G20Mn5鑄鋼MAG焊接接頭的組織與力學性能

李春來，秦慶斌，吳圣川，張曉軍，梁 濤，劉 洋

(1.中車唐山機車車輛有限公司，唐山 064000；2.西南交通大學，牽引動力國家重點實驗室，成都 610031)

0 引 言

轉(zhuǎn)向架焊接構架是保證鐵路車輛安全、可靠運行的關鍵部件，在服役過程中承受著制動力、慣性力、牽引力等交變載荷的作用。車輛運行速度的不斷提高對轉(zhuǎn)向架構架的服役性能提出了更高要求，因此研究焊接接頭的組織與性能對于優(yōu)化轉(zhuǎn)向架構架焊接工藝，改善接頭質(zhì)量有著重要的理論和工程意義[1-2]。雖然激光焊接和攪拌摩擦焊發(fā)展迅速，但在鐵路車輛制造中，弧焊仍是極其重要的焊接方法[3]，弧焊中的熔化極活性氣體保護電弧(MAG)焊可用于空間各種位置的焊接，尤其適用于碳鋼、合金鋼和不銹鋼的焊接，因此廣泛應用于城市地鐵和高速客車轉(zhuǎn)向架的焊接中[4]。目前，我國在役地鐵車輛的焊接構架用材料以Q345鑄鋼[5]、S355J2W鑄鋼[5]、16MnR鑄鋼[6]、20SiMn2鑄鋼[7]為主。G20Mn5鑄鋼是歐洲標準EN 10293中規(guī)定的一種低碳低合金鑄鋼，其化學成分大致對應于我國JB/T 6402-2006標準中的ZG20Mn鋼與ZG20SiMn鋼。G20Mn5鑄鋼具有裂紋萌生傾向小、焊接性能好、綜合力學性能較好等優(yōu)點，廣泛應用于低溫承載件的制造，而在鐵路交通領域，該鑄鋼主要用于制造牽引電機中的端蓋、懸掛筋、壓圈、止擋座及轉(zhuǎn)向架支架等鑄件[8]。

但是，目前有關G20Mn5鑄鋼MAG焊接接頭組織與性能方面的報道較少。因此，作者在選定工藝參數(shù)下對G20Mn5鑄鋼板進行MAG對接焊，研究了接頭的焊接質(zhì)量、顯微組織、硬度、拉伸性能及高周疲勞性能，為鐵路轉(zhuǎn)向架焊接構架的制造工藝設計及服役評價提供技術支撐。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

焊接用母材采用符合EN 10293-2005標準要求的厚度為8 mm的G20Mn5鑄鋼板，由中車唐山機車車輛有限公司提供，其屈服強度為295 MPa，抗拉強度為520 MPa，斷后伸長率為30%。填充材料為直徑1.2 mm的ER50-6焊絲。母材和焊絲的化學成分如表1所示。

表1 G20Mn5鑄鋼和ER50-6焊絲的化學成分(質(zhì)量分數(shù))

在鑄鋼板上切割出尺寸為400 mm×200 mm×8 mm的焊接試板，開V型坡口，鈍邊為2 mm，接頭的形式與尺寸如圖1所示。采用YD-500GL型MAG焊機對焊接試板進行對接，焊接電源為直流電源，采用單面兩道焊進行焊接，電弧電壓為22～25 V，電流為220 A。為防止焊接接頭中產(chǎn)生較大的變形和冷裂紋，焊前將母材預熱至100 ℃左右，焊縫層間溫度控制在160 ℃，同時對接時采用墊板。

圖1 焊接接頭的形式及尺寸

1.2 試驗方法

在接頭上截取尺寸為8 mm × 10 mm × 40 mm的金相試樣，經(jīng)磨制、拋光，用體積分數(shù)4%硝酸酒精溶液腐蝕后，采用Axio Observer.A1m型倒置光學顯微鏡觀察組織。采用200HRS-150型數(shù)顯洛氏硬度計對金相試樣進行硬度測試，測試間隔為1.5 mm，載荷為980 N，保載時間為10 s,得到接頭的硬度分布曲線。在焊接接頭上以焊縫為中心分別截取如圖2所示的拉伸試樣和高周疲勞試樣。G20Mn5鑄鋼接頭可靠運用的關鍵與基礎是不存在超標的鑄造缺陷和焊接缺陷[9]，因此按照ISO 17636-1-2013，采用Radioflex-300EGS-2型X射線探傷機對拉伸試樣和高周疲勞試樣進行缺陷檢測，按照ISO 10675-1-2013中的Ⅰ級標準對焊接接頭進行缺陷評定。按照GB/T 2651-2008，在MTS 809型液壓伺服材料試驗機上進行室溫拉伸試驗，拉伸速度為0.005 mm·min-1。按照GB/T 3075-2008，在MTS 810型電液伺服試驗機上進行高周疲勞試驗，應力比為0.1，停止判據(jù)為107周次，若循環(huán)107周次后試樣未斷，則試驗峰值應力增加20 MPa，直至試樣斷裂；采用相同的試驗方法對母材的高周疲勞性能進行測試，并與焊接接頭的進行對比。

