機車牽引桿用鋼Q345E與16MnDR的平板對接時焊接性能研究與對比

沈安琪 李婧

摘 要：Q345E鋼和16MnDR鋼是機車常用鋼，16MnDR可在低達-40℃的環境中使用，在因此不僅在壓力容器、制冷、化工設備行業廣泛應用、在車輛行業也得到了使用。16Mn DR鋼是以鐵素體為基的細晶粒鋼， 由于其碳含量低， 其他合金元素含量也不高， 碳當量為0.46%左右， 淬硬和冷裂傾向小， 不易產生冷裂紋， 同時鋼中S， P等雜質的含量也控制得較小， 所以也不易產生熱裂紋。

關鍵詞：機車牽引桿用鋼;焊接性能研究;平板對接

引言：Q345E這種低合金高強度鋼也因其優良的焊接性能和抗低溫韌性在機車制造上得到普遍運用。其碳當量為0.416%，高于0.4%，存在一定淬硬性。但仍具有良好的焊接性能，由于少量Ni元素的加入，提高了材料的淬透性，但其含碳量控制的較低，因此具有一定的冷裂紋傾向，但并不嚴重。

從下表兩者化學成分對比可知，16MnDR較Q345E硅含量較高，硫含量更低。

一、試驗材料及方法

本組試驗母材Q345E鋼（GB/T 1591—2008），尺寸350 mm×150 mm×12 mm的板材，填充材料為φ1.2mm規格的ER55-Ni1焊絲，平板對接。

母材16MnDR，試板尺寸350 mm×150 mm×12 mm，填充材料采用直徑φ1.2mm的ER50-6焊絲。焊絲化學成分見表2.1.

本試驗采用林肯焊機進行對接接頭的CO2焊，保護氣體為CO2氣體。開V形坡口，坡口面30°，鈍邊0.5～1mm，坡口及焊道布置如圖2.1、2.2。焊接裝配時始端間隙3mm，焊接終端4mm，預制反變形量為3°。需3層焊，每道次焊縫厚度的不同可通過電壓和電流調節，焊接參數如表2.2。焊接試件2組。分別編號為1-1、2-2。

焊接完成后，為了評定12mm厚的Q345E鋼和16MnDR鋼CO2焊后的焊接對接接頭性能的差異，本研究對焊接接頭進行了各項試驗檢測，具體試驗項目、評定指標及試樣數量如表2.3所示。

二、 試驗結果及分析

1. 焊接接頭的宏觀形貌

圖3.1所示為采用CO2保護氣體在相同焊接工藝下進行焊接的焊件對接接頭。

圖片可看出，兩種材料的對接焊縫成型優秀，焊縫波均勻，飛濺不大，外觀無氣孔及咬邊。焊后對樣品進行無損檢測，均未發現存在內部缺陷。相比較而言，16MnDR試件焊縫較Q345E試件焊縫成型更好，焊縫尺寸更均勻，且余高不高。

焊縫橫截面金相試樣腐蝕后的形貌如圖3.2所示，通過觀察可以發現16MnDR焊接接頭都大致呈倒三角狀，熔合性均良好。相比較而言，焊縫呈“指狀”，并且斷面要窄一些，根部呈現水滴狀，熔深更大。而Q345E焊縫斷面要更寬，焊縫呈扁平形。綜合分析可知，16MnDR焊縫具有良好的熔合性、根部成型以及較高的焊接穿透性，因此相對于Q345E焊縫，要更加優秀。

2.金相分析

圖3.3為焊件Q345E顯微組織，可以看出母材組織主要由鐵素體及少量珠光體組成。焊縫組織由針條狀鐵素體、粒狀貝氏體及少量索氏體組成。熱影響區金相組織為針條狀鐵素體、粒狀貝氏體和塊狀索氏體，焊接過程中的高溫從焊縫位置持續傳熱至熱影響區，奧氏體析出碳化物并轉變為珠光體組織形成索氏體。

