陳麗園,苗 佳,穆云平,郝曉衛(wèi),宗桓旭
(1.中車(chē)唐山機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司,河北 唐山 063035;2.大連交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,大連 遼寧 116028)
塞焊作為一種熔化焊方法,接頭形式容易實(shí)現(xiàn)、可機(jī)械化焊接、效率高、成形美觀,廣泛應(yīng)用于貨車(chē)車(chē)體的制造與維修。但塞焊接頭部位往往是車(chē)體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最薄弱的部位,在列車(chē)服役期間最容易發(fā)生疲勞斷裂失效,焊接結(jié)構(gòu)的疲勞可靠性決定了車(chē)體整體的疲勞可靠性[1]。Q345NQR2是在普通低碳鋼的高爐鋼水加入部分耐候元素(如Cu、P等)生產(chǎn)而成,具有良好的焊接性,制造成本低廉且能有效抵抗大氣腐蝕[2],該種鋼是我國(guó)鐵道貨車(chē)制造行業(yè)廣泛使用的耐大氣腐蝕鋼。1.4003鐵素體不銹鋼則是一種低碳節(jié)鎳的經(jīng)濟(jì)型不銹鋼,具有良好的力學(xué)性能和抗腐蝕性能[3]。本研究通過(guò)對(duì)1.4003鐵素體不銹鋼/Q345NQR2塞焊接頭的金相組織分析、顯微硬度測(cè)試以及脈動(dòng)拉伸疲勞試驗(yàn),研究塞焊接頭的顯微組織、硬度分布趨勢(shì)與疲勞性能,為塞焊工藝在鐵路車(chē)輛制造與維修領(lǐng)域的應(yīng)用提供相應(yīng)的理論依據(jù)。
試驗(yàn)材料為尺寸為130mm×45 mm×1.5 mm的1.4003鐵素體不銹鋼與尺寸為130mm×45mm×3mm的Q345NQR2耐候鋼。焊接填充材料選用直徑為1.6 mm的ER308奧氏體不銹鋼焊絲,選用該焊絲一方面可提高塞焊接頭的耐腐蝕性能,另一方面可在熔核區(qū)形成具有良好抗裂性能的雙相組織。試驗(yàn)材料和焊接填充材料的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))如表1所示,力學(xué)性能如表2所示。
表1 試驗(yàn)材料和焊接材料的主要化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of the experimental and welding materials %
表2 試驗(yàn)材料和焊接材料的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of experimental and welding materials %
兩板搭配方式為3mmQ345NQR2在上,1.5 mm 1.4003鐵素體不銹鋼在下。焊前在Q345NQR2的待焊處打一個(gè)圓孔,并用砂紙仔細(xì)打磨去掉鋼板上、下表面以及通孔的氧化膜,然后用丙酮清洗焊接表面去油污,完成焊前準(zhǔn)備。采用MAG焊工藝進(jìn)行塞焊試驗(yàn),焊機(jī)型號(hào)YD-350GM3。焊接電流272 A,焊接電壓 28 V,采用 φ(Ar)95%+φ(CO2)5%作保護(hù)氣體。塞焊接頭的坡口示意如圖1所示。
圖1 塞焊接頭裝配示意Fig.1 Assembly diagram of plug welding joints
