焊縫中夾雜物對不銹鋼車體焊縫質量和裂紋的影響

胡立國，呂 昊*

（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130000）

國內外對于不銹鋼車體工藝的理論研究基本與鋁合金車體工藝同步，但是隨著車體輕量化設計概念的提出，不銹鋼車體的應用范圍和使用程度要高于鋁合金車體。不銹鋼車體工藝的發展過程大致經歷了四個階段，第一個階段不銹鋼車體只是車體外板為不銹鋼材質，其成為蒙皮不銹鋼車體；第二個階段不銹鋼車體除了車體外板使用了不銹鋼材質以外，車體的骨架和承載梁也由不銹鋼材質代替，成為半不銹鋼車體；第三個階段成為全不銹鋼車體，車體除了轉向架的材質不是不銹鋼之外，其與均為不銹鋼；第四個階段為輕量化不銹鋼車體，整個車體無多余的零部件，車體外板平滑化，利用焊接工藝將外板、骨架以及車體外周進行智能化焊接。不銹鋼車體的零部件相對于其他材質的車體零部件相對較少，但是其對焊接工藝的要求較高，目前應用于不銹鋼車體焊接的方法主要有電阻點焊、熔焊以及激光焊，但是無論那種焊接方法，在實際應用過程中焊縫都會出現形狀、大小不一的夾雜物，該夾雜物是由于在焊接時焊縫的溫度較高，溶解的部分不銹鋼材質，當周圍溫度降低之后，就會形成夾雜物，夾雜物的出現會對不銹鋼車體焊縫質量以及裂紋造成影響，該影響決定了不銹鋼車體焊點參數以及焊點工藝的設計結構，同時也決定了不銹鋼車體焊接質量。但是目前不銹鋼車體焊接工藝性不佳，對于焊縫中夾雜物比較敏感，并且國內對于該部分的理論研究較少，不能對改善不銹鋼車體焊接工藝提供準確的理論依據，為此提出焊縫中夾雜物對不銹鋼車體焊縫質量和裂紋的影響研究，為不銹鋼車體焊接技術發展和改善提供理論依據。

1 焊縫中夾雜物對不銹鋼車體焊縫質量的影響

理想的不銹鋼車體焊接工藝是在保證不銹鋼基體強度和低溫韌性等金屬力學性能不變的情況下，通過焊接金屬將車體各個零部件連接起來，并形成一定的針狀鐵素體形核組織，將其作為焊縫韌化相來提高焊縫質量[1]。有關研究表明，不銹鋼車體焊縫中存在利于針狀鐵素體形核和不利于針狀鐵素體形核兩種，其中利于針狀鐵素體形核夾雜物形狀為圓球形，呈彌散分布，結構為殼核結構；不利于針狀鐵素體形核夾雜物形狀為多邊形，呈集中分布，結構為晶體結構，下表為不銹鋼車體焊縫兩種夾雜物的化學成分及力學性能表。

表1 不銹鋼車體焊縫兩種夾雜物的化學成分表（質量分數/%）

利于針狀鐵素體形核中碳化學成分高于不利于針狀鐵素體形核，所以在焊接過程中利于針狀鐵素體形核夾雜物的析出，可以提高不銹鋼車體焊縫的強度和低溫韌性，以下通過測試方法具體分析焊縫中夾雜物對不銹鋼車體焊縫質量影響。

1.1 焊縫中夾雜物對焊縫強度的影響

在焊接過程中，高溫環境下焊接組織析出夾雜物的種類決定了焊縫金屬強度，因此焊縫中夾雜物對不銹鋼車體焊縫強度具有重要影響，為了更好的分析二者之間的關系，此次通過測試，測試出不銹鋼車體焊縫不同熱輸入情況下，形成焊縫夾雜物的種類、夾雜物尺寸大小對焊縫金屬強度影響。測試中采用不銹鋼車體焊接工藝常用的藥芯焊絲作為焊接材料，其直徑大小為1.45mm，含有的化學元素包含錳、鎂、鐵、鋁、鈦等，車體不銹鋼材料采用上海寶鋼產IGFD 鋼，整體尺寸為300mm×100mm×45mm，不銹鋼的強度為225HV5[2]。測試中將不銹鋼車體開45°坡口，平板對接位置采用激光焊進行焊接，焊接過程中以純氬氣作為保護氣體，焊接電流設置為175A ～195A，焊接電壓設定為25V ～28V，保護氣體流量設定為15.5L/min ～17.5L/min，熱輸入范圍為8J/cm ～28J/cm，記錄下在該熱輸入范圍內焊縫夾雜物的物理特征，并且在不銹鋼車體接縫冷卻之后測量出焊縫金屬強度，下表為不同熱輸入情況下夾雜物物理特征及焊縫強度。