圖3.4為焊件16MnDR的顯微組織。可以觀察到，母材的成分是由細晶鐵素體和珠光體構成。細晶鐵素體具有較高的強度和韌性，細晶鐵素體也叫貝氏鐵素體。珠光體具有良好的力學性能，對鋼的強度和韌性都有很大的影響，它是奧氏體發生其析轉變所形成鐵素體和滲碳體的層狀混合物。

焊縫區主要由針狀鐵素體、貝氏體和少量珠光體構成。針狀鐵素體是合金鋼焊縫金屬中最希望得到的組織，它具有良好的抗塑性變形能力，能夠提高材料的強度和低溫韌性。

熱影響區中，較多的鐵素體、珠光體、側板條鐵素體和一定數量的貝氏體。

通過焊接接頭的金相觀察可以發現，16MnDR與Q345E的焊縫接頭顯微組織在晶粒大小和成分組成上大體相同，略有差異。二元混合氣體試件在熱影響區中，尤其是粗晶區，晶粒比較粗大，鐵素體絕大部分為塊狀先共析鐵素體，這主要是由于采用二元混合氣體進行焊接時，由于CO2的含量較高，在焊接過程中熔池中液態金屬流動性差，焊槍停留時間較長，導致熱輸入量增高，焊絲熔化率增高，冷卻速度較慢，導致在粗品區出現大量的粗大鐵素體。

3. 焊接接頭力學性能對比

分別對兩種材料焊接接頭進行拉伸試驗，試驗結果見表3.1，所有試樣均斷裂于母材，斷口呈韌窩韌性斷口。Q345E抗拉強度及下屈服強度較高，但斷面伸長率16MnDR鋼略高，塑性較好。

表3.2是焊接接頭沖擊試驗結果對比。試樣采用V型缺口， 分別開在焊縫和熱影響區 （距熔合線1.5mm處） 上。Q345E焊縫-40℃沖擊功的平均值為30.67J， 熱影響區沖擊功的平均值為49.67J。16MnDR焊縫室-40℃擊功的平均值為39.67J，側熱影響區室溫沖擊功的平均值為125 J，均高于Q345E鋼材接頭，擁有優秀的低溫韌性。

焊接接頭的彎曲試驗結果如表3.3所示，16MnDR有一組試樣出現裂紋，EN 15614-1—2017標準中規定彎曲試樣在任意方向上未出現>3 mm的缺欠則為合格，因此，所有彎曲試樣均滿足標準要求。表明兩類材料焊接接頭彎曲性能較好。

維氏硬度測試按照標準GB/T 4340.1-2009進行，硬度測試點位置如圖3.5所示，測試結果見表3.4。將表3.4中的數據投影至坐標中得到圖3.6，該圖3.6中可以看出，Q345E的焊接接頭硬度變化較均勻，最大硬度位置均處于熱影響區，焊縫區域的硬度高于母材的。16MnDR焊縫區硬度明顯高與母材區，最大硬度與Q345E相近。

三、結語

1.兩種材料的對接焊縫成型優秀，焊縫波均勻，飛濺不大。16MnDR焊縫具有良好的熔合性、根部成型以及較高的焊接穿透性，因此相較Q345E焊縫而言，更加優秀。

2.兩種材料的焊縫及熱影響區的焊縫位置金相組織基本相似，由貝氏體、鐵素體和少量珠光體組成。

3.Q345E抗拉強度及下屈服強度較高，但斷面伸長率16MnDR鋼略高，塑性較好。

4.在沖擊試驗中，16MnDR的焊縫及側熱影響區，在-40℃時沖擊功均高于Q345E鋼材接頭，擁有優秀的低溫韌性。

5.維氏硬度結果顯示，兩種材料最大硬度相差不大，且位置均處于熱影響區，即焊縫區域的硬度高于母材的。Q345E的硬度變化較均勻。

參考文獻：

1. 邱葭菲，王瑞權，曹時增.16MnDR焊接工藝試驗與分析[J].焊接技術，2013，42（11）：76-78.10.13846/j.cnki.cn12-1070/tg.2013.11.024.

2. 邱葭菲，王瑞權，曹時增.16MnDR焊接工藝試驗與分析[J].焊接技術，2013，42（11）：76-78.10.13846/j.cnki.cn12-1070/tg.2013.11.024.