鐵路車輛用耐候鋼的焊接研究

孫明慧

摘要：文章介紹了耐候鋼，分析高強耐候鋼在焊接過程中容易出現的問題，并結合問題總結出解決方案。為保證焊接產品的質量和技術要求，對高強度耐候鋼成分及力學性能等進行分析，選用合理的焊接材料和焊接工藝，并進行分析總結。

關鍵詞：耐候鋼;Q450NQR1;焊接特點;焊接工藝

Abstract： The article introduces weathering steel， analyzes the problems that are likely to occur during the welding process of high-strength weathering steel， and summarizes the solutions based on the problems. In order to ensure the quality and technical requirements of welding products， the composition and mechanical properties of high-strength weathering steel are analyzed， and reasonable welding materials and welding processes are selected and analyzed.

Key words： weathering steel;Q450NQR1;welding characteristics;welding procedure

0? 引言

耐侯鋼又稱為耐大氣腐蝕鋼，是介于普通鋼和不銹鋼之間的低合金鋼，為了能夠提高鋼材的耐候性能，在材料中加少量銅、磷、鉻、鎳等金屬。按耐大氣腐蝕性能的高低不同，將耐候鋼可分為兩種：一種是高耐候性能的結構鋼，一種是用于焊接產品的耐候鋼[1]。高耐候性能的結構鋼耐候性能優于焊接結構用耐候鋼，是因為將少量的銅、鉻、鎳，加入到焊接結構用耐候鋼中，而沒有磷，所以焊接性能更好。

在我國鐵路建設快速發展的過程中，速度和載重量都有很大提高。我國建設的青藏鐵路，由于列車運行環境惡劣，對機車車輛制造材料的強度和韌性都提出了更高的要求，為此開發出強度高、韌性好的新型高強度耐候鋼，材料特點是P含量低、強度高、低溫韌性高。將屈服強度400MPa以上、抗拉強度500MPa以上的耐候鋼，稱為高強度耐候鋼。Q450NQR1高強耐候鋼是在鐵路行業應用最廣泛的新型耐候鋼材，因為材料中磷含量低，而屈服強度高以及低溫沖擊韌性較高。

1? 高強耐候鋼的焊接特點

高強度耐候鋼Q450NQR1的焊接工藝主要考慮三個方面的問題：一避免焊縫的脆化問題;二是如何避免高溫熱裂紋問題;三是避免低溫冷裂紋的產生。高強度耐候鋼Q450NQR1的碳當量為0.35～0.43%，普通耐候鋼09CuPTiRE-A的碳當量為0.20～0.25%。由于高強度耐候鋼成分的碳當量較高，導致材料的焊接性較差，所以焊縫的熱影響區存在淬硬和冷裂傾向。

1.1 焊縫脆化

高強鋼焊接接頭的熔合區上存在沖擊韌性低的現象，而在高強度耐候鋼焊接接頭的焊縫區沖擊韌性最低。用小線能量焊接的焊縫沖擊韌性優于用大線能量焊接的焊縫。所以焊接時采用較小的線能量是有利的，但是單純依靠減小焊接線能量改善沖擊韌性，作用是有限的。選擇焊接線能量時須全面考慮，因為減小焊接線能量對接頭的抗冷裂性能及塑性指標亦有不利影響。

1.2 焊接熱裂紋

熱裂紋大多以結晶裂紋的形式存在于高強度耐候鋼焊縫中。高強度耐候鋼焊縫時抗熱裂紋性能優于普通耐候鋼，這是由于高強度耐候鋼中硫、磷含量低，而錳含量較高，手工電弧焊使用堿性焊條也有影響。

在焊接高強度耐候鋼時需要采取相應措施避免熱裂紋的產生：措施一，焊接時合理安排焊接次序，盡量減小焊接應力;措施二，選用性能較好的堿性焊條、焊劑進行焊接;措施三，選用合理的焊接規范。焊接電流越大，焊接熔深越大，熔合比越大。適當減小焊接電流并提高電弧電壓;措施四，控制焊縫的成形。寬而淺的對接焊縫，拉應力集中的現象大為減弱，焊縫的抗熱裂性較高。而低熔點物質容易富集在凹的、平的角焊縫和窄且深的對接焊縫中心面上，在焊接拉應力的作用下，非常產生結晶裂紋。所以對接焊縫和角焊縫的外形應該是微微凸起的形狀，必須填滿弧坑，減少缺陷的產生。使用埋弧自動焊方法焊接時，需要增加引弧板和引出板。

