高速動(dòng)車轉(zhuǎn)向架焊趾TIG熔修工藝研究

曹金山 陳北平 馬 寅 武永壽 張紋源

(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 山東 青島 266111)

高速動(dòng)車轉(zhuǎn)向架焊接用材料主要為SMA490BW耐候鋼，其綜合力學(xué)性能、耐腐蝕性能及焊接性能良好。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊縫密集，在操作過(guò)程中受空間限制，不可避免地會(huì)在焊縫局部區(qū)域產(chǎn)生氣孔、咬邊等微小缺陷。在日本的轉(zhuǎn)向架焊接工藝中，TIG焊主要用于后工序的焊修，TIG熔修是將焊趾重新熔化，將存在的氣孔、咬邊等缺陷清除，同時(shí)形成均勻過(guò)渡的焊縫。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用鋼選用參照J(rèn)IS G 3114標(biāo)準(zhǔn)制造的SMA490BW板材，其化學(xué)成分和力學(xué)性能具體如表1、表2所示。

焊絲選用大西洋焊接材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的符合GB/T 8810的牌號(hào)TH550-NQ-Ⅱ(焊絲編號(hào) CHW-55CNH)實(shí)芯焊絲，其中?1.2 mm直徑焊絲配以80%Ar+20%CO2用于MAG焊，?2.5 mm直徑焊絲配以100%Ar用于焊趾缺陷TIG熔修處理，焊絲的化學(xué)成分和熔敷金屬的力學(xué)性能具體如表3、表4所示。

表1 SMA490BW化學(xué)成分(≤wt%)

表2 SMA490BW力學(xué)性能

表3 焊絲化學(xué)成分(≤wt%)

表4 熔敷金屬力學(xué)性能

2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)分別采用“TIG打底+MAG封面”及“TIG打底+MAG封面+TIG熔修”2種焊接工藝，TIG焊及TIG熔修采用YC-400PX3型鎢極氬弧焊機(jī)，鎢極采用釷鎢極(直徑?2.0 mm)，保護(hù)氣體為100%Ar；MAG焊接采用松下KR-500Ⅱ型熔化極氣體保護(hù)焊機(jī)，保護(hù)氣體為80%Ar+20%CO2；碳弧氣刨采用松下YD-400AT3焊機(jī)。

焊接試驗(yàn)的焊接接頭形式為全焊透的平板對(duì)接焊縫，采用水平焊位PA。焊接試件規(guī)格及焊縫的坡口角度、坡口間隙和鈍邊尺寸如圖1所示。

本次試驗(yàn)對(duì)板厚12 mm的SMA490BW對(duì)接接頭，在焊趾部位進(jìn)行了“TIG熔修+退火(590±15 ℃/2 h)處理”工藝試驗(yàn)，TIG熔修試件編號(hào)及熔修工藝參數(shù)如表5所示。

3 TIG熔修接頭組織與性能

3.1 TIG熔修表面焊縫外觀形貌特征

對(duì)接試板在焊趾部位進(jìn)行TIG電弧熔修、TIG熔修(退火)后的焊縫外觀形貌如圖2、圖3所示。TIG熔修后焊道外觀形貌較為規(guī)則均勻，無(wú)咬邊、表面氣孔、表面裂紋等缺陷，經(jīng)過(guò)測(cè)量得到焊趾熔修區(qū)寬度約為4～5 mm。

圖1 焊接試件規(guī)格示意圖

表5 熔修試件編號(hào)及工藝參數(shù)

圖2 TIG熔修

圖3 TIG熔修(退火)

3.2 TIG熔修接頭宏觀及微觀組織

焊接試板焊趾經(jīng)過(guò)TIG熔修和TIG熔修(退火)后的接頭宏觀與微觀組織形貌如圖4～圖10所示，經(jīng)熔修處理后，焊縫與母材之間實(shí)現(xiàn)圓滑過(guò)渡，從而可明顯降低應(yīng)力集中程度。經(jīng)過(guò)測(cè)量，TIG熔修區(qū)的熔深為1.9～2.8 mm。從宏觀組織特征上看，與原始焊縫較為粗大的柱狀晶相比，TIG焊趾熔修焊縫枝晶細(xì)小，其相應(yīng)的熱影響區(qū)的寬度也很窄。TIG熔修焊縫與原始焊縫以及母材之間熔合良好，沒(méi)有出現(xiàn)氣孔、裂紋、夾雜等缺陷。

