客車水箱焊接工藝性能研究

（中車南京浦鎮車輛有限公司，江蘇南京266111）

0 前言

客車水箱一般采用304不銹鋼薄板通過焊接制得[1-2]，其質量主要取決于焊接接頭的質量，因此，研究客車水箱用304不銹鋼薄板的焊接工藝性能顯得十分重要。在304不銹鋼薄板的焊接方面已開展了很多研究[3-11]，但是針對304不銹鋼薄板用于客車水箱制造的焊接特性研究工作，目前尚未見報道。本文針對客車水箱制造過程中可能使用的焊接方法和4種焊接接頭形式（全焊透板對接接頭、T型接頭、單面角焊縫接頭和搭接接頭），進行了一系列焊接工藝性能試驗。通過測試和分析不同焊接接頭力學性能、組織結構、殘余應力分布、氯離子敏感度等，獲得4種焊接接頭綜合性能的基礎性數據，為優化客車水箱設計制造方案提供理論依據。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗材料為304不銹鋼薄板，厚度3 mm，化學成分如表1所示。4種焊接接頭試板共4對8塊，每塊試板尺寸規格為150 mm×300 mm×3 mm。

1.2 焊接試驗工藝參數

采用手工鎢極氬弧焊（TIG焊）對客車水箱用304不銹鋼薄板進行焊接[2，12-13]，獲得4種焊接接頭：全焊透板對接接頭、T型接頭、單面角焊縫接頭和搭接接頭，分別如圖1～圖4所示，選用設備為逆變交直流氬弧焊機（ADP400型）。4種形式焊接接頭的焊接試驗工藝參數如表2、表3所示。

表1 304不銹鋼薄板化學成分 %

圖1 全焊透板對接接頭

圖2 T型接頭

1.3 焊接工藝試驗試板檢驗和檢測項目

圖3 單面角焊縫接頭

圖4 搭接接頭

依據相關標準[2，12-13]，4種焊接接頭試板的檢驗和檢測項目為：表面裂紋檢測（PT 100%）、硬度（HV）測定、宏觀金相觀測、金相顯微組織分析、耐蝕性試驗（氯離子敏感度測定）和殘余應力測定，此外，全焊透板對接接頭還需進行橫向拉伸和彎曲試驗。

2 試驗結果及分析

2.1 表面裂紋檢測

按照NB/T47013.5承壓設備表面著色檢測標準對全焊透板對接接頭、T型接頭、單面角焊縫接頭和搭接接頭進行表面著色檢測，均未發現裂紋。說明上述4種焊接接頭的焊接工藝合理，施焊操作正確。

表2 全焊透板對接接頭焊接工藝參數

表3 T型接頭、單面角焊縫接頭和搭接接頭焊接工藝參數

2.2 力學性能測試結果及分析

2.2.1 拉伸和彎曲試驗結果及分析

4種焊接接頭中，只有全焊透板對接接頭可以進行拉伸和彎曲試驗。按照GB/T 2651對全焊透板對接接頭進行橫向拉伸試驗，結果如表4所示；按照GB/T 2653對全焊透板對接接頭進行橫向彎曲試驗，結果如表5所示。由表4、表5可知，全焊透板對接接頭拉伸屈服強度和抗拉強度均大于304不銹鋼材料標準值，彎曲試驗結果均滿足304不銹鋼材料標準要求，表明焊接試驗工藝參數是合適的。

2.2.2 硬度試驗結果及分析

4種焊接接頭三區（指焊肉、熱影響區、母材三個區域，以下同）硬度測試結果如表6～表9所示。由表可知，4種焊接接頭三區硬度（HV10）值共同的特點是熱影響區硬度值最高，這是由于熱影響區被加熱而使其中析出相有所增多所致。對接接頭、搭接接頭焊肉硬度略高于母材硬度，T型接頭焊肉硬度與母材硬度基本相同，單面角焊縫接頭焊肉硬度略低于母材硬度。4種焊接接頭三區硬度值均滿足304不銹鋼材料標準要求（≤200 HV10）。