焊接完成后,對(duì)塞焊接頭進(jìn)行切割取樣,剖面經(jīng)研磨、拋光后,選用4%硝酸酒精溶液和FeCl3溶液對(duì)試樣浸蝕,并在金相顯微鏡下觀察其顯微組織。根據(jù)GB/T4340.1-2009《金屬材料維氏硬度試驗(yàn)》,利用FM-700型顯微硬度儀測(cè)量?jī)蓚?cè)不同鋼材從熔核至母材的維氏硬度分布,顯微硬度儀的參數(shù)設(shè)置為:載荷200gf(1.96 N),保持時(shí)間15 s,步長(zhǎng)為200 μm。試板經(jīng)正反打磨,去掉余高,加工成如圖2所示的疲勞試驗(yàn)試件,用于進(jìn)行脈動(dòng)拉伸疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備為PLG-100型微機(jī)控制高頻疲勞試驗(yàn)機(jī),循環(huán)應(yīng)力比R=0.1,指定循環(huán)壽命取1×107次,疲勞試件的具體尺寸如圖2所示。
圖2 疲勞試驗(yàn)加工件Fig.2 Work pieces of fatigue test
塞焊接頭的顯微組織如圖3所示。Q345NQR2母材組織為鐵素體+珠光體(見(jiàn)圖3a);1.4003鐵素體不銹鋼側(cè)母材組織為單一的鐵素體,呈多邊體狀或粒狀,晶粒度7~8級(jí)(見(jiàn)圖3b)。Q345NQR2熱影響區(qū)組織為白色δ鐵素體與層片狀珠光體,距離熔核區(qū)越近,珠光體越粗大(見(jiàn)圖3c)。由于受到焊接熱循環(huán)影響,奧氏體晶粒在相變前已經(jīng)受熱長(zhǎng)大,使轉(zhuǎn)變后的珠光體團(tuán)也較為粗大,鐵素體殘留較少且大多位于珠光體組織的邊界。1.4003鐵素體不銹鋼側(cè)熱影響區(qū)組織單一,為粗大的多邊形鐵素體晶粒,晶粒度3~4級(jí)(見(jiàn)圖3d)。與母材組織相比,熱影響區(qū)鐵素體晶粒受熱長(zhǎng)大的傾向十分嚴(yán)重。熔核區(qū)組織為網(wǎng)狀黑色鐵素體與白色奧氏體,白色奧氏體為基體,δ鐵素體較為均勻地分布在基體上(見(jiàn)圖3e)。由于塞焊接頭具有冶金結(jié)合(熔化連接)和機(jī)械結(jié)合(鉚接)的雙重特點(diǎn)[4-5],熔化下方的1.4003不銹鋼板得到冶金連接,這一過(guò)程必然使母材熔化進(jìn)入熔核區(qū),熔核區(qū)組織不僅受焊絲成分的影響,也受到下側(cè)鋼板母材的成分影響。1.4003不銹鋼中Cr元素進(jìn)入熔池,限制奧氏體相區(qū)的擴(kuò)大元素增多,使熔核區(qū)凝固初始析出相為鐵素體,凝固終了前形成了一些奧氏體。以此種模式凝固時(shí),熔核區(qū)具有鐵素體+奧氏體的雙相組織,可使熔核具有良好的抗凝固裂紋能力[6]。
圖3 接頭的顯微組織Fig.3 Microstructure of the welded joint
塞焊接頭的硬度分布如圖4所示,熔核區(qū)硬度258~277HV,Q345NQR2側(cè)熱影響區(qū)硬度271~293HV,1.4003側(cè)熱影響區(qū)硬度 227~246 HV,Q345NQR2母材硬度249~258 HV,1.4003鐵素體不銹鋼母材硬度251~257 HV。兩側(cè)的熔核區(qū)硬度基本一致,熔核區(qū)組織為δ鐵素體均勻分布在奧氏體上的雙相組織,有一定的強(qiáng)化作用,因此硬度略高于母材。Q345NQR2側(cè)熱影響區(qū)珠光體組織較多,硬度較母材和熔核區(qū)均有明顯升高,而鐵素體不銹鋼側(cè)熱影響區(qū)硬度有明顯下降,這是因?yàn)殍F素體不銹鋼受熱晶粒極容易長(zhǎng)大,熱影響區(qū)晶粒粗大造成硬度下降。鐵素體不銹鋼的母材組織均勻細(xì)小,硬度與Q345NQR2母材相差不大。
