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        悉尼雙客轉(zhuǎn)向架制動吊座 對接全熔透焊縫工藝性分析

        2021-09-10 07:22:44于傳穎梁姝博董明
        電焊機(jī) 2021年1期
        關(guān)鍵詞:鑄鋼對接焊接工藝

        于傳穎 梁姝博 董明

        摘要:針對悉尼雙客項目轉(zhuǎn)向架制動吊座鑄鋼G20Mn5與側(cè)梁S355J2W耐候鋼兩種材質(zhì)的X型對接全熔透焊縫工藝進(jìn)行工藝性分析,對焊縫接頭進(jìn)行拉伸、彎曲、沖擊和硬度機(jī)械性能檢測和宏觀金相結(jié)果分析。通過合理制定焊接工藝,對比分析對稱焊接與非對稱焊接的焊接工藝性在生產(chǎn)構(gòu)架上的試驗結(jié)果,總結(jié)出一套滿足質(zhì)量要求、輔助時間短且可操作性強(qiáng)的提質(zhì)增效的焊接工藝方法,實現(xiàn)了鑄鋼與耐候鋼異種材質(zhì)的對接全熔透焊接,為轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)提供了理論依據(jù)與經(jīng)驗。

        關(guān)鍵詞:轉(zhuǎn)向架;鑄鋼;對接;焊接工藝

        中圖分類號:TG444+.2? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A? ? ? ? ?文章編號:1001-2003(2021)01-0094-04

        DOI:10.7512/j.issn.1001-2303.2021.01.15

        0? ? 前言

        轉(zhuǎn)向架制動吊座作為車輛制動系統(tǒng)的基礎(chǔ)組成部分,在車輛運行中承受高強(qiáng)載荷。悉尼雙客項目制動吊座區(qū)別于一般城鐵車之處是:(1)材質(zhì)不同。普通城鐵或高鐵車輛制動吊座與構(gòu)架同屬低碳鋼材質(zhì),而悉尼雙客項目屬不同材質(zhì)。悉尼雙客項目中構(gòu)架為鋼板件,制動吊座為鑄鋼件,其連接焊縫屬異種材料焊接;(2)坡口形式不同。區(qū)別于以上兩種車型的單面HV或HY型坡口(見圖1a),悉尼雙客項目制動吊座焊縫屬X型坡口對接全熔透焊縫(見圖1b);(3)熱輸入不同。為降低鑄鋼G20Mn5焊接接頭裂紋傾向[1-3],焊接時熱輸入要小于一般碳鋼。難點在于較小熱輸入使鑄鋼G20Mn5母材難以熔化,因此與填充金屬熔合困難。在焊縫打底焊的磁粉檢測中,鑄鋼G20Mn5與焊縫金屬發(fā)生側(cè)壁未熔合缺陷較多,焊縫返修率極高。

        為此,本研究針對悉尼雙客項目制動吊座G20Mn5與S355J2W異種材質(zhì)X型坡口對接全熔透焊縫進(jìn)行工藝分析,總結(jié)出一套提質(zhì)增效、完整可行的工藝方法,為轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)提供理論依據(jù)與經(jīng)驗。

        1? 試驗材料和方法

        1.1? 試驗材料

        G20Mn5屬于中碳鋼,焊接接頭熔敷金屬中碳含量較大,焊縫在結(jié)晶過程中更易形成淬硬組織,產(chǎn)生冷裂紋。選取符合EN 10213:2007的試驗片,G20Mn5可能允許的最大碳當(dāng)量(CEV)為0.45%,碳當(dāng)量公式為:

        CEV=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15

        經(jīng)計算可得,G20Mn5試驗片的碳當(dāng)量為0.34%~

        0.66%,焊接工藝性較差,接頭淬硬傾向大,冷裂紋敏感性高,其化學(xué)成分如表1所示。

        S355J2W耐候鋼屬低合金鋼,具有優(yōu)良的強(qiáng)韌、塑性、耐腐蝕、耐高溫、抗疲勞等性能,被廣泛用于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)中[5]。試驗選用母材符合EN 10025-5:2004,化學(xué)成分如表2所示。

        1.2 試驗方法

        接頭選取板厚14 mm,坡口角度60°,間隙0~

        0.5 mm,鈍邊1±0.5 mm的X型坡口對接全熔透焊縫,如圖2所示。

        采用ER70S-6實心焊絲[4-6],保護(hù)氣體為18~

        20 L/min的φ(Ar)82%+φ(CO2)18%混合氣。鑄鋼G20Mn5焊前預(yù)熱,預(yù)熱溫度125 ℃。焊道層間溫度小于250 ℃,焊縫層間修磨、背部清根,打底焊熱輸入值偏小,以減小裂紋傾向[7-8],焊接參數(shù)見表3。

        2 試驗結(jié)果和分析

        2.1 拉伸性能

        根據(jù)ISO15613:2004 及ISO15614-1:2017(E),對非對稱焊接接頭進(jìn)行機(jī)械性能試驗及分析。焊接接頭室溫下拉伸試驗結(jié)果見表4。焊后,鑄鋼G20Mn5熱影響區(qū)位置淬硬性增大,塑性變形能力減弱。接頭抗拉強(qiáng)度高于母材G20Mn5和S355J2W,滿足要求。

