S355J2W+N鋼焊接接頭返修焊金相組織分析

宮 平，常 力

（中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，吉林長(zhǎng)春130062）

0 前言

S355J2W+N改良型耐候結(jié)構(gòu)鋼是CRH380BL動(dòng)車組和城鐵A型車轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)常用鋼板材料。CRH380BL動(dòng)車組是以CRH3動(dòng)車組為樣車進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)的，構(gòu)架由2根箱型側(cè)梁和2根無縫鋼管橫梁組成H型結(jié)構(gòu)[1-3]。城鐵A型車是借鑒動(dòng)車組構(gòu)架結(jié)構(gòu)和既有B型車構(gòu)架結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)，自主研發(fā)設(shè)計(jì)的新型轉(zhuǎn)向架。在動(dòng)車組和城鐵車轉(zhuǎn)向架焊接制造過程中，時(shí)常產(chǎn)生不允許的或超出標(biāo)準(zhǔn)要求的焊接缺欠，必須通過返修焊予以清除，而返修焊可能對(duì)焊接接頭的金相組織產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響接頭的機(jī)械性能[4]。本研究對(duì)S355J2W+N鋼返修焊的接頭金相組織進(jìn)行試驗(yàn)，分析返修焊對(duì)焊接接頭焊縫區(qū)和熱影響區(qū)組織的影響，為生產(chǎn)制造中返修焊工藝方案制定提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為改良型耐候結(jié)構(gòu)鋼S355J2W+N，材料化學(xué)成分如表1所示。試驗(yàn)用焊絲為BOEHLER NiCu1-IG【EN 440 G 42 4 M（C）G0】，直徑 φ1.2 mm，化學(xué)成分如表2所示。

表1 S355J2W+N鋼板化學(xué)成分[5]%

表2BOEHLER NiCu1-IG焊絲化學(xué)成分%

1.2 試驗(yàn)方法

焊接試驗(yàn)采用MAG焊，保護(hù)氣體為φ（Ar）82%+φ（CO2）18%，V 型坡口平板對(duì)接接頭，單面焊雙面成形，單層單道焊接，焊接工藝參數(shù)如表3所示。焊接制備 4 個(gè)試件，編號(hào)分別為 A0、A2、A4、A6，其中A0試件不進(jìn)行返修焊，A2、A4和A6試件分別進(jìn)行2次、4次、6次“模擬缺陷”的返修焊，返修焊采用表3中焊道3的工藝參數(shù)?！澳M缺陷”的清除按照?qǐng)D1進(jìn)行，采用角向砂輪或圓柱磨頭，保證重新制備的坡口底部與側(cè)壁過渡圓滑，不得留有尖角。焊接及返修焊后經(jīng)去應(yīng)力退火處理及無損檢測(cè)合格后，4個(gè)試件依次分4組進(jìn)行金相組織分析。

表3 焊接工藝參數(shù)

圖1 “模擬缺陷”清除示意

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 接頭宏觀組織

接頭宏觀照片如圖2所示，將接頭焊縫區(qū)域分為表層、層間和底層，HAZ區(qū)域分為1區(qū)、2區(qū)和3區(qū)。由圖2可知，隨著返修次數(shù)的增加，接頭熱影響區(qū)的寬度無明顯變化，這與返修過程中要求清除的“模擬缺陷”尺寸有關(guān)。

2.2 焊縫區(qū)金相組織

2.2.1 焊縫表層組織

不同返修次數(shù)焊接接頭的焊縫表層組織形貌基本相同，為柱狀晶組織，其中塊狀先共析鐵素體沿柱狀晶晶界析出，少量魏氏組織由晶界向晶內(nèi)生長(zhǎng)，晶內(nèi)為針狀鐵素體和少量粒狀貝氏體，如圖3所示。

圖2 接頭宏觀照片

圖3 焊縫表層組織照片

2.2.2 焊縫底層組織

不同返修次數(shù)焊接接頭的焊縫底層組織主要為塊狀先共析鐵素體和珠光體（黑色區(qū)域）。隨著返修次數(shù)的增加，珠光體組織形態(tài)有所變化，逐漸變細(xì)，鐵素體晶粒有所長(zhǎng)大，其中A6焊縫底層組織中一些區(qū)域的珠光體細(xì)小到光鏡照片無法識(shí)別，而表現(xiàn)出鐵素體組織連在一起形成不規(guī)則形態(tài)，如圖4所示。

2.2.3 焊縫層間組織

A0接頭焊縫層間正火區(qū)組織主要為先共析塊狀鐵素體和珠光體，同時(shí)還能看到前道焊縫柱狀晶的痕跡，即珠光體沿柱狀晶晶界分布；部分正火區(qū)除塊狀鐵素體外，還有一部分針狀鐵素體，如圖5所示。

