一種進口與國產焊絲在地鐵轉向架S355J2W耐候鋼板焊接中的應用

■ 尤君，白麗杰，胡蘇磊，楊紅偉

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1. 概述

S355J2W耐候鋼與轉向架構架常用的P355NL1結構鋼強度相當，但前者在耐大氣腐蝕性能上具有明顯的優勢。轉向架構架作為現代軌道車輛的核心部件，同時也是承受動載荷的焊接結構，因其特殊的服役環境不僅要求結構、強度可靠，而且還兼具耐候性，這使得S355J2W耐候鋼越來越多的被用在地鐵轉向架構架的焊接中。進口焊絲性能優異，但是價格高昂，采購周期不可控，因此有必要選用一種可以替代的國產焊絲。

本試驗遵循等成分等強度的原則，分別選用一種進口焊絲與一種國產焊絲對地鐵轉向架用S355J2W耐候鋼進行焊接試驗，通過對比分析各自焊接接頭的性能差異，為實現公司地鐵轉向架焊接材料的國產化提供技術儲備和依據。

2. 試驗用材料與要求

（1）母材 試驗材料選取兩組共計6塊轉向架構架車間焊接工藝評定用S355J2W耐候鋼標準試板，產品成分及規定極限值的允許偏差執行EN10025-5標準，鋼板化學成分如表1所示，力學性能如表2所示。

（2）焊材 結合車間生產實際并遵循等成分等強度的原則，國產焊絲選用上海大西洋焊接材料有限責任公司生產的CHW—55CNH型鐵道車輛用高強度耐大氣腐蝕鋼用鍍銅氣體保護焊絲；進口焊絲選用ESAB品牌的ISO14341-A：G 42 4 M21 Z ?1.2mm焊絲，兩種焊絲的化學成分及力學性能如表3和表4所示。

（3）接頭形式及焊接參數 焊接試板尺寸為350mm×150mm×12mm，對接焊縫采用MAG焊接，保護氣體為80%Ar+20%CO2，在焊接之前用鋼絲刷將焊縫及其周圍兩側各20mm范圍內徹底清理干凈，不應有任何油脂、污漬、油漆標記、氧化皮和其他雜質。焊接完成后進行清渣處理，焊接接頭形式及焊接參數如表5所示。

表1 S355J2W鋼板的化學成分（質量分數） （%）

表2 S355J2W鋼板的拉伸、彎曲性能指標

兩組試板焊接完成后按照ISO5817標準進行外觀檢查，然后制取金相試樣進行宏觀及微觀金相檢驗，研究焊接接頭區域組織的變化；采用數碼金相顯微鏡進行金相分析（按ISO17639標準執行）；采用電子萬能拉伸試驗機進行拉伸試驗（按ENISO4136標準檢測）；在JB-300B300/150型沖擊試驗機上進行沖擊試驗（按ENISO9016標準檢測）；采用HVS—30維氏硬度計進行維氏硬度檢測（按ISO9015-1標準檢測），加載10kg，加載時間15s，每間隔1mm打一個點。

圖1 試件宏觀金相

3. 試驗結果及討論

（1）試樣宏觀金相 焊接試樣的宏觀金相組織如圖1所示，從圖中可以看出接頭焊縫熔合良好，焊縫表面無咬邊、氣孔、未熔合等缺陷，外觀質量滿足ISO5817 B級標準要求。

圖2 接頭不同區域金相顯微組織

表3 兩種焊絲的化學成分

表4 兩種焊絲的力學性能

表5 試板焊接參數

（2）試樣微觀金相 焊接接頭各區域金相顯微組織分別如圖2所示。圖2a焊縫區顯微組織均為白色先共析條狀鐵素體，少量無碳貝氏體，晶內則是針狀鐵素體和珠光體，細小點狀粒狀貝氏體，1#試樣組織最優異；圖2b熔合區是接頭中最薄弱區，熔合線區晶粒大小不均勻，靠近過熱區一側晶粒粗大，靠近焊縫一側晶粒較小；圖2c過熱區為珠光體和沿奧氏體晶界析出的塊狀先共析鐵素體，晶粒內部為少量細小粒狀貝氏體；圖2d正火區為比母材區更為細小均勻的鐵素體和珠光體組織。

（3）拉伸試驗結果 圖3為兩組平板試樣在拉伸后的宏觀形貌，各個試樣抗拉強度值、伸長率、斷裂位置如表6所示。

從測試結果可以看出，平板拉伸試樣經歷了塑性變形、頸縮、出現微裂紋、微裂紋擴展直至瞬間剪斷斷裂的過程，所有試樣最后斷裂都在母材金屬處，說明這種焊接接頭的薄弱部位為母材，同時也證明該焊接接頭具有良好的拉伸性能。此外，兩組試樣的拉伸強度、斷面伸長率基本相等，測試值遠遠高于S355J2W母材要求的最低極限值，兩種接頭的抗拉性能均滿足使用及相關標準要求。

（4）沖擊試驗結果 表7為兩組試樣的沖擊試驗結果。從表中數據可以看出，在-40℃時兩種焊接接頭的焊縫、熱影響區的沖擊吸收能量平均值均在190J以上，可見焊接接頭具有良好的沖擊性能。測試值均遠遠高于S355J2W母材要求的最低極限值，沖擊性能均滿足使用要求。

（5）硬度試驗結果 按圖4對兩組試樣進行維氏硬度測試，測試結果如圖5所示。

從圖5中可以看出，兩種接頭的硬度由母材到焊縫均是呈先增加后降低的趨勢，母材至正火區至過熱區硬度依次升高，至焊縫硬度降低，硬度峰值在過熱區，焊縫硬度均高于母材。

圖3 兩組試樣拉伸測試宏觀形貌

表7 沖擊試驗結果

圖4 維氏硬度測試位置

圖5 硬度測試結果

4. 結語

（1）在實際生產中，對于碳鋼及低合金高強鋼應該遵循等化學成分、等強度匹配的原則下進行焊絲選配。

（2）地鐵轉向架構架用S355J2W耐候鋼板能與成分、強度相同的進口焊絲ISO14341-A：G 42 4 M21 Z φ1.2mm及國產焊絲CHW—55CNH形成良好的焊接接頭，且二者力學性能相當，均能夠滿足焊接構架的使用性能要求。

[1] 王君杰．轉向架構架焊接接頭組織與性能研究[D]．大連：大連交通大學，2007．

[2] 張曉波，等. 980MPa級低碳貝氏體高強鋼MAG焊接接頭不同試樣的拉伸斷裂機理[J].焊接學報，2012，36(2)：19-23.

[3] 李亞江．焊接組織性能與質量控制[M]．北京：化學工業出版社，2005．1．