圖2 拉伸試樣和高周疲勞試樣的形狀與尺寸

2 試驗結果與討論

2.1 焊接質(zhì)量

由圖3可以看出：焊接接頭表面成形良好，未發(fā)現(xiàn)未熔合、未焊透等焊接缺陷。經(jīng)X射線探傷后焊接接頭中未發(fā)現(xiàn)明顯的焊接缺陷，評定結果為合格。

圖3 焊接接頭焊縫的宏觀形貌

2.2 顯微組織

由圖4可知，焊接接頭由焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材組成，熱影響區(qū)細分為不完全正火區(qū)、正火區(qū)和過熱區(qū)。由圖5可知：焊接接頭母材區(qū)組織由白色塊狀鐵素體和黑色片狀珠光體組成，晶粒大小均勻；不完全正火區(qū)組織主要由已發(fā)生相變和分解的鐵素體和珠光體組成，鐵素體保持母材態(tài)，珠光體分解為碳化物及粗大鐵素體；正火區(qū)中的塊狀先共析鐵素體大小不均勻，珠光體與鐵素體分布不均勻，但晶粒得到明顯細化；過熱區(qū)組織主要由粒狀貝氏體、針狀和塊狀鐵素體以及少量珠光體組成，晶粒粗大；熔合線處組織為低碳馬氏體，其上分布著羽毛狀的上貝氏體以及粒狀貝氏體，晶粒嚴重長大；焊縫區(qū)存在沿柱狀晶晶界分布的片狀與少量塊狀先共析鐵素體，同時晶內(nèi)有大量粒狀貝氏體與少量塊狀鐵素體。綜上可知，由母材至焊縫區(qū)，晶粒經(jīng)歷了細化、粗化、再結晶的變化過程。

圖4 焊接接頭的整體形貌

圖5 焊接接頭不同區(qū)域的顯微組織

2.3 硬度與拉伸性能

由圖6可知：由母材到焊縫中心，硬度整體呈先升高后降低的趨勢；熔合線處的硬度最高，達到70 HRB左右，這是因為此處存在過熱組織；焊縫區(qū)的硬度在5560 HRB，略高于母材區(qū)的(50～55 HRB)，這是由于焊縫區(qū)組織主要由粗多邊形鐵素體和細針狀鐵素體組成。

圖6 焊接接頭的硬度分布曲線

由圖7可知，2個焊接接頭拉伸試樣的應力-應變曲線基本一致，表明二者的拉伸性能接近，拉伸性能指標的離散性較小。由表2可以看出，2個拉伸試樣的屈服強度、抗拉強度與斷后伸長率均較接近，且焊接接頭的抗拉強度和屈服強度明顯高于母材的，而斷后伸長率低于母材的，這表明焊接接頭的塑性較差。

圖7 焊接接頭的應力-應變曲線

表2 焊接接頭的拉伸性能

2.4 高周疲勞性能

雖然焊接接頭的強度優(yōu)于母材的，滿足名義應力的基本設計要求，但應進一步結合構架設計標準和實測線路的載荷情況，對焊接構架的疲勞強度開展進一步評價[10-11]，尤其是含有焊接缺陷構架的損傷容限評價，從而確保車輛運行的安全性。

根據(jù)國際焊接學會IIW標準，對母材和焊接接頭的高周疲勞試驗數(shù)據(jù)進行處理[12]，擬合得到的母材和焊接接頭的應力-壽命(S-N)曲線如圖8所示，圖中箭頭表示試樣未斷，未斷試樣不參與S-N曲線的擬合。由圖8可以看出：在5×106周次和50%存活率下焊接接頭和母材的疲勞強度下限分別約為238， 244 MPa， 97.5%存活率下的分別約為207， 208 MPa，存活率2.5%下的分別約為272，282 MPa。可見，接頭與母材的高周疲勞強度差別不大，同時高周疲勞試樣的斷裂位置均位于熱影響區(qū)，表明焊接工藝合理，接頭性能滿足設計要求[13]。

圖8 母材和焊接接頭的高周疲勞S-N曲線

3 結 論

(1) 采用單面兩道焊方式對G20Mn5鑄鋼板進行MAG對接焊，得到的接頭表面成形良好，無明顯的焊接缺陷，說明該焊接工藝合理。

(2) 接頭熱影響區(qū)可分為不完全正火區(qū)、正火區(qū)和過熱區(qū)，由母材至焊縫，晶粒經(jīng)歷了細化、粗化、再結晶的變化過程。

(3) 由母材到焊縫中心，硬度總體呈先升高后降低的趨勢，熔合線處的硬度最高，達到70 HRB左右，焊縫的硬度為55～60 HRB，略高于母材的(50～55 HRB)；接頭的抗拉強度和屈服強度明顯高于母材的，而斷后伸長率低于母材的；接頭的高周疲勞強度與母材的相當，且斷裂位置均位于熱影響區(qū)；該接頭滿足結構強度及疲勞性能的設計要求。