A2接頭焊縫層間組織類型與A0接頭相同，為鐵素體和珠光體如圖6所示。其中圖6a中正火區(qū)晶粒較細(xì)小，但有柱狀晶痕跡；圖6b所示區(qū)域位于圖6a所示區(qū)域下方，由于受到多次加熱作用，晶粒有所長(zhǎng)大；圖6c為層與層交界，上層有柱狀晶痕跡。

圖4 各接頭焊縫底層組織照片

A4、A6接頭層間組織照片如圖7所示。A4接頭和A6接頭層間組織較A2接頭無變化，主要為鐵素體和珠光體。返修6次接頭層間由于受多次附加熱處理作用，具有不同晶粒尺寸。

2.3 熱影響區(qū)金相組織

圖5 A0接頭焊縫層間組織照片

圖6 A2接頭焊縫層間組織照片

圖7 A4、A6接頭層間組織照片

A0接頭HAZ組織照片如圖8所示。由粗晶區(qū)（未受正火作用）、正火區(qū)（細(xì)晶區(qū)）和不完全正火區(qū)組成，此處增加熔合區(qū)和母材區(qū)進(jìn)行討論。熔合區(qū)是熔化區(qū)和非熔化區(qū)的交界，圖8a為未受正火焊縫表層與受正火粗晶區(qū)交界，在熔化區(qū)一側(cè)基本保持焊縫表層的組織形貌特征，未熔化一側(cè)則保持受正火粗晶區(qū)的組織特征。粗晶區(qū)組織主要為沿原奧氏體晶界分布的塊狀先共析鐵素體、珠光體（黑色區(qū)域）、少量魏氏組織和較多的粒狀貝氏體（見圖8b）。正火區(qū)組織是細(xì)小均勻的塊狀鐵素體和珠光體（見圖8c）。不完全正火區(qū)晶粒大小不均，組織保留了母材的軋制態(tài)特征，主要為塊狀鐵素體、細(xì)小的鐵素體與珠光體的混合區(qū)（見圖8d）。母材為具有明顯軋制特征的鐵素體與珠光體相間分布的層狀組織結(jié)構(gòu)（見圖8e）。

經(jīng)過返修的焊接接頭HAZ正火區(qū)組織主要為細(xì)小均勻的鐵素體和珠光體，與A0的HAZ正火區(qū)組織基本無差別，如圖9所示。

圖8 A0接頭HAZ組織照片

圖9 返修焊后接頭HAZ正火區(qū)組織

返修過程對(duì)HAZ的1區(qū)組織無太大影響，組織形貌基本相同。返修過程對(duì)HAZ的2區(qū)和3區(qū)的HAZ粗晶區(qū)有一定影響，返修后的HAZ粗晶區(qū)為鐵素體和珠光體。返修次數(shù)一定時(shí)，在接頭厚度方向由上到下（2區(qū)到3區(qū)），HAZ粗晶區(qū)中針狀鐵素體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閴K狀。隨著返修次數(shù)的增加，接頭HAZ粗晶區(qū)中針狀鐵素體有減少趨勢(shì)。返修后接頭HAZ（2區(qū)和3區(qū)）粗晶區(qū)組織照片如圖10所示。

3 結(jié)論

（1）未返修與返修焊縫表層均為塊狀先共析鐵素體、少量魏氏組織鐵素體和貝氏體組織；焊縫層間和底層主要為塊狀鐵素體和珠光體組織，隨著返修次數(shù)的增加，珠光體組織逐漸變細(xì)，鐵素體晶粒有所長(zhǎng)大。

（2）接頭HAZ的粗晶區(qū)組織沿接頭厚度方向分布有所不同：上部為塊狀先共析鐵素體、珠光體組織、少量魏氏組織和較多數(shù)量的粒狀貝氏體；中部和下部均為鐵素體和珠光體。返修次數(shù)一定時(shí)，在接頭厚度方向由上到下，HAZ粗晶區(qū)中針狀鐵素體有減少趨勢(shì)，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閴K狀。

（3）返修次數(shù)對(duì)HAZ正火區(qū)組織無太大影響，正火區(qū)組織是細(xì)小均勻的塊狀鐵素體和珠光體?？拷覆牡牟煌耆饏^(qū)晶粒大小不均，組織保留了母材的軋制態(tài)特征。

圖10 返修后接頭HAZ（2區(qū)和3區(qū)）粗晶區(qū)組織照片

參考文獻(xiàn)：

[1]孔繁冰，李明，韓璐，等.CRH380BL高速動(dòng)車組氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].鐵道機(jī)車車輛，2012（06）：9-12.

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