1.3 焊接冷裂紋

焊接冷裂紋的形成因素主要有三個：材料本身的淬硬傾向，焊接結構的拘束拉應力，焊接接頭的含氫量及其分布。針對造成焊接冷裂紋產生的的影響因素，可采取的主要措施有以下：

①被焊工件尺寸要滿足要求，組對時避免造成內部應力。并且合理安排焊接次序，盡量降低大多數焊縫在焊接時的拘束度，從而進一步減小焊接應力[2]。

②選用合適的焊接材料，主要指堿性低氫型焊材。堿性低氫型焊材焊接接頭的含氫量低，有較好的脫硫、脫磷性能，沖擊韌性較高。為了減少焊接接頭的含氫量，使用前需進行烘干，減少水分，由此降低冷裂傾向。

③做好充分的焊前準備工作。認真清理焊縫部位及兩側各20mm范圍內，去除水分、鐵銹、油污等雜物。另外焊前預熱可以有效防止高強鋼焊接冷裂紋地產生。

④適合的焊接方法和規范。混合氣體保護焊時有較小焊接線能量，焊接時可適當增大焊接線能量。通過措施減小冷卻速度，可減少或避免焊縫的淬火組織。另外使氫能順利逸出焊縫，降低了冷裂紋的傾向。

⑤焊后緩冷或熱處理。為了使氫充分逸出，可進行焊接后緩慢冷卻或者熱處理。同時消除焊接的殘余應力，改善焊縫的組織，降低產生焊接冷裂紋的傾向。

2? Q450NQR1高強度耐候鋼成分及力學性能

通過實測兩組Q450NQR1高強度耐候鋼試板的化學成分和力學性能，得出以下數據，并與要求的成分和力學性能進行對比，具體數據見表1和表2。

3? 焊接工藝

3.1 焊接變形的矯正

使用火焰加熱將鋼板加熱到650～700℃進行變形矯正。通過相關數據可知，火焰加熱矯正對鋼材力學性能和組織晶粒大小的影響有限。實際生產時，采取局部小范圍加熱的方式進行矯正，避免大范圍加熱，減小對鋼材力學性能和晶粒大小產生的影響。因此在Q450NQR1材料的焊接結構中，允許使用火焰進行焊接變形的矯正，加熱溫度在700℃以下。

3.2 焊接材料

Q450NQR1高強度耐候鋼的強度較高，同時耐大氣腐蝕性能較好，但是為了保證焊接結構的性能，需要選擇合適的焊接材料。選擇焊接材料時要考慮焊接材料的韌性和抗裂性能。不同種類耐候鋼焊接時，可根據強度低的母材選用焊接材料，根據強度較高的母材確定焊接工藝。當滿足熔敷金屬的最低抗拉強度不低于強度較低的母材的抗拉強度時，耐候鋼與其他材料焊接優先選用非耐候的結構鋼焊接材料，也可用耐候鋼焊接材料。焊條、焊劑須按規定進行烘干。

Q450NQR1高強度耐候鋼的焊接材料：氣體保護焊選用型號TH550-NQ-Ⅱ的氣體保護焊絲;埋弧焊選用型號TH550-NQ-Ⅲ的焊絲，配合焊劑SJ101。（表3）

3.3 高強度耐候鋼的焊接

3.3.1 焊前準備

焊接坡口及兩側各10～20mm范圍內應除去水分、鐵銹等雜物，如果有油漆層不影響焊接，可不需清除[3]。如果坡口的加工過程中使用氣割或碳弧氣刨，應該除去坡口面的熔渣。坡口合格后才可組對焊接。

3.3.2 焊接Q450NQR1高強度耐候鋼的焊接參數如表6所示

焊接要求：

①氣體保護焊時采用80%Ar+20%CO2的混合氣體進行保護，比純CO2氣體保護的效果要好。

②埋弧焊的焊劑使用前，經350℃烘干，時間為1～2小時，并儲存在密閉的容器內。

③板材對接焊時應設置引弧、熄弧板，引弧、熄弧點應超過引弧、熄弧板30mm以上。

4? 結論

①采用以局部點狀的加熱方式進行焊接變形的矯正。

②嚴格控制焊接起弧位置的質量，必要時需用砂輪修磨。對接焊縫增加引弧板和熄弧板。

③當清根時使用碳弧氣刨，要求使用砂輪打磨碳弧氣刨層。

④焊接時環境溫度低于5℃時，焊前需要對材料進行預熱處理。

⑤為降低焊接應力，減小變形，焊接時選擇合理的焊接順序和方法。

參考文獻：

[1]沈言錦.焊接技術基礎[M].北京：機械工業出版社，2018：20-59.

[2]李亞江，王娟，劉鵬，等.低合金鋼焊接及工程應用[M].北京：化學工業出版社，2003：160-170.

[3]劉會杰.焊接冶金與焊接性[M].北京：機械工業出版社，2007：161-181.