不同坡口形式對ASTM A588焊接接頭力學性能的影響

陳麗園，穆云平，郝曉衛，張艷輝，么振江

（中車唐山機車車輛有限公司，河北唐山063035）

0 前言

隨著軌道交通行業的迅猛發展，中國中車以高端軌道裝備產業登陸國際市場。自2014年以來，中國中車進入美國波士頓、芝加哥、洛杉磯、費城四大城市，不僅實現了產品的輸出，還實現了產品技術和資本的全要素輸出。目前，唐山公司已取得美國費城雙層不銹鋼動力集中動車組的訂單，實現了不銹鋼新產品的突破。

車體全部采用美標材料，其中端底架采用ASTM A588低合金鋼，是美國標準ASTM A588/A588M-15中一種抗大氣腐蝕的高強度低合金鋼[1]。按照AWS D1.1-D1.1M-2015《鋼結構焊接規范》對不同坡口形式的焊接接頭進行焊接工藝試驗對比，選擇最優的焊接坡口形式。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗母材為低合金鋼高強鋼ASTM A588[2]，尺寸8 mm×150 mm×530 mm；采用 AWS A5.28：ER80S-G焊絲，直徑1.2 mm；GMAW焊。母材和焊接材料的化學成分及力學性能如表1和表2所示。

表1 試驗材料的化學成分 %

表2 試驗材料的力學性能

1.2 焊接工藝試驗[3]

焊接設備為Panasonic YD-350GM3。坡口形式8HV和4DHV，如圖1所示。按工廠現有工藝分別焊接試板。焊接位置為立向上焊，保護氣體φ（Ar）82%+φ（CO2）18%，氣體流量 18 L/min。焊接工藝參數如表3所示，兩種坡口形式的焊接工藝參數基本相同，4DHV焊完第1道焊縫后需要清根，再焊接第2道，以保證焊縫的全熔透。但這就增加了第二道焊縫的填充量，故4DHV第二道的熱輸入高于8HV的。

1.3 試驗方法

焊接完成后，按照AWS D1.1-D1.1M-2015《鋼結構焊接規范》要求加工試件尺寸并進行相關檢測。首先進行無損檢測（外觀檢測、射線檢測或超聲波檢測），然后進行拉伸、彎曲、沖擊等破壞性試驗[4]。

2 試驗結果及分析[5]

2.1 無損檢測試驗

外觀檢測按AWS D1.1-D1.1M-2015《鋼結構焊接規范》標準。兩種坡口形式的焊縫外觀良好，表面均無裂紋、余高超高和咬邊等缺陷，如圖2所示。按AWS D1.1-D1.1M-2015《鋼結構焊接規范》標準要求進行射線檢測及評定，內部無裂紋、氣孔、未熔合、夾雜等焊接缺陷，焊接試板合格。

圖1 坡口形式

表3 焊接工藝試驗參數

圖2 焊接試板外觀檢測

2.2 拉伸試驗

分別對8HV和4DHV坡口形式的焊接接頭進行拉伸試驗，結果如表4所示。8HV、4DHV坡口形式的焊接接頭抗拉強度平均值分別為585.5 MPa和570 MPa。兩種不同坡口形式的焊接接頭拉伸試件均斷裂于母材位置，抗拉強度高于ASTMA588/A588M-15標準中ASTMA588的要求值（485MPa），滿足AWS D1.1-D1.1M-2015《鋼結構焊接規范》標準要求，但8HV坡口形式的焊接接頭抗拉強度稍高于4DHV。這與兩種坡口的焊接熱輸入有關，由于4DHV坡口形式需要清根，增加了焊縫填充量，故熱輸入增大，當熱輸入很大時，母材及焊材合金元素的燒損較為嚴重，減少了合金元素，從而降低強度及韌性。

表4 不同坡口形式的焊接接頭拉伸試驗結果

2.3 彎曲試驗

根據標準AWS D1.1-D1.1M-2015《鋼結構焊接規范》，試件彎曲試驗采用2個面彎和2個背彎。依照母材屈服強度選擇壓頭直徑尺寸為38.1 mm。試驗環境溫度20℃，彎曲試件如圖3所示。結果表明：兩種坡口形式的焊接接頭彎曲試件都經過180°彎曲變形，試件的外表面和側面均未發現裂紋，說明兩種坡口形式的焊接接頭均滿足標準要求，都具有良好的塑性和延展性。

2.4 沖擊試驗

兩種坡口形式的焊接接頭低溫沖擊試驗結果如表5所示。根據標準AWS D1.1-D1.1M-2015《鋼結構焊接規范》，8 mm板厚的焊接接頭沖擊試樣采用小尺寸試樣，尺寸5 mm×10 mm×55 mm，沖擊溫度-40℃，最小合格沖擊功14 J。8HV坡口形式的焊縫、熔合線+1 mm、熔合線+5 mm的沖擊功平均值為30J、65J、54J；4DHV 坡口形式的焊縫、熔合線+1 mm、熔合線+5 mm的沖擊功平均值為24 J、45 J、47 J。試驗結果表明兩種坡口形式的焊接接頭都具有良好的低溫沖擊韌性。但8HV的焊接接頭沖擊功與4DHV的相比，無論焊縫還是熱影響區，沖擊功都稍高，這也與熱輸入量有關，故8HV坡口形式的焊接接頭具有更好的低溫沖擊韌性。

圖3 焊接接頭彎曲試件

表5 不同坡口形式的焊接接頭沖擊試驗結果

3 結論

8HV與4DHV坡口形式相比，8HV的焊接接頭具有更好的抗拉強度。焊接接頭彎曲180°均合格，都具有良好的塑性和韌性。無論焊縫還是熱影響區，8HV的焊接接頭沖擊功均較高，8HV的焊接接頭具有更好的低溫沖擊韌性。推薦板厚8 mm及以下的對接焊縫采用單面焊的坡口形式。

參考文獻：

[1]陳祝年.焊接工程師手冊[M].北京：機械工業出版社，2009.

[2]中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊—材料的焊接[M].北京：機械工業出版社，1992.

[3]《機械工程標準手冊》編委會.機械工程標準手冊—焊接與切割卷[M].北京：中國標準出版社，2001.

[4]束德林.金屬力學性能[M].北京：機械工業出版社，1999.

[5]陳裕川.現代焊接生產實用手冊[M].北京：機械工業出版社，2005.