多次返修條件下S355J2+N非合金結構鋼焊接工藝評定

陳建華，許志森，張翔，張衍坤，孫浩

(中車山東機車車輛有限公司，山東 濟南 250022)

0 前言

隨著國家“一帶一路”倡議的深入推進，中車山東機車車輛有限公司實施“走出去”戰略，近年來有多種軌道貨車產品打入歐洲高端貨車市場。其中車體、轉向架構架鋼結構主要采用S355J2+N非合金結構鋼，該型號鋼板執行EN 10025-2標準，主要用于制造強度要求更高、成形性更好和性能穩定的機械制造、車輛、化工設備等各種設備的結構，大型廠房鋼結構，重要工程及橋梁結構等，在歐洲應用廣泛[1]。

為降低成本，在生產制造過程中不免要出現需對焊縫接頭進行返修的情況。有技術人員研究了返修焊接對S355J2W+N耐候結構鋼焊接接頭性能及金相組織的影響[2-3]，但目前對于S355J2+N還鮮有研究。為了驗證返修對S355J2+N非合金結構鋼焊接接頭性能的影響，為生產制造中制定返修焊工藝提供依據，我們選取了12 mm厚的S355J2+N板材進行了焊接工藝試驗。

1 試驗材料和方法

采用MAG焊焊接方法對S355J2+N非合金結構鋼進行了的焊接工藝試驗。焊接5塊對接試板，分別編號為T0，T1，T2，T3和T4，其中T0試板不進行返修，T1，T2，T3和T4試板分別進行1，2，3，4次模擬返修焊接。按照ISO 15614-1-2017《金屬材料焊接工藝規程及評定-焊接工藝評定試驗-第一部分：鋼的弧焊和氣焊、鎳及鎳合金的弧焊》標準對其進行焊接工藝評定并對接頭各項性能進行評價。

1.1 母材

選用生產中常用的12 mm厚S355J2+N非合金結構鋼，化學成分見表1，力學性能見表2。

表1 母材化學成分(質量數數，%)

表2 力學性能

1.2 焊材

焊絲選用φ1.2 mm的符合ISO 14341-2011-A的 G42 4 M21 3Si1焊絲(保護氣為成分為80%Ar+20%CO2)。焊絲化學成分見表3，焊材熔覆金屬力學性能要求見表4。

表3 焊絲化學成分

表4 焊材熔覆金屬力學性能要求

1.3 坡口形式

焊縫接頭形式如圖1所示。焊接時采用單面焊雙面成形，其中坡口角度α=100°，組對間隙b=2～3 mm，鈍邊c=0～0.5 mm。模擬返修焊接去除缺陷時坡口準備如圖2所示。返修時，采用碳弧氣刨的方式去除焊縫，去除深度8～10 mm，并將碳化層、氣刨掛渣清除干凈，露出金屬光澤。

圖1 焊接接頭形式

圖2 模擬缺陷清除示意圖

1.4 焊接設備

焊接設備選用林肯CV500P MAG焊機，直流反接。

1.5 焊接工藝

焊前用砂輪打磨焊縫兩側20 mm區域，清除影響焊接質量的油污、鐵銹、焊渣等。焊接工藝參數見表5。

表5 焊接工藝參數

2 試驗結果及分析

2.1 外觀檢測

按照ISO 5817-2014《鋼、鎳、鈦及其合金熔焊接頭(不包括電子束焊接)缺陷的質量等級》標準B級對焊縫外觀進行了評判。焊縫成形良好，表面無裂紋、咬邊、未熔合、氣孔、夾渣等缺陷。

2.2 無損檢測

按ISO 17638-2016《焊縫無損檢測-磁粉探傷》標準對焊接接頭進行了磁粉探傷并按ISO 23278-2015《焊縫無損檢測-磁粉檢驗-驗收等級》 標準2X等級進行驗收；按ISO 17640-2018《焊縫的無損檢驗-超聲波檢測》標準對其進行超聲波探傷并按ISO 11666-2018《焊接的無損檢測-超聲波檢測-驗收》標準 2級進行驗收。探傷結果未發現裂紋、氣孔等缺陷，焊縫質量良好。

2.3 力學性能測試

按ISO 4136-2012《金屬材料焊接的破壞性測試-橫向張力測試》進行拉伸試驗，按ISO 5173—2009《金屬材料焊縫破壞性試驗-彎曲試驗》進行彎曲試驗，按ISO 9016-2012《焊接接頭沖擊試驗方法》進行沖擊試驗，按ISO 9015-1-2001《金屬材料焊縫破壞性試驗-硬度試驗 第1部分：電弧焊接頭硬度試驗》進行硬度試驗。相關試驗結果分析如下。

2.3.1拉伸性能

為了更直觀展示結果并便于分析，將不同返修次數下2個抗拉強度結果取平均值并制成曲線圖，如圖3所示。結果表明，返修會造成接頭抗拉強度有一定的下降，返修1至4次抗拉強度平均值分別為未返修接頭抗拉強度平均值的88.4%，98.2%，99.7%，89.4%，但強度均能達到標準最低要求。其中返修2次和3次時接頭抗拉強度基本與未返修接頭基本持平。返修次數1次和4次時接頭強度下降幅度稍大，由于其斷裂位置為母材且距離焊縫和熱影響區較遠，推測強度降低可能不是由返修焊接造成。

圖3 抗拉強度結果

2.3.2彎曲試驗

對焊接接頭進行取樣，并進行了側彎試驗，壓頭直徑等于4倍板厚，彎曲角度180°。結果表明，彎曲試樣沒有出現裂紋等缺陷，彎曲性能良好。

2.3.3沖擊性能

對焊縫和熱影響區進行了-20 ℃沖擊性能試驗。試驗時在焊縫和熱影響區各取3個沖擊試樣，每個試樣的沖擊吸收能量數值均大于標準要求的母材沖擊吸收能量最小值。沖擊吸收能量平均值如圖4所示。從圖中可以看出，焊縫和熱影響區的沖擊吸收能量數值呈一定波動，但其數值都能遠大于標準要求，甚至返修次數為2次、3次時，焊縫區的沖擊性能比未返修時更佳，返修2次時熱影響區的沖擊性能比未返修時更佳。

圖4 沖擊試驗結果

2.4 宏觀金相

不同返修次數條件下，接頭的宏觀金相如圖5所示，可以看出熔合情況良好。但隨著返修次數的增加，熱輸入造成試件焊接變形逐漸增大。

2.5 硬度試驗

使用維氏硬度儀對焊接接頭和母材的顯微硬度進行了測量。在上、下表面2 mm處各打一排點，從接頭的一側母材開始，經熱影響區、焊縫直至另一側母材，每個區域3個點，硬度測量位置如圖5所示。結果表明，所有測試點的硬度都小于320 HV10,滿足標準要求。

圖5 宏觀金相

3 結論

(1)S355J2+N非合金結構鋼焊接性能良好，多次返修焊接并沒有造成焊接接頭抗拉強度、韌性等性能明顯降低，焊接接頭性能各項指標均高于工藝評定標準的最低要求。

(2)試驗結果為生產制造過程中制定返修焊接工藝提供了依據。