表4 全焊透板對接接頭的拉伸性能

表5 全焊透板對接接頭彎曲試驗結果

表6 全焊透板對接接頭的硬度

表7 T型接頭的硬度

表8 單面角焊縫接頭的硬度

對鋼鐵材料，一般可根據硬度值粗略比較不同試件抗拉強度的大小。4種焊接接頭中單面角焊縫接頭焊肉硬度最低，表明單面角焊縫接頭焊肉抗拉強度最低。

表9 搭接接頭的硬度

3.3 宏觀金相觀察

觀察4種焊接接頭的宏觀金相照片（圖1～圖4）可知，各種焊接接頭成形良好。

3.4 金相顯微組織分析

4種焊接接頭三區金相顯微組織如圖5～圖8所示。由圖可知，全焊透板對接接頭、T型接頭、單面角焊縫接頭和搭接接頭4種形式接頭對應區域的顯微組織基本相同。4種焊接接頭焊肉的金相組織均為柱狀樹枝晶組織，熱影響區和母材金相組織均為等軸晶組織。以上顯微組織均為奧氏體不銹鋼焊接接頭的常規金相組織，未出現異常組織。

3.5 殘余應力測試結果及分析

焊接殘余應力在平行于焊縫軸線方向的應力分量稱為縱向殘余應力σx，垂直于焊縫軸線方向的應力分量為橫向殘余應力σy，厚度方向的殘余應力分量為σz。在厚度小于20 mm的焊接接頭結構中，厚度方向應力分量σz相對很小，可以忽略，焊接殘余應力基本沿板件的長和寬方向。

4種焊接接頭殘余應力測試點分布如圖9所示，殘余應力測試結果如圖10所示。

由圖10可知，4種焊接接頭中，單面角焊縫接頭和搭接接頭焊肉附近的縱向殘余應力和橫向殘余應力都較大，而全焊透板對接接頭和T型接頭焊肉附近的縱向殘余應力較大，橫向殘余應力較小。

當焊件中橫向殘余應力較大時，會與外加拉應力疊加作用，降低焊接件的靜載強度，增大焊接件開裂的可能性。4種形式接頭中，單面角焊縫接頭和搭接接頭焊肉附近的橫向殘余應力均較大，因此，在拉應力作用下，這兩種接頭的靜載強度較低，開裂的可能性較大。

3.6 耐蝕性試驗結果及分析

焊接試件的腐蝕試驗采用ASTM G48-2011（2015），選擇此標準中的方法A—三氯化鐵麻點腐蝕試驗。對于全焊透板對接接頭、T型接頭、單面角焊縫接頭和搭接接頭4種接頭形式，每種焊接接頭按標準取樣，試樣均包括焊縫、熱影響區和母材，試驗結果如表10所示。

圖5 全焊透板對接接頭三區金相顯微組織

圖6 T型接頭三區金相顯微組織

圖7 單面角焊縫接頭三區金相顯微組織

圖8 搭接接頭三區金相顯微組織

圖9 四種焊接接頭殘余應力測試點分布

表10 各種焊接接頭及純母材的腐蝕速率 g/m·2h

由表10可知，單面角焊縫接頭和搭接接頭的腐蝕速率明顯高于全焊透板對接接頭和T型接頭。由前述分析還可知，4種形式接頭的組織結構基本相同，而其中殘余應力的分布情況卻不同。

金屬材料在應力（主要是拉應力）和腐蝕介質的共同作用下發生的破壞現象，稱為應力腐蝕。焊件中殘余應力（主要是拉應力）越大，產生應力腐蝕的傾向就越大，腐蝕速率越快。所以，殘余應力較大的單面角焊縫接頭和搭接接頭的腐蝕速率較高，發生應力腐蝕開裂的可能性大于全焊透板對接接頭和T型接頭。

4 結論與建議

4.1 結論

（1）本試驗研究采用的焊接工藝、焊接材料、焊接設備都是適宜的。

（2）在客車水箱制造可能會采用的4種焊接接頭形式中，全焊透板對接接頭在力學性能、焊接殘余應力分布、耐腐蝕性等方面最優，而單面角焊縫接頭在力學性能、焊接殘余應力分布、耐腐蝕性等方面最差。

4.2 建議

根據以上結論，建議將客車水箱設計為兩端帶直邊封頭的圓筒形（即膠囊型）水箱，這樣外包板與端部封頭可以采用綜合性能最優的全焊透板對接接頭形式焊接，從而提高客車水箱的承載能力和耐蝕性。

圖10 四種焊接接頭殘余應力分布