李春來(lái)，秦慶斌，吳圣川，張曉軍，梁 濤，劉 洋

(1.中車(chē)唐山機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司，唐山 064000；2.西南交通大學(xué)，牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031)

0 引 言

轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架是保證鐵路車(chē)輛安全、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵部件，在服役過(guò)程中承受著制動(dòng)力、慣性力、牽引力等交變載荷的作用。車(chē)輛運(yùn)行速度的不斷提高對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的服役性能提出了更高要求，因此研究焊接接頭的組織與性能對(duì)于優(yōu)化轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接工藝，改善接頭質(zhì)量有著重要的理論和工程意義[1-2]。雖然激光焊接和攪拌摩擦焊發(fā)展迅速，但在鐵路車(chē)輛制造中，弧焊仍是極其重要的焊接方法[3]，弧焊中的熔化極活性氣體保護(hù)電弧(MAG)焊可用于空間各種位置的焊接，尤其適用于碳鋼、合金鋼和不銹鋼的焊接，因此廣泛應(yīng)用于城市地鐵和高速客車(chē)轉(zhuǎn)向架的焊接中[4]。目前，我國(guó)在役地鐵車(chē)輛的焊接構(gòu)架用材料以Q345鑄鋼[5]、S355J2W鑄鋼[5]、16MnR鑄鋼[6]、20SiMn2鑄鋼[7]為主。G20Mn5鑄鋼是歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 10293中規(guī)定的一種低碳低合金鑄鋼，其化學(xué)成分大致對(duì)應(yīng)于我國(guó)JB/T 6402-2006標(biāo)準(zhǔn)中的ZG20Mn鋼與ZG20SiMn鋼。G20Mn5鑄鋼具有裂紋萌生傾向小、焊接性能好、綜合力學(xué)性能較好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于低溫承載件的制造，而在鐵路交通領(lǐng)域，該鑄鋼主要用于制造牽引電機(jī)中的端蓋、懸掛筋、壓圈、止擋座及轉(zhuǎn)向架支架等鑄件[8]。

但是，目前有關(guān)G20Mn5鑄鋼MAG焊接接頭組織與性能方面的報(bào)道較少。因此，作者在選定工藝參數(shù)下對(duì)G20Mn5鑄鋼板進(jìn)行MAG對(duì)接焊，研究了接頭的焊接質(zhì)量、顯微組織、硬度、拉伸性能及高周疲勞性能，為鐵路轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架的制造工藝設(shè)計(jì)及服役評(píng)價(jià)提供技術(shù)支撐。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

焊接用母材采用符合EN 10293-2005標(biāo)準(zhǔn)要求的厚度為8 mm的G20Mn5鑄鋼板，由中車(chē)唐山機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司提供，其屈服強(qiáng)度為295 MPa，抗拉強(qiáng)度為520 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為30%。填充材料為直徑1.2 mm的ER50-6焊絲。母材和焊絲的化學(xué)成分如表1所示。

表1 G20Mn5鑄鋼和ER50-6焊絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

在鑄鋼板上切割出尺寸為400 mm×200 mm×8 mm的焊接試板，開(kāi)V型坡口，鈍邊為2 mm，接頭的形式與尺寸如圖1所示。采用YD-500GL型MAG焊機(jī)對(duì)焊接試板進(jìn)行對(duì)接，焊接電源為直流電源，采用單面兩道焊進(jìn)行焊接，電弧電壓為22～25 V，電流為220 A。為防止焊接接頭中產(chǎn)生較大的變形和冷裂紋，焊前將母材預(yù)熱至100 ℃左右，焊縫層間溫度控制在160 ℃，同時(shí)對(duì)接時(shí)采用墊板。

圖1 焊接接頭的形式及尺寸

1.2 試驗(yàn)方法

在接頭上截取尺寸為8 mm × 10 mm × 40 mm的金相試樣，經(jīng)磨制、拋光，用體積分?jǐn)?shù)4%硝酸酒精溶液腐蝕后，采用Axio Observer.A1m型倒置光學(xué)顯微鏡觀(guān)察組織。采用200HRS-150型數(shù)顯洛氏硬度計(jì)對(duì)金相試樣進(jìn)行硬度測(cè)試，測(cè)試間隔為1.5 mm，載荷為980 N，保載時(shí)間為10 s,得到接頭的硬度分布曲線(xiàn)。在焊接接頭上以焊縫為中心分別截取如圖2所示的拉伸試樣和高周疲勞試樣。G20Mn5鑄鋼接頭可靠運(yùn)用的關(guān)鍵與基礎(chǔ)是不存在超標(biāo)的鑄造缺陷和焊接缺陷[9]，因此按照ISO 17636-1-2013，采用Radioflex-300EGS-2型X射線(xiàn)探傷機(jī)對(duì)拉伸試樣和高周疲勞試樣進(jìn)行缺陷檢測(cè)，按照ISO 10675-1-2013中的Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊接接頭進(jìn)行缺陷評(píng)定。按照GB/T 2651-2008，在MTS 809型液壓伺服材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為0.005 mm·min-1。按照GB/T 3075-2008，在MTS 810型電液伺服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行高周疲勞試驗(yàn)，應(yīng)力比為0.1，停止判據(jù)為107周次，若循環(huán)107周次后試樣未斷，則試驗(yàn)峰值應(yīng)力增加20 MPa，直至試樣斷裂；采用相同的試驗(yàn)方法對(duì)母材的高周疲勞性能進(jìn)行測(cè)試，并與焊接接頭的進(jìn)行對(duì)比。

