周 勇 胡立國(guó) 馮朝明 韓曉茹 張 野 郭 猛 裴 起 郭 帥

(中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司工程技術(shù)中心， 130062， 長(zhǎng)春∥第一作者， 工程師)

隨著國(guó)內(nèi)外城市軌道交通客車市場(chǎng)的快速發(fā)展，不銹鋼客車得到廣泛使用。不銹鋼客車主要為不銹鋼結(jié)構(gòu)，但其中某些部分為不銹鋼+碳鋼的異種鋼焊接結(jié)構(gòu)。由于不同金屬之間的化學(xué)成分、熔點(diǎn)、導(dǎo)熱率、比熱容、線膨脹系數(shù)及焊接收縮率等的差異，使得焊接后焊縫應(yīng)力得不到釋放，容易產(chǎn)生殘余應(yīng)力，引起裂紋失效等問題，對(duì)焊接接頭質(zhì)量影響很大[1]。因此，異種鋼間的焊接工藝性能及焊接接頭的綜合力學(xué)性能研究是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一[2]。

中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司承接的某國(guó)外項(xiàng)目，其底架端部組成中枕梁組成為550W碳鋼材質(zhì)，縱梁組成為301LN不銹鋼材質(zhì)。兩種金屬之間的焊接工藝無參考資料，亦無相關(guān)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。為確定焊接工藝，保證焊接質(zhì)量，本文對(duì)異種鋼相關(guān)焊接工藝性能進(jìn)行了試驗(yàn)。通過對(duì)試樣進(jìn)行探傷檢測(cè)、力學(xué)性能測(cè)試、低倍焊縫組織觀察及硬度檢測(cè)，綜合試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)異種鋼制定了最終的焊接工藝方案。

1 550W碳鋼和301LN不銹鋼焊接性能分析

301LN是一種低碳奧氏體不銹鋼，廣泛應(yīng)用于城市軌道交通客車行業(yè)。由于其含有較高的鎳、鉻、鉬等合金元素，能夠使金屬表面形成一層不溶解于某些介質(zhì)的堅(jiān)固的氧化薄膜(鈍化膜)，使金屬與外界介質(zhì)隔離而不發(fā)生化學(xué)作用，故301LN不銹鋼具有很好的耐腐蝕、抗氧化性能，并具有較好的塑性、韌性、加工性能與焊接性能。

550W為瑞典SSAB公司生產(chǎn)的一種高強(qiáng)度耐候鋼。該高強(qiáng)鋼具有較好的耐腐蝕、易焊接等性能，主要用于壓力容器、軌道交通客車等行業(yè)。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)此無相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)可參考。

由于兩種金屬所含合金元素種類及含量不同，兩種金屬之間的焊接屬于典型的異種鋼焊接。為獲得理想的焊接接頭，需注意以下問題。

1.1 熔點(diǎn)差異

由于兩種金屬含碳量不同，導(dǎo)致其熔點(diǎn)存在差別，故其焊接過程中存在一側(cè)母材金屬為固態(tài)、一側(cè)母材金屬為液體的情況，造成焊接過熱區(qū)合金元素大量燒損、流失或蒸發(fā)，出現(xiàn)局部區(qū)域焊縫性能降低，難以獲得滿意的焊接接頭[3]。

1.2 熱導(dǎo)率和比熱容差異

金屬的熱導(dǎo)率和比熱容與被焊材料的熔化、熔池的形成、焊接區(qū)溫度場(chǎng)和焊縫凝固結(jié)晶有關(guān)。不銹鋼熱導(dǎo)率大約是碳鋼的1/3，使得被焊材料熔化不同步，熔池形成與金屬結(jié)合不良，最終因焊縫結(jié)晶條件變壞而導(dǎo)致焊縫性能和成形不良。

1.3 線膨脹系數(shù)差異

碳鋼和不銹鋼的線膨脹系數(shù)不同，其焊接冷卻過程中，導(dǎo)致焊縫及兩側(cè)母材的收縮量不同，易造成焊縫或熱影響區(qū)產(chǎn)生裂紋，降低焊縫性能，甚至出現(xiàn)焊縫與母材金屬剝離的情況。

