焊縫中心50mm處的溫度，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。

4）采用機(jī)械手焊接對(duì)接試板，焊接時(shí)分別采用預(yù)定的3種熱輸入值進(jìn)行焊接。根據(jù)熱輸入進(jìn)行編程，確定焊接參數(shù)。道間溫度控制在150～200℃。熱輸入以機(jī)械手自動(dòng)輸出的數(shù)值為準(zhǔn)，另記錄焊接過程中焊接時(shí)間、焊接電流、電弧電壓等數(shù)據(jù)。

5）焊接完成后，立即使用點(diǎn)溫計(jì)測(cè)量對(duì)接試板離焊縫中心50mm處溫度，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。

6）待焊縫冷卻后測(cè)量對(duì)接試板的外形，并根據(jù)編號(hào)進(jìn)行試板數(shù)據(jù)記錄。

7）檢測(cè)焊縫余高、焊縫蓋面寬度，并根據(jù)編號(hào)進(jìn)行試板數(shù)據(jù)記錄。

8）待焊縫冷卻后，對(duì)試板進(jìn)行超聲波檢測(cè)，檢測(cè)合格后對(duì)焊縫上下表面光焊，余留10mm有效厚度，光焊后進(jìn)行磁粉檢測(cè)。

9）根據(jù)試驗(yàn)條件及其焊接方案進(jìn)行取樣，并進(jìn)行相關(guān)力學(xué)性能試驗(yàn)。

2.3 試驗(yàn)類型與方法

（1）金相組織 按ISO 17639：2003《金屬焊接接頭的破壞性試驗(yàn)-焊縫的宏觀和微觀試驗(yàn)》執(zhí)行，對(duì)樣件進(jìn)行宏觀金相試驗(yàn)，其金相試樣如圖2所示。采用20%硝酸酒精水溶液作為腐蝕劑并通過光學(xué)顯微鏡和相機(jī)進(jìn)行拍照。

圖2 金相試樣結(jié)

（2）硬度測(cè)試 按ISO 9015-2：2011《金屬材料破壞性試驗(yàn)-硬度試驗(yàn)第二部分：弧焊接頭的顯微硬度試驗(yàn)》執(zhí)行，加載載荷為9.8N，每個(gè)硬度點(diǎn)間距為1mm，測(cè)試區(qū)域包括母材、熱影響區(qū)及焊縫金屬。本項(xiàng)目中板材厚度＞6mm，測(cè)量位置選取距上下板面各1mm以及厚度中間的位置。

（3）拉伸試驗(yàn) 按ISO 4136：2011《金屬材料焊縫的破壞性試驗(yàn)-橫向拉伸試驗(yàn)》執(zhí)行，對(duì)樣件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，用于評(píng)價(jià)母材及焊接接頭的強(qiáng)度和塑性。

（4）彎曲試驗(yàn) 按ISO 5173：2009《金屬材料焊縫的破壞性試驗(yàn)-彎曲試驗(yàn)》執(zhí)行，彎曲角度為180°。彎曲試驗(yàn)判定標(biāo)準(zhǔn)參見ISO 15614-2：2005，試樣在任何方向上都不應(yīng)出現(xiàn)＞3mm的單條裂紋。試驗(yàn)過程中出現(xiàn)在試樣角部的裂紋，可以在評(píng)估時(shí)忽略不計(jì)。

（5）沖擊試驗(yàn) 沖擊試驗(yàn)按GB/T 229—2007《金屬夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》執(zhí)行，試樣上預(yù)先制備符合國(guó)標(biāo)的V型缺口，機(jī)械加工成形，試樣正中開一深2mm、45°V型缺口；缺口分別開在焊縫區(qū)及熱影響區(qū)，用于表征材料缺口敏感性（韌性），試驗(yàn)溫度為－40℃。

3 試驗(yàn)過程

（1）焊接參數(shù)調(diào)試及其試板焊接 根據(jù)試驗(yàn)條件及試驗(yàn)方案可知，采用機(jī)械手焊接對(duì)接試板，焊接時(shí)分別采用10～15kJ/cm、15～20kJ/cm、20～25kJ/cm的焊接熱輸入進(jìn)行焊接。首先需要根據(jù)熱輸入進(jìn)行編程，確定焊接參數(shù)。

