P355NL1低合金鋼焊補后力學性能研究

孫 佳，董洪達，倪寶成

（中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇 南京 210031）

0 前言

構(gòu)架焊接后，因焊縫缺陷存在引起的裂紋源在應(yīng)力集中的情況下，容易出現(xiàn)裂紋缺陷而導致結(jié)構(gòu)破壞[1-3]。直接報廢有焊接缺陷的構(gòu)架會增加成本，因此焊接缺陷修補工作顯得尤為重要。本研究采取合理的焊補工藝，通過分析焊補件顯微組織，測試其靜載強度、顯微硬度、沖擊韌性和疲勞性能，獲得可靠的實驗數(shù)據(jù)，為工程實際應(yīng)用提供參考[4-5]。

1 試驗材料和方法

選用板厚12mm的P355NL1鋼，其化學成分和力學性能分別如表1、表2所示。

表1 P355NL1鋼的化學成分%

表2 P355NL1鋼的力學性能

構(gòu)架試驗板采用MAG焊，焊絲為符合ISO 14341標準的G4Si1。焊接工藝如圖1所示。

試板焊好后按GB2649規(guī)定取樣，使用電子顯微鏡觀察原始焊件和一次焊補件的焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材。依據(jù)GB/T2651對原始焊件和一次焊補件進行拉伸試驗，依據(jù)GB/T2650對原始焊件和一次焊補件的母材、HAZ、焊縫進行沖擊試驗。使用維氏硬度計測定原始焊件和一次焊補件各層焊縫區(qū)、熔合線、粗晶區(qū)、細晶區(qū)和母材的硬度。依據(jù)GB/T13816對原始焊件和一次焊補件進行疲勞試驗。

圖1 構(gòu)架試板焊接工藝

2 試驗結(jié)果和討論

2.1 顯微組織觀察

原始焊件金相試樣顯微組織如圖2所示，一次焊補件金相試樣顯微組織如圖3所示，其組織均為珠光體+鐵素體。焊補前后，試樣的母材組織無變化，從焊縫中心到母材，組織形態(tài)的變化情況為：柱狀晶區(qū)→粗晶區(qū)→細晶區(qū)→帶狀組織。焊縫由上層到下層晶粒尺寸逐漸減小。焊補后存在重疊的熱影響區(qū)，相對于原始焊接接頭金相試樣，在焊縫與熱影響區(qū)的交界處多了一個粗晶區(qū)和一個細晶區(qū)，上層焊縫尤為明顯。焊根處為焊補過程中始終保留的部分，相對原始焊件，一次焊補件焊根處晶粒明顯細化。

圖2 原始焊件金相試樣顯微組織

2.2 顯微硬度

原始焊件與一次焊補件顯微硬度對比如圖4所示。原始焊接接頭各層焊縫區(qū)硬度與一次焊補件相應(yīng)的區(qū)域硬度接近，硬度最高值出現(xiàn)在熱影響區(qū)的粗晶區(qū)，且基本低于250 HV，一次焊補對焊件的硬度無明顯影響。

2.3 拉伸試驗

原始焊件拉伸試驗數(shù)據(jù)見表3，一次焊補件拉伸試驗數(shù)據(jù)見表4。原始焊件的平均屈服強度354.61 MPa，平均抗拉強度527.03 MPa；一次焊補件平均屈服強度348.23 MPa，平均抗拉強度為525.20 MPa。無論是原始焊件還是一次焊補件，均在母材處斷裂，說明焊接修補后若能保證焊接接頭的焊接質(zhì)量，焊補對焊接接頭的靜載強度沒有影響。

2.4 沖擊韌性試驗

原始焊件的沖擊試驗數(shù)據(jù)見表5。母材沖擊功平均值113.37 J，高于焊縫沖擊功平均值74.27 J，與熱影響區(qū)沖擊功平均值112.21 J相接近，所有沖擊試件均未斷裂。一次焊補件沖擊試驗數(shù)據(jù)見表6，母材沖擊功平均值119.47 J，高于焊縫沖擊功平均值92.20 J，與熱影響區(qū)沖擊功平均值109.31 J接近。與母材和熱影響區(qū)相比，焊縫沖擊功最低。焊縫的粗大柱狀晶是造成沖擊功較低的主要原因。一次焊補件的沖擊韌性較原始焊件有所提高，這是因為焊補對上一次殘余的焊接接頭部分起到熱處理作用，細化了晶粒，改善了組織分布，韌性得到提高。

圖3 一次焊補件金相試樣顯微組織

圖4 原始焊件與一次焊補件顯微硬度對比

2.5 疲勞強度試驗

原始焊件和一次焊補件的疲勞試驗數(shù)據(jù)如表7、表8所示。在循環(huán)周次1×107下，原始焊接接頭疲勞強度為154 MPa，且所有試樣全部斷裂于焊根處。一次焊補接頭高應(yīng)力水平下的疲勞性能與原始焊接接頭的疲勞性能相近，表現(xiàn)為在相同應(yīng)力水平下試樣斷裂時的循環(huán)次數(shù)相近，而低應(yīng)力水平下的疲勞性能優(yōu)于原始焊接接頭，循環(huán)周次1×107下的疲勞強度為170MPa。疲勞試驗頻率20Hz，應(yīng)力比R=0。

表3 原始焊件拉伸試驗數(shù)據(jù)

表4 一次焊補件拉伸試驗數(shù)據(jù)

表5 原始焊件的沖擊試驗數(shù)據(jù)

表6 一次焊補件沖擊試驗數(shù)據(jù)

表7 原始焊件的疲勞試驗數(shù)據(jù)

表8 一次焊補件的疲勞試驗數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

（1）對比分析原始焊件與一次焊補件焊接接頭的顯微組織，焊接修補對接頭顯微組織無有害影響，還可細化保留的下層焊縫晶粒，對焊接接頭的強度和韌性有一定貢獻。

（2）顯微硬度測試結(jié)果表明，經(jīng)一次焊補后，焊縫硬度無明顯下降。

（3）由拉伸試驗結(jié)果可知，焊接構(gòu)件為高配接頭，拉伸斷裂均發(fā)生在母材。

（4）沖擊試驗和疲勞試驗結(jié)果表明，一次焊補件的沖擊韌性和疲勞強度較原始焊件略有提高。

參考文獻：

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