1.4 電磁性差異

不銹鋼和碳鋼焊接時(shí)，由于焊縫兩側(cè)母材電磁性存在著較大的差異，容易出現(xiàn)熔池電弧偏弧、電弧燃燒不穩(wěn)定的情況，造成焊縫成形不良，甚至出現(xiàn)局部未熔合的情況。

1.5 脆性化合物

由于不同金屬所含合金元素的種類及含量不同，其焊接過程中，易發(fā)生冶金反應(yīng)，且在焊縫及熔合區(qū)形成新的物質(zhì)，成為金屬間化合物。由于靠近不同母材側(cè)所含化合物的種類及含量存在差異，且某些物質(zhì)的物理屬性較脆，就可能對(duì)接頭處力學(xué)性能產(chǎn)生較大影響，甚至?xí)档秃缚p處的塑性和韌性。

某些金屬焊接后，接頭處性能良好，但易生成其他物質(zhì)。例如，在熱影響區(qū)的晶界上形成一種貧鉻層，這種物質(zhì)含有碳化物，一旦產(chǎn)生，就會(huì)導(dǎo)致在其使用過程中設(shè)備之間產(chǎn)生晶間腐蝕效果，影響設(shè)備的使用壽命，存在焊縫開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

2 550W碳鋼與301LN不銹鋼焊接工藝試驗(yàn)

550W碳鋼與301LN不銹鋼在化學(xué)成分、物理性能等方面存在較大差異。為獲得理想狀態(tài)的焊接接頭，需要從焊接性能分析著手，正確選擇焊接方法、焊接材料和焊接工藝。

2.1 焊接材料及焊接方法

焊接處金屬的化學(xué)成分由填充金屬?zèng)Q定。從抑制熔合區(qū)中碳擴(kuò)散、提高焊縫金屬抗裂紋能力、調(diào)整焊縫和熔合區(qū)的組織和性能、改變焊接接頭應(yīng)力分布等方面考慮，焊接材料應(yīng)選用含Cr、Ni等合金元素高于不銹鋼母材的焊接材料，并使焊接接頭滿足較低級(jí)別母材的力學(xué)性能，同時(shí)應(yīng)具備良好的工藝性能，以滿足實(shí)際生產(chǎn)中所有的焊接位置。

采用手工焊時(shí)可以選擇含Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19.0%、含Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.3%的A022不銹鋼焊條；采用非熔化極鎢極氬弧焊時(shí)，填充焊絲可以選擇綜合性能較好的 ER309L氬弧焊絲；采用氣體保護(hù)熔化極點(diǎn)焊時(shí)，可以選擇E309LTi藥芯焊絲或ER309LSi實(shí)心焊絲。

考慮到現(xiàn)場(chǎng)施焊條件及實(shí)際生產(chǎn)需要，選擇公司常用的氣體保護(hù)熔化極電弧焊(GMAW)。

結(jié)合AWS A5.9/A5.9M—2006《不銹鋼焊條及焊棒規(guī)范》，焊接材料選擇抗拉強(qiáng)度≥510 MPa的ER309LSi實(shí)心焊絲。該焊接材料相當(dāng)于ISO 14343: 2017 Welding consumables — Wire electrodes, strip electrodes, wires and rods for arc welding of stainless and heat resisting steels —Classification中的G2312LSi，焊絲直徑為1 mm。保護(hù)氣體選擇97%Ar + 3%O2。

根據(jù)Swedish Steel AB公司提供的相關(guān)資料及ASTM A666: 2015 Standard Specification for Annealed or Cold-Worked Austenitic Stainless Steel Sheet, Strip, Plate, and Flat Bar和ISO 14343: 2017，兩種金屬及焊接材料的化學(xué)成分見表1。

2.2 焊接接頭

對(duì)于異種鋼焊接工藝性能試驗(yàn)，需要結(jié)合設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的接頭形式，同時(shí)按照AWS D1.6/D1.6M: 2007《結(jié)構(gòu)焊接標(biāo)準(zhǔn) 不銹鋼》中的規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)，并開展焊接工藝性能試驗(yàn)，確保該試驗(yàn)可以覆蓋實(shí)際生產(chǎn)中的接頭類型和焊接位置。