        2.2 彎曲性能

        試驗片焊接接頭室溫下彎曲試驗結(jié)果如表5所示。彎曲后,接頭處未發(fā)現(xiàn)裂紋。

        2.3 沖擊性能

        試驗片焊接接頭-20 ℃沖擊試驗結(jié)果表明,焊縫金屬區(qū)、母材G20Mn5熱影響區(qū)、母材G20Mn5、母材S355J2W熱影響區(qū)、母材S355J2W沖擊吸收功分別為130 J、97 J、101 J、113 J、134 J,均高于構(gòu)架沖擊功標(biāo)準(zhǔn)值。

        2.4 硬度試驗

        檢測位置選取距試驗片焊縫橫截面上下表面各3 mm的水平位置處。硬度試驗結(jié)果如表6所示,可以看出焊縫熱影響區(qū)處硬度最高,G20Mn5母材位置硬度次之,S355J2W母材位置硬度最小,硬度最大值小于ISO15614-1:2004標(biāo)準(zhǔn)允許的硬度最大值,符合標(biāo)準(zhǔn)要求,具體實驗結(jié)果如表6所示。

        2.5 宏觀金相

        對磁粉檢測、超聲波檢測合格的焊接接頭進(jìn)行宏觀金相檢測,如圖3所示,焊角飽滿、未見內(nèi)部缺陷。

        3 焊接工藝性

        在試驗構(gòu)架焊接中,制動吊座X型對接焊縫采用對稱與非對稱焊接兩種焊接工藝。對比分析兩種焊接方式的工藝可操作性,為后續(xù)轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)提供參考。

        3.1 對稱焊接

        首先將制動吊座立筋與側(cè)梁立板點固焊接,約束制動吊座焊接變形并保證制動吊座與側(cè)梁連接穩(wěn)固,非對稱焊接亦然。在對稱焊接工藝中,焊接順序與點固如圖4所示,數(shù)字標(biāo)注順序即為焊接順序。即在X型坡口單側(cè)進(jìn)行打底焊1后,翻轉(zhuǎn)構(gòu)架,背面清根兼磁粉檢測。檢測無缺陷后進(jìn)行打底2、填充3。待焊件冷卻后二次翻轉(zhuǎn)試件完成填充4、蓋面5。最后三次翻轉(zhuǎn)構(gòu)架完成蓋面6,并對完整焊縫進(jìn)行超聲波探傷檢測。

        試驗表明,采用此方式焊接時需正反翻轉(zhuǎn)構(gòu)架3次,輔助時間長,生產(chǎn)效率低。經(jīng)過對試驗構(gòu)架4個制動吊座上下8條對接焊縫打底焊1的磁粉檢測結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計,有3條焊縫存在不同長度的連貫的側(cè)壁未熔合,未熔合均在鑄鋼G20Mn5母材一側(cè),缺陷率為37.5%。在對缺陷進(jìn)行打磨清除的過程中,打磨深度或接近于打底焊熔深,易造成打底焊開裂或磨穿焊縫,可操作性差,不建議采用。

        3.2 非對稱焊接

        非對稱焊接相比對稱焊接調(diào)整了焊道順序,探傷工序不變。如圖5所示,數(shù)字標(biāo)注順序即為焊接順序。單側(cè)坡口打底1、填充2、蓋面3,翻轉(zhuǎn)構(gòu)架,進(jìn)行焊縫清根1,清根后磁粉檢測,檢測合格完成焊縫焊接4、5、6。整體焊接完成后,進(jìn)行100%超聲波探傷檢測,若檢測焊縫中存在內(nèi)部缺陷,則對焊縫進(jìn)行修補(bǔ),重新探傷檢測直至合格。

        對整體焊縫進(jìn)行100%超聲波檢測中發(fā)現(xiàn),缺陷多出現(xiàn)在距焊縫表面8~10 mm的X型坡口中間層位置,即打底焊1位置。使用砂輪片將缺陷位置剖開后觀察,缺陷顯示為鑄鋼G20Mn5間斷性側(cè)壁未熔合。為消除缺陷,背面焊縫清根時改變原有“ V ”型坡口打磨至“ U ”型,打磨深度1~3 mm,打磨后坡口深度8~10 mm。增加的“ U ”型坡口清根方式打磨范圍更大、深度更深、更能清除徹底潛在缺陷,減少焊縫內(nèi)部缺陷,減小焊縫返修,優(yōu)化焊縫質(zhì)量。

        經(jīng)過對試驗構(gòu)架4個制動吊座上下8條對接焊縫的磁粉檢測結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計,磁粉檢測合格率為87.5%,較對稱焊接提升50%,具有應(yīng)用推廣價值。而后對磁粉檢測合格的7條焊縫進(jìn)行100%超聲波探傷檢測,合格率100%。且選用非對稱焊接方式翻轉(zhuǎn)構(gòu)架一次,輔助時間小于對稱焊接。綜合對比分析,非對稱焊接工藝方法焊縫質(zhì)量好,生產(chǎn)效率高,工藝性更好。

        4 結(jié)論

        (1)焊接參數(shù)滿足工藝評定要求。接頭具有良好的機(jī)械性能,磁粉探傷檢測合格,宏觀金相無缺陷。

        (2)非對稱焊接焊縫背部清根時將坡口打磨至“ U ”型能夠減少焊縫內(nèi)部缺陷,磁粉檢測合格率為87.5%,較對稱焊接提升50%,磁粉檢測合格的焊縫超聲波探傷檢測合格率100%。

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