圖4 接頭的硬度分布Fig.4 Hardness test result for the welded joint
由硬度測(cè)試結(jié)果可知,采用ER308焊絲進(jìn)行塞焊時(shí),盡管下層母材熔化進(jìn)入熔池,但對(duì)硬度的影響十分微弱,熔核區(qū)保持了較為平衡的硬度分布。兩側(cè)熱影響區(qū)硬度分布相差較大,這對(duì)整個(gè)塞焊接頭的力學(xué)性能有著不利影響。
疲勞試件宏觀斷口如圖5所示。斷裂位置以箭頭標(biāo)出,裂紋位于熔核區(qū)邊緣。裂紋沿熔核的切線方向延伸至試件兩側(cè)。
圖5 疲勞試件斷口宏觀Fig.5 Microphotography of fatigue specimen
通過(guò)升降法確定塞焊接頭指定壽命為1×107次循環(huán)下的疲勞極限。有3級(jí)應(yīng)力水平,有效試樣數(shù)11個(gè),有4個(gè)子樣對(duì)。由升降法確定的接頭指定壽命為1×107次循環(huán)下的中值疲勞極限為
疲勞極限升降圖如圖6所示,其中×代表斷裂,○代表未斷裂。接頭的疲勞中值F-N曲線如圖7所示。試驗(yàn)時(shí)各F-N曲線測(cè)定時(shí)均按常規(guī)方法進(jìn)行,各F-N曲線的高應(yīng)力段是按每一應(yīng)力水平取1個(gè)試件確定的,水平段是通過(guò)升降法確定的指定壽命為1×107次時(shí)的中值疲勞極限強(qiáng)度F0.1。
圖6 疲勞極限升降Fig.6 Fatigue limit lift figure
圖7 接頭中值F-N曲線Fig.7 Fatigue median F-N curve
在JSM-6360LV型掃描電鏡上進(jìn)行疲勞斷口微觀形貌分析。試件受剪切應(yīng)力和拉伸應(yīng)力,應(yīng)力集中于試件的長(zhǎng)度方向,作用于熔核部位,熔核區(qū)邊緣兩薄板搭接厚度不等,因應(yīng)力集中而啟裂[7];由啟裂區(qū)(見(jiàn)圖8a)可以清楚看出熔核區(qū)內(nèi)側(cè)有明顯的啟裂源,啟裂區(qū)沒(méi)有夾雜,啟裂原因排除了夾雜物導(dǎo)致的原因。圖8c為擴(kuò)展區(qū),可觀察到不明顯的輝紋,但具有河流狀花樣的特征,裂紋以準(zhǔn)解理的方式擴(kuò)展。圖8d為終斷區(qū),呈不規(guī)則韌窩形態(tài),既有正交韌窩,也有剪切韌窩存在,表明此處拉伸應(yīng)力與剪切應(yīng)力的集中作用是疲勞斷裂的主要原因。
(1)通過(guò)觀察1.4003不銹鋼與Q345NQR2鋼塞焊接頭的顯微組織可知:熔核區(qū)組織為網(wǎng)狀δ鐵素體均勻析出在奧氏體基體上;1.4003不銹鋼側(cè)熱影響區(qū)為多邊形鐵素體,晶粒度3~4級(jí),較母材有明顯的長(zhǎng)大現(xiàn)象。Q345NQR2側(cè)熱影響區(qū)組織為粗大的片狀珠光體和分布在珠光體團(tuán)間隙的鐵素體。
圖8 試件斷口形貌Fig.8 Fracture appearance of welding specimen
(2)由硬度測(cè)試結(jié)果可知,熔核區(qū)硬度258~277HV。由于兩側(cè)熱影響區(qū)組織發(fā)生變化,Q345NQR2側(cè)熱影響區(qū)硬度較熔核區(qū)明顯升高,1.4003不銹鋼側(cè)熱影響區(qū)硬度則有所下降。
(3)塞焊接頭指定壽命為1×107次的中值疲勞極限強(qiáng)度F0.1為1.675 kN。啟裂源位于熔核邊緣處,裂紋以準(zhǔn)解理的方式擴(kuò)展,終斷區(qū)呈韌窩形貌。熔核區(qū)邊緣產(chǎn)生的應(yīng)力集中是疲勞斷裂的主要原因。