圖4 DJ-1宏觀金相

圖5 焊縫熔合線附近

圖6 TIG熔修區(qū)熔合線附近

圖7 原始焊縫區(qū)

圖8 TIG熔修區(qū)

圖9 HAZ粗晶區(qū)

圖10 TIG熔修區(qū)HAZ粗晶區(qū)

觀察接頭各區(qū)微觀組織，如圖5～圖10所示，焊縫組織為柱狀結(jié)晶的鐵素體和晶內(nèi)針狀鐵素體及少量的珠光體和貝氏體；熔合區(qū)及HAZ過(guò)熱區(qū)組織為沿晶析出的塊狀先共析鐵素體及晶內(nèi)細(xì)條狀鐵素體和少量貝氏體及珠光體。在TIG焊趾熔修區(qū)域，熔修焊縫及其熱影響區(qū)晶粒細(xì)密均勻，其中TIG熔修區(qū)為均勻細(xì)小的針狀和條狀鐵素體以及少量貝氏體，熔修區(qū)的熱影響區(qū)組織為條狀以及粒狀鐵素體和貝氏體。

3.3 TIG熔修接頭常規(guī)力學(xué)性能

焊接試板經(jīng)過(guò)TIG熔修、TIG熔修(退火)后的常規(guī)力學(xué)性如表6所示。所有接頭的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率均符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的力學(xué)性能指標(biāo)，表明焊趾熱影響區(qū)經(jīng)歷TIG熔修后仍具有較好的韌性儲(chǔ)備。

表6 接頭力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

拉伸和彎曲后試件的宏觀形貌特征如圖11、圖12所示，拉伸試樣破斷在遠(yuǎn)離焊縫的母材區(qū)。側(cè)彎試樣經(jīng)180°彎曲后完好無(wú)裂紋。

圖11 拉伸、彎曲試件宏觀形貌(DJ-1)

圖12 拉伸、彎曲試件宏觀形貌(DJ-4)

3.4 TIG熔修接頭殘余應(yīng)力測(cè)試

對(duì)接試板的殘余應(yīng)力測(cè)點(diǎn)位置示意圖如圖13所示，每塊試板10個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)均位于焊趾區(qū)域，TIG熔修、TIG熔修(退火)具體測(cè)點(diǎn)位置如圖14所示。

焊趾區(qū)殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果如表7所示。

圖13 殘余應(yīng)力測(cè)點(diǎn)示意圖

圖14 測(cè)點(diǎn)位置

表7 殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

由表7中數(shù)據(jù)可知，對(duì)于板材對(duì)接試板DJ-2，焊趾經(jīng)過(guò)TIG電弧熔修處理后，焊趾處的縱向殘余應(yīng)力均為拉應(yīng)力，平均拉應(yīng)力值達(dá)299.31 MPa，橫向殘余應(yīng)力既有拉應(yīng)力也有壓應(yīng)力，平均應(yīng)力為32.41 MPa。

對(duì)于板材對(duì)接試板DJ-3，焊趾經(jīng)過(guò)TIG熔修(退火)處理，無(wú)論是縱向殘余應(yīng)力還是橫向殘余應(yīng)力都明顯減小，有些測(cè)點(diǎn)部位的拉應(yīng)力甚至轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，其中縱向平均應(yīng)力為10.86 MPa，橫向平均應(yīng)力-0.44 MPa。

4 結(jié)論

對(duì)接接頭焊趾部位經(jīng)TIG熔修處理后，焊道外觀形貌較為規(guī)則均勻，無(wú)咬邊、表面氣孔、表面裂紋等缺陷，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率均符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的力學(xué)性能指標(biāo)，拉伸試樣破斷在遠(yuǎn)離焊縫的母材區(qū)。側(cè)彎試樣經(jīng)180°彎曲后完好。

對(duì)于對(duì)接接頭焊趾區(qū)域的殘余應(yīng)力來(lái)說(shuō)，焊趾TIG熔修(退火)后殘余拉應(yīng)力顯著降低，縱向殘余應(yīng)力僅為10.86 MPa，下降96.37%。

TIG熔修區(qū)及熱影響區(qū)組織細(xì)密，其中TIG熔修區(qū)為均勻細(xì)小的針狀和條狀鐵素體及少量貝氏體，熔修區(qū)的熱影響區(qū)組織為條狀及粒狀鐵素體和貝氏體。□