根據(jù)AWS D1.6/D1.6M: 2007中第4章“非管材連接的CJP坡口焊縫”，選擇厚度均為6 mm的550W碳鋼和301LN-1/4H不銹鋼；301LN-1/4H不銹鋼單側(cè)開45°坡口，鈍邊厚0.5 mm，具體坡口形式見圖1；焊接位置為橫焊(2G)。焊接前對(duì)坡口兩側(cè)及邊緣20 mm范圍區(qū)域進(jìn)行打磨，去除氧化皮、雜質(zhì)、油污、油漆等，保證焊接時(shí)無雜質(zhì)元素侵入，確保試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

表1 試驗(yàn)用母材及焊接材料所含化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù) Tab.1 Mass fraction of chemical components in test base metal and welding materials 單位：%

單位：mm圖1 坡口形式Fig.1 Groove type

2.3 焊接工藝參數(shù)

結(jié)合公司以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，本試驗(yàn)采用2層2道焊接，焊接時(shí)采用直流反接；焊接過程中利用紅外測(cè)溫儀測(cè)量道間溫度，保證道間溫度不低于20 ℃，不高于200 ℃；焊接時(shí)進(jìn)行層間清理，保證焊接質(zhì)量，要求每層焊縫一次完成。本試驗(yàn)選取的焊接工藝參數(shù)見表2。

表2 焊接工藝參數(shù)Tab.2 Welding parameter

2.4 焊接試驗(yàn)方法

試樣制作完成后，根據(jù)AWS D1.6/D1.6M: 2007中的規(guī)定對(duì)試驗(yàn)焊縫進(jìn)行無損檢測(cè)、力學(xué)性能檢測(cè)、低倍觀察及硬度檢測(cè)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 無損檢測(cè)

根據(jù)AWS D1.6/D1.6M: 2007中第6章的規(guī)定，對(duì)焊接完成的焊接試樣進(jìn)行無損檢測(cè)。無損檢測(cè)包括目視檢測(cè)及X射線探傷檢測(cè)。

目視檢測(cè)焊縫外觀，無咬邊、焊瘤、氣孔、未熔合、裂紋、夾渣、根部凹槽等缺陷，焊縫余高符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

目視檢測(cè)合格后，對(duì)試樣進(jìn)行X射線探傷檢測(cè)。檢測(cè)表明，試樣焊縫區(qū)域無明顯縱向裂紋、橫向裂紋及弧坑裂紋，內(nèi)部無條狀、塊狀、簇狀等氣孔，不存在內(nèi)部夾渣等缺陷，焊縫成形良好，X射線照射檢測(cè)評(píng)定結(jié)果合格。

3.2 焊接試樣力學(xué)性能檢測(cè)

對(duì)探傷合格的試樣，按照AWS D1.6/D1.6M: 2007中第4章的規(guī)定加工樣塊，并進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)。

試驗(yàn)用母材及試樣的力學(xué)性能見表3。由表3可見，試樣的抗拉強(qiáng)度分別為650 MPa和660 MPa，試樣斷裂于焊縫處，表明異種鋼連接位置的強(qiáng)度能夠滿足設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)對(duì)其強(qiáng)度的要求。

表3 試驗(yàn)用母材及試樣拉伸性能Tab.3 Tensile properties of test base metal and samples

分析認(rèn)為，ER309LSi焊絲中的碳元素含量比550W碳鋼中的碳元素含量要低，與301LN-1/4H不銹鋼中碳元素含量近似。較低的碳元素含量對(duì)合金的拉伸性能是有利的，同時(shí)ER309LSi焊絲中的鎳元素也起到了減弱熔合區(qū)碳原子的遷移作用[4]，避免接頭焊縫中裂紋的產(chǎn)生。碳鋼中錳元素與鐵發(fā)生固溶強(qiáng)化[5]，提高了異種鋼焊接接頭的抗拉強(qiáng)度。

根據(jù)AWS D1.6/D1.6M: 2007中第4章的規(guī)定，當(dāng)試樣板厚小于等于10 mm時(shí)，彎曲試驗(yàn)包括2個(gè)根部彎曲(背彎)試驗(yàn)和2個(gè)正面彎曲(正彎)試驗(yàn)。焊縫區(qū)焊接接頭彎曲試驗(yàn)結(jié)果見表4。由表4可見，彎曲試驗(yàn)中正彎和背彎彎曲180°后，試樣的拉伸面均未出現(xiàn)裂紋、焊縫斷裂等不合格問題，說明焊接接頭的塑性性能即變形能力符合標(biāo)準(zhǔn)要求，彎曲性能優(yōu)良，焊接接頭彎曲試驗(yàn)評(píng)定為合格。