焊接熱輸入由下式計(jì)算：

式中E——焊接熱輸入（kJ/cm）；

U——電弧電壓（V）；

I——焊接電流（A）；

v——焊接速度（cm/s）；

η——熱效率系數(shù)，氬弧焊取0.5，氣保焊取0.6～0.8，埋弧焊取0.8～0.9。

依據(jù)前面所述試驗(yàn)條件及試驗(yàn)方案，根據(jù)上述優(yōu)化的焊接參數(shù)對(duì)所有編號(hào)的試板，按照對(duì)應(yīng)試驗(yàn)條件及試驗(yàn)方案進(jìn)行焊接試驗(yàn)。兩層兩道焊縫及背面焊縫形貌如圖3所示。

圖3 兩層兩道焊縫及背面焊縫形貌

（2）焊接參數(shù)及變形量 在不同焊接方案和不同焊接參數(shù)條件下，變形量控制有所差別，在不做反變形及剛性固定時(shí)產(chǎn)生的變形量較大；焊接2層變形量為4.5mm，焊接3層變形量為3mm，焊接4層變形量為6.5mm。由于12mm厚焊接試板焊接4層較難控制，余高較高，總焊接量較大，所以變形量最大。剛性固定對(duì)于焊接量較大的試板，無(wú)法完全控制；采用反變形可減少焊接量較大的試板變形尺寸。

（3）試板無(wú)損檢測(cè) 將所有焊接完的試板打磨后進(jìn)行X射線檢測(cè)，結(jié)果均合格。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 焊接接頭的硬度結(jié)果

根據(jù)所有焊接試樣的硬度值統(tǒng)計(jì)分析可知，在焊接方案1、2條件下，16MnDR鋼在不同焊接熱輸入下的試樣各區(qū)域的母材表面硬度分布曲線如圖4所示。

由圖4可知，16MnDR鋼在不同焊接熱輸入下的試樣各區(qū)域的硬度分布差別不大，三種不同焊接熱輸入下硬度均符合標(biāo)準(zhǔn)要求（≤380HV），硬度最高值均在熱影響區(qū)，且熱影響區(qū)硬度值在熱輸入為10～15kJ/cm時(shí)最高。

根據(jù)不同焊接試樣的硬度值可知，在焊接方案3、4條件下，16MnDR鋼在不同焊接熱輸入下的試樣各區(qū)域的母材表面硬度分布曲線如圖5所示。

由圖5可知，16MnDR鋼在退火和不退火的焊接工藝下，不同焊接熱輸入下的試樣各區(qū)域的硬度分布均呈現(xiàn)出退火工藝的焊接母材表面硬度值小于不退火工藝，符合母材退火軟化（退火消除加工硬化和應(yīng)力）后，硬度相應(yīng)降低的情況。

圖4 不同焊接熱輸入下的試樣各區(qū)域的母材表面硬度分布曲線

圖5 不同焊接熱輸入下的試樣各區(qū)域的母材表面硬度分布曲線

4.2 焊接接頭力學(xué)性能

根據(jù)不同焊接接頭的拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，根據(jù)GB/T 3531—2014《低溫壓力容器用鋼板》拉伸試驗(yàn)抗拉強(qiáng)度為490～620MPa的要求，低熱輸入下（10～15kJ/cm）的退火工藝試板抗拉強(qiáng)度屬于不合格，其他試板拉伸試驗(yàn)的平均抗拉強(qiáng)度在3種試驗(yàn)條件下的焊接差異不大，均合格。

對(duì)應(yīng)沒有采用退火工藝的熱輸入10～15kJ/cm試板的硬度均值大于采用退火工藝的硬度值，即退火后的試板相對(duì)較軟，從而導(dǎo)致退火后的試板抗拉強(qiáng)度減小，即低熱輸入下的焊接試板不宜進(jìn)行退火處理。

根據(jù)焊接接頭的彎曲試驗(yàn)結(jié)果表明，所有編號(hào)試板在180°彎曲角度下均滿足要求，未開裂。

根據(jù)16MnDR鋼在焊接方案1～4的焊接接頭的沖擊性能試驗(yàn)結(jié)果可知，16MnDR鋼在不同焊接熱輸入下的焊縫和熱影響區(qū)的平均沖擊吸收能量分布曲線如圖6所示。

