Q450NQR1高強耐候鋼焊接性研究

■ 張立偉，靳占偉

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1. 概述

隨著我國鐵路工業的快速發展，高速和重載的需求越來越高，這就對鐵道車輛提出了更高要求。鐵路車輛減重是目前能夠滿足高速和重載要求最直接和行之有效的手段之一，傳統的鐵路車輛用鋼由于強度低、重量大、壽命短，已經逐漸被淘汰，取而代之的是更高強度和更耐腐蝕的鋼材，實踐證明，使用高強度和高耐候的結構鋼可有效減輕車輛自重，同時可以提高鐵路車輛的綜合性能。

Q450NQR1高強耐候鋼是鋼鐵公司針對鐵路貨車用鋼而研發的一種新型高強耐候鋼，但在批量生產前未進行焊接性試驗，相關文獻顯示個別使用過該類鋼材的公司針對其焊接性做過一些試驗，但研究工作主要是結合自家公司特點和生產需求展開的，試驗結果不具有普適性。本文在參考相關國家標準的基礎上通過焊接工藝試驗和工藝評定，試驗研究了Q450NQR1高強耐候鋼的焊接性，以此為依據編制了焊接工藝規程，并成功應用于生產實踐中。

2. Q450NQR1鋼焊接工藝試驗

（1）焊接材料與焊接方法 焊接工藝試驗所用母材Q450NQR1高強耐候鋼的化學成分如表1所示。該材料含有磷元素相對較高，在焊接時母材中的磷元素會向焊縫區過渡，這會使得焊接接頭脆性增大，抗裂性能降低，因此在選擇焊接材料時要選擇韌性和抗裂性較好的材料。該鋼材的力學性能如表2所示，為確保母材力學性能符合設計要求，需對母材進行復檢，并作為焊接接頭力學性能測試的參考標準。

根據工藝試驗需求分別制作了對接和角接用的焊接試板，規格與數量如表3所示，其中對接焊試板鈍邊為2mm。試板制作要求表面不得有油污和銹蝕，以及裂紋、折疊、氣泡等缺陷，焊前校平試板并將焊接區域打磨干凈。

表1 Q450NQR1高強度耐候鋼化學成分（質量分數） （%）

表2 Q450NQR1高強度耐候鋼力學性能

表3 Q450NQR1高強度耐候鋼焊接試板

焊接方法選用熔化極氣體保護焊，根據等強匹配原則選用TH550-NQ-Ⅱ實芯焊絲，該焊絲為國產450MPa級別的氣體保護用焊絲，其化學成分如表4所示，直徑為1.2mm，混合氣體使用80%Ar+20%CO2。

（2）焊接參數選擇 根據焊接工件材質、化學成分、焊接結構類型和焊接性能要求等選擇合適的焊接工藝，Q450NQR1為耐候鋼，焊接熱輸入對接頭低溫沖擊性能影響較大，在焊接時應嚴格控制熱輸入，焊接參數如表5所示。施焊前進行試板組對，組對間隙和錯邊量要求均≤1mm，檢查合適后點固，并給以適量的反變形，自左向右焊接，焊后自檢。

3. Q450NQR1鋼焊接工藝評定試驗

圖1 對接試件取樣示意

（1）試樣制備與試驗方法 對接試件的取樣方法按圖1所示實施，試板兩端至少舍去50mm長度的焊縫，排除起始焊接和收弧時可能的焊接缺陷。取樣數量為拉伸試驗、正彎試驗和背彎試驗的試樣分別為2個，角接試件的取樣按圖2所示制備，其中用于宏觀觀察的試樣1個，用于斷口觀察的試樣為2個，沖擊試樣的取樣位置按圖3所示制備。試樣的尺寸為標準尺寸，采用V型缺口，熱影響區和焊縫金屬各取3個。

試樣制備完成后，按照國家標準JB/T6963—1993《鋼制件熔化焊工藝評定》的要求對試樣進行拉伸、彎曲、沖擊試驗，并借助金相顯微鏡觀察焊縫的宏觀和微觀形貌，對焊接接頭的綜合性能進行評定。