圖2 拉伸試樣和高周疲勞試樣的形狀與尺寸

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 焊接質(zhì)量

由圖3可以看出：焊接接頭表面成形良好，未發(fā)現(xiàn)未熔合、未焊透等焊接缺陷。經(jīng)X射線(xiàn)探傷后焊接接頭中未發(fā)現(xiàn)明顯的焊接缺陷，評(píng)定結(jié)果為合格。

圖3 焊接接頭焊縫的宏觀(guān)形貌

2.2 顯微組織

由圖4可知，焊接接頭由焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材組成，熱影響區(qū)細(xì)分為不完全正火區(qū)、正火區(qū)和過(guò)熱區(qū)。由圖5可知：焊接接頭母材區(qū)組織由白色塊狀鐵素體和黑色片狀珠光體組成，晶粒大小均勻；不完全正火區(qū)組織主要由已發(fā)生相變和分解的鐵素體和珠光體組成，鐵素體保持母材態(tài)，珠光體分解為碳化物及粗大鐵素體；正火區(qū)中的塊狀先共析鐵素體大小不均勻，珠光體與鐵素體分布不均勻，但晶粒得到明顯細(xì)化；過(guò)熱區(qū)組織主要由粒狀貝氏體、針狀和塊狀鐵素體以及少量珠光體組成，晶粒粗大；熔合線(xiàn)處組織為低碳馬氏體，其上分布著羽毛狀的上貝氏體以及粒狀貝氏體，晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大；焊縫區(qū)存在沿柱狀晶晶界分布的片狀與少量塊狀先共析鐵素體，同時(shí)晶內(nèi)有大量粒狀貝氏體與少量塊狀鐵素體。綜上可知，由母材至焊縫區(qū)，晶粒經(jīng)歷了細(xì)化、粗化、再結(jié)晶的變化過(guò)程。

圖4 焊接接頭的整體形貌

圖5 焊接接頭不同區(qū)域的顯微組織

2.3 硬度與拉伸性能

由圖6可知：由母材到焊縫中心，硬度整體呈先升高后降低的趨勢(shì)；熔合線(xiàn)處的硬度最高，達(dá)到70 HRB左右，這是因?yàn)榇颂幋嬖谶^(guò)熱組織；焊縫區(qū)的硬度在5560 HRB，略高于母材區(qū)的(50～55 HRB)，這是由于焊縫區(qū)組織主要由粗多邊形鐵素體和細(xì)針狀鐵素體組成。

圖6 焊接接頭的硬度分布曲線(xiàn)

由圖7可知，2個(gè)焊接接頭拉伸試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)基本一致，表明二者的拉伸性能接近，拉伸性能指標(biāo)的離散性較小。由表2可以看出，2個(gè)拉伸試樣的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度與斷后伸長(zhǎng)率均較接近，且焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度明顯高于母材的，而斷后伸長(zhǎng)率低于母材的，這表明焊接接頭的塑性較差。

圖7 焊接接頭的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

表2 焊接接頭的拉伸性能

2.4 高周疲勞性能

雖然焊接接頭的強(qiáng)度優(yōu)于母材的，滿(mǎn)足名義應(yīng)力的基本設(shè)計(jì)要求，但應(yīng)進(jìn)一步結(jié)合構(gòu)架設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)測(cè)線(xiàn)路的載荷情況，對(duì)焊接構(gòu)架的疲勞強(qiáng)度開(kāi)展進(jìn)一步評(píng)價(jià)[10-11]，尤其是含有焊接缺陷構(gòu)架的損傷容限評(píng)價(jià)，從而確保車(chē)輛運(yùn)行的安全性。

根據(jù)國(guó)際焊接學(xué)會(huì)IIW標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)母材和焊接接頭的高周疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[12]，擬合得到的母材和焊接接頭的應(yīng)力-壽命(S-N)曲線(xiàn)如圖8所示，圖中箭頭表示試樣未斷，未斷試樣不參與S-N曲線(xiàn)的擬合。由圖8可以看出：在5×106周次和50%存活率下焊接接頭和母材的疲勞強(qiáng)度下限分別約為238， 244 MPa， 97.5%存活率下的分別約為207， 208 MPa，存活率2.5%下的分別約為272，282 MPa?？梢?jiàn)，接頭與母材的高周疲勞強(qiáng)度差別不大，同時(shí)高周疲勞試樣的斷裂位置均位于熱影響區(qū)，表明焊接工藝合理，接頭性能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求[13]。

圖8 母材和焊接接頭的高周疲勞S-N曲線(xiàn)

3 結(jié) 論

(1) 采用單面兩道焊方式對(duì)G20Mn5鑄鋼板進(jìn)行MAG對(duì)接焊，得到的接頭表面成形良好，無(wú)明顯的焊接缺陷，說(shuō)明該焊接工藝合理。

(2) 接頭熱影響區(qū)可分為不完全正火區(qū)、正火區(qū)和過(guò)熱區(qū)，由母材至焊縫，晶粒經(jīng)歷了細(xì)化、粗化、再結(jié)晶的變化過(guò)程。

(3) 由母材到焊縫中心，硬度總體呈先升高后降低的趨勢(shì)，熔合線(xiàn)處的硬度最高，達(dá)到70 HRB左右，焊縫的硬度為55～60 HRB，略高于母材的(50～55 HRB)；接頭的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度明顯高于母材的，而斷后伸長(zhǎng)率低于母材的；接頭的高周疲勞強(qiáng)度與母材的相當(dāng)，且斷裂位置均位于熱影響區(qū)；該接頭滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及疲勞性能的設(shè)計(jì)要求。