圖6 焊縫和熱影響區(qū)的平均沖擊吸收能量曲線

根據(jù)G B/T 3531—2014《低溫壓力容器用鋼板》規(guī)定，16MnDR鋼沖擊吸收能量≥47J，通過試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)焊接熱輸入為20～25kJ/cm時(shí)的試板沖擊吸收能量不合格，另外兩種焊接熱輸入的沖擊吸收能量合格。同時(shí)由圖6可知，16MnDR鋼在不同焊接熱輸入下的平均沖擊吸收能量不同，且焊縫和熱影響區(qū)的平均沖擊吸收能量均隨熱輸入的減少而增大，焊縫區(qū)的平均沖擊吸收能量在熱輸入為15～20kJ/cm時(shí)最高。

采用退火工藝的3種焊接熱輸入對(duì)應(yīng)試板熱影響區(qū)的平均沖擊吸收能量，均小于沒有采用退火工藝的平均沖擊吸收能量；而對(duì)于焊縫區(qū)的平均沖擊吸收能量，3種焊接熱輸入下試板的平均沖擊吸收能量基本相同。

4.3 微觀金相組織

由圖7可知，不同焊接熱輸入下的焊接接頭微觀組織在母材區(qū)、熱影響區(qū)、焊縫區(qū)的金相組織基本相同，母材區(qū)的微觀組織主要包括鐵素體+呈帶狀分布的珠光體；熱影響區(qū)的微觀組織包括貝氏體+索氏體，沒有采用退火工藝的熱輸入20～25kJ/cm試板還包括鐵素體；焊縫區(qū)的微觀組織區(qū)域中白色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)生長(zhǎng)，晶內(nèi)為針狀鐵素體+粒狀貝氏體+珠光體，但是其晶粒大小和形態(tài)有所差異。焊接熱輸入為20～25kJ/cm的試板金相晶粒較大，而焊接熱輸入為10 ～15kJ/cm的試板金相晶粒較小。

圖7 焊接試板微觀金相組織

相同試驗(yàn)條件及其焊接熱輸入下，采用退火工藝的3種焊接熱輸入試板金相組織和沒有采用退火工藝的3種焊接熱輸入試板金相組織基本相同，但是其晶粒大小和形態(tài)有所差異。退火工藝的3種焊接熱輸入試板金相晶粒，均小于對(duì)應(yīng)沒有退火工藝的金相晶粒。

由焊接方案3的3種焊接熱輸入試板的微觀金相組織分析可知，20～25kJ/cm試板的熱影響區(qū)含有鐵素體，而針狀鐵素體具有良好的韌性[5]，即存在熱影響區(qū)熱輸入20～25kJ/cm試板的沖擊吸收能量大于熱輸入15～20kJ/cm試板的現(xiàn)象。由焊接方案4的3種焊接熱輸入試板的沖擊吸收能量可知，熱影響區(qū)的15～20kJ/cm試板沖擊吸收能量比10～15kJ/cm試板高。綜上試驗(yàn)結(jié)果表明，沖擊吸收能量隨熱輸入的減少而增大。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架常用材料（16MnDR鋼）在不同焊接熱輸入下典型焊接接頭的微觀組織分析及力學(xué)性能測(cè)試，對(duì)比分析16MnDR鋼在不同焊接熱輸入下的接頭微觀組織、常規(guī)力學(xué)性能（彎曲、拉伸、沖擊、硬度），可以得到以下結(jié)論。

1）焊接過程中，焊接變形量和焊接熱輸入有關(guān)，焊接總熱輸入值越大，其焊接變形越大。

2）不同焊接熱輸入下，母材焊接接頭的拉伸性能滿足要求，低熱輸入下的退火工藝抗拉強(qiáng)度較低。

3）不同焊接熱輸入下硬度均滿足要求，焊接接頭硬度非熱處理時(shí)≤380HV，熱處理時(shí)≤320HV。

4）不同焊接熱輸入對(duì)焊接接頭的沖擊性能影響比較大，10～15kJ/cm焊接熱輸入焊縫和熱影響區(qū)的沖擊性能最小；退火后的沖擊性能在熱影響區(qū)均有所下降，其中20～25kJ/cm焊接熱輸入的沖擊性能下降超過60%，退火后的沖擊性能在焊縫區(qū)基本差別不大。

綜上所述，采用剛性固定、預(yù)留反變形的焊接方式在15～20kJ/cm焊接熱輸入下，針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)常用材料12mm厚16MnDR鋼試板，所得焊接接頭的微觀組織及力學(xué)性能測(cè)試最優(yōu)。