表4 焊縫區(qū)焊接接頭彎曲試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Bending test of welded joints in weld zone

3.3 低倍觀察

低倍焊縫組織觀察主要為檢驗(yàn)焊接試樣中焊縫金屬與母材的熔合情況、焊縫熔深及焊縫余高等。觀察本試驗(yàn)中的低倍焊縫組織(見圖2)可以發(fā)現(xiàn)，焊縫金屬與母材熔合良好，根部熔合良好，焊縫熔深6 mm，無夾渣、咬邊、側(cè)壁未熔合、未焊透等缺陷。由于焊接位置為2G橫焊，焊縫余高相較于1G平焊略高，但焊縫余高小于AWS D1.6/D1.6M—2007中第5章規(guī)定的最大值3 mm，屬于理想狀態(tài)的焊縫余高。由此可判定，焊接接頭低倍焊縫組織觀察結(jié)果合格。

3.4 硬度檢測(cè)

選取1個(gè)焊接接頭低倍焊縫組織觀察合格的試樣，使用維氏硬度計(jì)對(duì)其進(jìn)行硬度檢測(cè)。檢測(cè)載荷取10 kg，加載時(shí)間取15 s。分別在試樣母材區(qū)、熔合區(qū)及焊縫區(qū)各選取3個(gè)測(cè)點(diǎn)，總共30個(gè)測(cè)點(diǎn)。試樣硬度測(cè)點(diǎn)見圖3。

圖2 焊接接頭低倍焊縫組織觀察Fig.2 Microstructure observation of low magnification weld on the welded joints

注：測(cè)量線f距試樣上表面0.5 mm；測(cè)量線r距試樣根部0.5 mm；測(cè)量區(qū)域1為550W碳鋼側(cè)熔合區(qū)；測(cè)量區(qū)域2為301LN不銹鋼側(cè)熔合區(qū)。圖3 試樣硬度測(cè)點(diǎn)簡(jiǎn)圖Fig.3 Diagram of sample hardness measuring points

表5為焊縫區(qū)焊接接頭硬度。由表5可見，焊縫區(qū)焊接接頭硬度最小。這是因?yàn)槟覆暮蜔嵊绊憛^(qū)的奧氏體組織含量變化不大，但焊縫中的奧氏體數(shù)量明顯多于母材和熱影響區(qū)。

焊縫根部硬度比上部略高，主要是因?yàn)椋汉附舆^程中根部焊接速度較快，焊接停留時(shí)間較短，液體金屬流動(dòng)性較差，熔化的母材金屬和填充金屬混合不充分，使得在此側(cè)焊縫金屬中碳鋼占比增大，從而形成一個(gè)成分梯度很大的過渡層，而在過渡層中存在一層硬度很高的馬氏體組織。

表5 試樣焊縫區(qū)焊接接頭硬度Tab.5 Hardness of welded joints in sample weld zone

4 結(jié)論

1) 綜合目視檢測(cè)、X射線照射結(jié)果及焊接接頭低倍焊縫組織結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)焊縫區(qū)域組織無氣孔、夾渣、未熔合、微裂紋等缺陷，焊縫橫斷面內(nèi)部質(zhì)量滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2) 綜合拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)及硬度試驗(yàn)結(jié)果，確認(rèn)使用焊接材料ER309LSi可以保證焊接接頭具備良好的機(jī)械性能，滿足相關(guān)設(shè)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)要求。

3) 綜合無損檢測(cè)、力學(xué)性能檢測(cè)、低倍組織觀察及硬度檢測(cè)結(jié)果，可以確認(rèn)該焊接工藝性能試驗(yàn)符合AWS D1.6/D1.6M： 2007中第4章規(guī)定的CJP焊縫工藝評(píng)定要求。根據(jù)AWS D1.6/D1.6M： 2007，該次焊接性能試驗(yàn)的相關(guān)參數(shù)可應(yīng)用于以下情況的焊接：焊接母材板厚2～12 mm，焊接位置為平焊(F)或橫焊(H)，焊接接頭類型為坡口焊縫(CJP /PJP)或角焊縫，坡口角度不小于45°。