緩沖桿用45鋼堆焊修復工藝與性能

何 巖 ，宋佳曈 ，陳 輝 ，龐西南

（1.長春中車軌道車輛有限公司，吉林長春130052；2.中車長春軌道客車股份有限公司，吉林長春130052；3.西南交通大學材料科學與工程學院，四川成都610031）

0 前言

緩沖桿是機車車輛連接緩沖系統的重要零部件之一，每年因磨損而報廢造成社會資源的浪費。通過再制造技術修復緩沖桿磨損區域，不僅可以實現尺寸還原，還能獲得良好的機械性能，達到提高企業生產效率、創造更多利潤的目的[1-2]。通常緩沖桿材料采用45鋼，它是一種優質碳素結構用鋼，含碳量0.42%～0.50%，屬于中碳鋼。根據國際焊接學會推薦的公式計算求得45鋼的碳當量為0.72%[3]。當碳當量大于0.4%時，母材的淬硬傾向較大，冷裂敏感性較高，焊接性較差[4]。在堆焊過程中，45鋼母材與堆焊層之間容易產生馬氏體組織的熔合區，該區韌性較低，是一個高硬度、高脆性區域，會降低緩沖桿堆焊修復區域使用的可靠性[5]。因此，研究緩沖桿用45鋼堆焊修復工藝與性能尤為重要。

1 試驗材料和方法

緩沖桿用材料為φ78 mm的45碳素結構鋼，化學成分如表1所示，金相組織如圖1所示，為珠光體和鐵素體。

表1 45號鋼化學成分Table 1 Chemical composition of 45 steel %

圖1 母材金相組織Fig.1 Metallography of base metal

緩沖桿焊接修復采用冷金屬過渡焊（CMT），可有效降低熱輸入，減小焊接過程變形，焊接過程無飛濺，焊絲運動與焊接過程相結合，使得焊縫成形均勻。按照“等強匹配”原則，采用60C氣體保護焊絲，其化學成分如表2所示。采用TransPuls Synergic 4000 CMT型焊接系統、ABB機器人、旋轉運動變位機工裝進行自動焊接。焊接電流150～160 A，電壓15～16 V，保護氣為 φ（CO2）20%+φ（Ar）80%，氣流量20～25 L/min，送絲速度 5 m/min，焊接速度 12 mm/s，堆焊修復后的緩沖桿自然冷卻。堆焊后取樣，經砂紙打磨，拋光機拋光，再用4%硝酸酒精腐蝕出焊縫、熱影響區，采用GB/T 229-2007對焊縫、熱影響區、母材進行布氏硬度實驗，采用GB/T 228.1-2010進行拉伸實驗，采用GB/T 229-2007進行夏比擺錘沖擊試驗。用4%硝酸酒精腐蝕焊縫熱影響區及母材，采用蔡司顯微鏡分析金相組織。

2 試驗結果與分析

2.1 硬度試驗

采用華銀HB-3000C型電子布氏硬度計，按照GB/T 229-2007進行硬度試驗，選用2.5mm壓頭，試驗力-壓頭球直徑平方比率為30，對應設備參數選用HBW2.5/187.5。通過硬度及壓痕直徑分別計算焊接修復層、熱影響區、母材所對應的硬度，結果如表3所示，硬度分布曲線如圖2所示。

表2 60C焊絲化學成分Table 2 Chemical composition of 60C Welding wire %

表3 緩沖桿焊接修復硬度分布Table 3 Buffer rod welding repair hardness distribution

圖2 硬度分布Fig.2 Hardness distribution

試驗結果表明，堆焊層硬度為223～237 HBW，熱影響區、焊縫和母材硬度為221～237 HBW，堆焊修復后緩沖桿表面得到一定的強化，焊縫和熱影響區硬度分布均勻，不存在局部硬度過高或過低現象，在堆焊修復過程中工藝參數穩定可靠。

2.2 拉伸試驗

拉伸試驗設備為萬能電子試驗機，試驗方法按照GB/T 228.1-2010進行，設計拉伸試樣如圖3所示，拉伸速率5 mm/min，結果如表4所示。

緩沖桿經堆焊修復后，平均抗拉強度800 MPa，屈服強度594 MPa，斷面收縮率43.6%。修復后的緩沖桿抗拉強度明顯高于母材，性能得到明顯提高。

圖3 拉伸試樣加工Fig.3 Tensile specimen processing diagram

表4 緩沖桿焊接修復多組拉伸試驗結果Table 4 Buffer rod welding repair multiple sets of tensile test results

2.3 沖擊試驗

沖擊試驗設備采用夏比擺錘沖擊試驗機，試驗方法及沖擊試樣加工按照GB/T 229-2007進行，沖擊缺口為U2形缺口，試驗結果如表5所示。

表5 緩沖桿焊接修復沖擊試驗結果Table 5 Buffer rod welding repair impact test results

焊接修復后，焊縫的沖擊功平均值為48 J，沖擊韌性較45鋼明顯提高。

2.4 金相組織分析

冷金屬過渡焊堆焊修復的焊縫和熱影響區微觀組織分別如圖4、圖5所示，焊縫堆焊層主要為針狀鐵素體，熱影響區為細顆粒狀鐵素體+珠光體。

2.5 探傷檢測

修復后的緩沖桿經磁粉和超聲波探傷，修復區域未見裂紋、氣孔、夾渣等焊接缺陷，如圖6、圖7所示。

3 結論

（1）緩沖桿修復工藝參數為：電流150～160 A，電壓 15～16 V，保護氣流量 20～25 L/min，送絲速度5 m/min，焊接速度 12 mm/s。

圖4 焊縫金相組織Fig.4 Metallography of weld

圖5 熱影響區金相Fig.5 Metallography of HAZ

圖6 超聲探傷Fig.6 Ultrasonic flaw detection

圖7 磁粉探傷Fig.7 Magnetic particle inspection

（2）堆焊修復后緩沖桿平均抗拉強度789 MPa，平均沖擊功48 J，平均斷面收縮率43%，緩沖桿性能顯著提高。

（3）緩沖桿修復表面平均硬度248 HBW，焊縫平均硬度230 HBW，熱影響區平均硬度223 HBW，母材平均硬度228 HBW。熱影響區、焊縫與母材硬度相當，無明顯應力集中，修復工藝可靠，焊縫表面硬度偏硬，提高了緩沖桿的使用壽命。

（4）緩沖桿經堆焊修復后，焊縫的微觀組織主要為針狀鐵素體，熱影響區微觀組織為細顆粒狀鐵素體+珠光體，未見馬氏體熔合區，堆焊修復工藝可靠性高。

（5）焊接修復區域經磁粉和超聲波探傷未見裂紋、夾渣、未熔合等焊接缺陷。