從表2 可以看出，隨著不銹鋼車體熱輸入的增加，夾雜物尺寸范圍也在不斷增加，并且當熱輸入超過J/cm 時，焊縫中夾雜物為不利于針狀鐵素體形核，且焊縫金屬強度較低，當熱輸入為8J/cm 時，不銹鋼車體焊縫中夾雜物為利于針狀鐵素體形核，夾雜物尺寸最小，焊縫金屬強度最高，并且此時焊縫金屬強度高于不銹鋼車體強度。說明焊縫中夾雜物的種類與尺寸大小對焊縫強度有直接的影響，夾雜物為利于針狀鐵素體形核時，焊縫金屬強度比較高，且夾雜物尺寸越小，焊縫金屬強度越高。

表2 不同熱輸入情況下夾雜物物理特征及焊縫強度

1.2 焊縫中夾雜物對焊縫低溫韌性的影響

有關研究資料表明，焊縫低溫韌性與焊縫中夾雜物的晶粒大小有直接關系，通常情況下焊縫中的夾雜物無論是有利針狀鐵素體形核還是不利有利針狀鐵素體形核，其晶粒尺寸大小范圍在0.1um ～1um 之間[3]。通過測試記錄不同焊縫夾雜物尺寸條件下，焊縫斷面收縮率以及焊縫延伸率的變化，焊接過程的工藝參數參照上文，通過對焊縫斷面收縮率以及焊縫延伸率變化分析，得到焊縫中夾雜物對焊縫低溫韌性的影響，下表為不同焊縫夾雜物尺寸下焊縫低溫韌性。

表3 不同焊縫夾雜物尺寸下焊縫低溫韌性

從上表可以看出，焊縫夾雜物晶體尺寸在0.1um ～0.3um 范圍時，焊縫斷面收縮率和焊縫延伸率較小，當焊縫晶體尺寸超出0.3um 時，隨著晶體尺寸的增加，焊縫斷面收縮率和焊縫延伸率呈逐漸提高的趨勢。這說明焊縫夾雜物晶體尺寸越小，焊縫低溫韌性能越好，當焊縫夾雜物尺寸為0.3um 時，焊縫低溫韌性能達到最優狀態。所以不銹鋼車體焊接時，要將焊縫中夾雜物晶體尺寸控制在0.1um ～0.3um 之間，以此才能保證焊縫低溫韌性良好，進而使不銹鋼車體焊接質量符合焊接要求。

2 焊縫中夾雜物對不銹鋼車體焊縫裂紋的影響

有研究發現，不銹鋼車體焊縫金屬中裂紋的形成和擴展是通過焊縫中夾雜物進行的，焊縫中不利于針狀鐵素體形核尺寸較大，在焊接金屬中能夠在其周圍不銹鋼基體之間產生裂紋源，下圖為因焊縫夾雜物生成的不銹鋼車體焊縫裂紋圖。

圖1 因焊縫夾雜物生成的不銹鋼車體焊縫裂紋圖

為了更加深入了解焊縫中夾雜物對不銹鋼車體焊縫裂紋的影響，分別記錄了不利于針狀鐵素體形核的焊縫夾雜物尺寸在0.1um ～1um 之間，形成焊縫裂紋的幾率，以及焊縫裂紋尺寸范圍，測試結果如下表所示。

表4 焊縫中夾雜物對不銹鋼車體焊縫裂紋的影響

從上表可以看出，隨著不利于針狀鐵素體形核焊縫夾雜物尺寸的增加，焊縫裂紋的形成幾率以及焊縫裂紋的尺寸大小也隨之增加，說明焊縫裂紋的生成及尺寸大小與焊縫中夾雜物的尺寸成正相關關系，夾雜物尺寸越大，越容易生成焊縫裂紋，且焊縫裂紋的尺寸越大，所以在對不銹鋼車體焊接過程中需要嚴格控制不利于針狀鐵素體形核焊縫夾雜物的尺寸，以此完成焊縫中夾雜物對不銹鋼車體焊縫質量和裂紋的影響研究。

3 結語

本文對焊縫中夾雜物對不銹鋼車體焊縫質量和裂紋的影響進行了研究，對改善和優化不銹鋼車體焊接工藝具有重要的作用，同時為提高不銹鋼車體焊縫質量和抑制焊縫裂紋生產和擴展也起到了重要作用。由于此次僅對焊縫中夾雜物對不銹鋼車體焊縫質量和裂紋的影響進行了分析，研究內容比較單一，且不具有針對性，對于有關焊縫中夾雜物的形成規律、分布規律以及對不銹鋼車體焊縫金屬性能的影響機理還有待進一步深入研究。