城市軌道交通車輛高強鋼焊接用焊絲的選擇

李　軍

（中車長春軌道客車股份有限公司工程技術部，130062，長春∥工程師）

城市軌道交通車輛的車體結構強度等力學性能是車輛安全運行的關鍵因素之一。為了既達到強度要求，又能夠最大程度地減少車體質量，在車體結構設計中低合金高強鋼正在被推廣使用。近期，我國某型出口地鐵車輛為滿足強度要求，采用了高強度結構用調質鋼Q690D作為枕梁及牽引梁等部位的零部件制造材料。針對這種材料的使用，焊接材料的選用及焊接工藝的確定也被提上日程。

本文根據母材的成分及性能，初步確定匹配的焊絲后，按照EN 15085焊接體系標準進行了工藝評定試驗，驗證了所選焊絲的可行性并確定了相關焊接工藝。

1　焊絲選擇

1.1　母材性能參數

調質鋼Q690D執行的標準為GB/T 16270—2009［1］，板厚50 mm以下的材料，其化學成分如下：C：0.20%；Si：0.80%；Mn：1.80%；P：0.025%；S：0.015%；Cu：0.50% ；Cr：1.50% ；Ni：2.00% ；Mo：0.70% ；B：0.005%；V：0.12%；Nb：0.06%；Ti：0.05%；CEV：0.65%。力學性能如下：屈服強度≥690 MPa；抗拉強度770～940 MPa。

1.2　焊接填充材料的選擇

焊接填充材料的選擇標準為：焊接連接性能必須符合母材的最低要求，焊接接頭必須滿足與母材的等強性要求。

1.3　焊絲性能與母材匹配

選用焊絲型號為ER110S-G，適用標準為AWS A5.28/AWS A5.28M—2005。焊絲化學成分如下：C：0.09%；Mn：1.40% ～ 1.80%；Si：0.20% ～ 0.55%；P：0.01%；S：0.01%；Ni：1.00% ～ 2.00%；Cr：0.50%；Mo：0.25% ～ 0.55% ；V：0.04% ；Ti：0.1% ；Zr：0.1% ；Al：0.1%；Cu：0.25%。熔敷金屬的力學性能為：屈服強度≥680 MPa；抗拉強度≥760 MPa。從焊絲的化學成分及熔敷金屬的力學性能可以看出，與母材成分及力學性能基本匹配。

2　EN15085標準中的焊接工藝評定要求

2.1　工藝評定試驗料件形式確定

2.1.1設計結構中的組合形式

對接的板厚范圍為4～16 mm；角接的板厚范圍為4～14 mm。

2.1.2對接及角接評定試驗組合

根據ISO 15614標準規定，對接評定試件厚度在3～12 mm之間時，多焊道情況下評定試驗的覆蓋范圍為2～3倍板厚；交接評定試件厚度在3～30 mm之間時，評定試驗的覆蓋范圍為0.5～2.0倍板厚。

按照ISO 15614標準規定，選擇8 mm板厚進行對接和角接試驗的結果可以覆蓋全部的設計板厚。

2.2　工藝評定試驗內容

按照標準ISO 15614規定，對接焊縫的焊接接頭與角接焊縫的焊接接頭需要分別作以下試驗和檢查（見圖 1）。

（1）按照標準對接接頭的試驗和檢驗內容包括：外觀檢查、表面裂紋檢查、橫向拉伸試驗（2個試樣）、橫向彎曲試驗（4個試樣）、硬度試驗、低倍宏觀金相檢查（1個試樣）。

（2）按照標準角接接頭的試驗和檢驗內容包括：外觀檢查、表面裂紋檢查、硬度試驗、低倍宏觀金相檢查（2個試樣）。

圖1　焊接工藝評定試驗試樣加工示意圖

3　工藝評定試驗情況

3.1　對接試驗

3.1.1試板形式

試板尺寸為8 mm×150 mm×350 mm，1 mm鈍邊，30°倒角。焊接時留2～3 mm間隙，焊道位置單側60°V型坡口。（見圖2）。

圖2　焊接工藝評定試驗用試板形式

3.1.2焊接參數

第一層：電流120 A；電壓18 V；焊接速度16 cm/min；保護氣體流速16～18 L/min。

第二層：電流210 A；電壓23 V；焊接速度17 m/min；保護氣體流速16～18 L/min。

3.2　角接試驗

3.2.1試板形式

試板尺寸為8 mm×150 mm×350 mm，1 mm鈍邊，30°倒角。焊接時留2～3 mm間隙，焊道位置單側60°V型坡口。

3.2.2焊接參數

焊角尺寸6 mm；電流260 A；電壓23 V；焊接速度24 cm/min；保護氣體流速16～18 L/min。

3.3　試驗結果

對外觀及表面裂紋檢查合格的試板進行其余的后續試驗（見圖3）。

圖3　對接焊宏觀試樣照片

3.3.1對接試驗

拉伸試驗：斷裂位置均在母材上，拉力值大于母材抗拉強度值。試驗結果見表1。

表1　對接焊試樣拉伸試驗結果

橫向彎曲試驗：按照ISO 5173標準進行彎曲試驗，未出現彎曲缺陷。試驗結果見表2。

表2　對接焊試樣彎曲試驗結果

低倍金相試驗：符合標準ISO 5817中B級焊縫檢驗標準。硬度試驗：HV硬度試驗值低于450。

3.3.2角接試驗

試樣圖片見圖4和圖5。低倍金相試驗：符合ISO 5817中B級焊縫檢驗標準。硬度試驗：HV硬度試驗值低于450。

4　結論

（1） Q690D調質鋼的焊接可以采用符合AWS A5.28/AWS A5.28M—2005標準的ER110S-G焊絲，可獲得與母材等強度的焊接接頭。

圖4　角接宏觀試樣照片1

圖5　角接宏觀試樣照片2

（2）Q690D調質鋼焊接采用ER110S-G焊絲焊接時，使用的焊接保護氣體可以采用85%Ar+15%CO2混合氣體。

（3）Q690D調質鋼的焊接接頭符合母材的力學性能要求，可以滿足城市軌道交通車輛車體結構的焊接要求。

［1］國家質量監督檢驗檢疫總局.高強度結構用調質鋼標準：GB/T 16270—2009［S］.北京：中國標準出版社，2009.

［2］歐洲標準化委員會.軌道車輛及其焊接標準化：EN 15085—2007［S/OL］.［2007-10］.http：∥www1.cccar.com.cn/bzxx9/affix_foreign_bzxx/208317/EN%2015085-4-2007.pdf.

［3］張東暉，江銳鋒，武永亮.鐵路貨車高強度耐候鋼藥芯焊絲性能研究［J］.機車車輛工藝，2014（2）：3.