（2）評定試驗的評判標準 結合國家標準和生產需求制定焊接性能評判的標準，其中在拉伸試驗中，要求抗拉強度值不得低于母材的最低值，如果拉伸強度低于最低值，但大于90%的最低規定值，斷裂缺陷是由母材缺陷引起，可以認可拉伸試驗結果；在彎曲試驗中，彎曲直徑需達到180°，在焊縫和熱影響區上均不得有長度＞3mm的開口，但棱角處的開裂，如果是由于焊縫夾渣或內部缺陷引起，也可以認可彎曲試驗結果；在沖擊試驗中，沖擊吸收能量不低于相關國家標準規定的要求值；對于宏觀試驗的試樣，在清晰顯示焊縫和熱影響區的橫截面上，不得有肉眼可見的未熔合和裂紋；對于沖擊試驗的試樣，截斷面上所有缺陷的長度之和小于受檢總焊縫長度的30%。

圖2 角接試件取樣示意

圖3 沖擊試驗取樣位置

表4 焊絲化學成分（質量分數） （%）

表5 焊接參數

（3）試驗結果與分析 工藝評定試驗結果表明，在拉伸試驗中，焊接接頭斷裂位置均在遠離焊縫的母材區域，拉伸強度值大于母材的最低設計強度值，彎曲試驗中，除了一個試樣由于焊縫夾渣引起的開裂，其余均達到180°彎曲且無明顯開裂現象；沖擊試驗中得到的焊縫沖擊吸收能量與母材相當。由此可知，在所擬定的焊接工藝下得到的焊接接頭的各項力學性能指標滿足生產需要。

此外，根據金相試樣制備方法制備工藝試驗中得到的焊接接頭的金相試樣，在金相顯微鏡下觀察接頭的內部顯微組織，結果表明：焊接熱輸入的變化會影響焊縫和熱影響區的顯微組織，但引起的變化不大。圖4為焊縫及熱影響區的顯微組織，由此可見，焊縫金屬的組織以針狀鐵素體為主，另外有少量的先共析鐵素體，先共析鐵素體組織的存在不利于焊縫韌性的提高，因而可以在施焊時選擇相對較大的熱輸入，抑制共析鐵素體組織的生成，從而提高焊縫金屬的低溫韌性；焊縫的過熱區組織為粒狀貝氏體，當粒狀貝氏體過于粗大時會削弱過熱區的韌性，因而當使用較大熱輸入時會使熱影響區的韌性降低。

4. 結語

通過焊接工藝試驗和工藝評定試驗對Q450NQR1高強耐候鋼的焊接性進行了研究，試驗結果表明，采用熔化極氣體保護焊方法，根據等強匹配原則選用TH550-NQ-Ⅱ焊絲，混合氣體80%Ar+20%CO2作為保護氣體，在擬定的工藝參數下得到的焊接接頭的各項力學性能指標可以滿足國家標準和實踐生產的要求。對焊縫顯微組織進行分析，結果表明焊縫組織以針狀鐵素體為主，接頭的過熱區組織為粒狀貝氏體，同等條件下采用相對較大的熱輸入可以提高焊縫金屬的低溫韌性，但會削弱過熱區的韌性。

圖4 焊接接頭的顯微組織

[1] 侯豁然，付俊巖.我國鐵道車輛用高強度耐大氣腐蝕鋼的進展[J]. 鋼鐵，2004，39（6）：71-74.

[2] 楊松柏.鐵路貨車車體材料的現狀和需求[J].鐵道機車車輛，2006，26（1）：1-4.

[3] 朱廣慶. Q450NQR1高強度耐候鋼在鐵路貨車車輛的應用[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學， 2005.

[4] 曾波，李生.Q450NQR1高強度耐候鋼材料可焊性分析[J].機車車輛工藝，2006（2）：10-11.

[5] 趙海霞.Q450NQR1高強度耐候鋼的焊接工藝研究[J].太原科技，2009（6）：69-71.

[6] 吳志生，楊立軍，李志勇.現代電弧焊接方法及設備[M].北京：化學工業出版社，2010（8）：157-164.