孫 佳，董洪達(dá)，倪寶成

（中車(chē)南京浦鎮(zhèn)車(chē)輛有限公司，江蘇 南京 210031）

0 前言

構(gòu)架焊接后，因焊縫缺陷存在引起的裂紋源在應(yīng)力集中的情況下，容易出現(xiàn)裂紋缺陷而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞[1-3]。直接報(bào)廢有焊接缺陷的構(gòu)架會(huì)增加成本，因此焊接缺陷修補(bǔ)工作顯得尤為重要。本研究采取合理的焊補(bǔ)工藝，通過(guò)分析焊補(bǔ)件顯微組織，測(cè)試其靜載強(qiáng)度、顯微硬度、沖擊韌性和疲勞性能，獲得可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為工程實(shí)際應(yīng)用提供參考[4-5]。

1 試驗(yàn)材料和方法

選用板厚12mm的P355NL1鋼，其化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表1、表2所示。

表1 P355NL1鋼的化學(xué)成分%

表2 P355NL1鋼的力學(xué)性能

構(gòu)架試驗(yàn)板采用MAG焊，焊絲為符合ISO 14341標(biāo)準(zhǔn)的G4Si1。焊接工藝如圖1所示。

試板焊好后按GB2649規(guī)定取樣，使用電子顯微鏡觀察原始焊件和一次焊補(bǔ)件的焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材。依據(jù)GB/T2651對(duì)原始焊件和一次焊補(bǔ)件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，依據(jù)GB/T2650對(duì)原始焊件和一次焊補(bǔ)件的母材、HAZ、焊縫進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。使用維氏硬度計(jì)測(cè)定原始焊件和一次焊補(bǔ)件各層焊縫區(qū)、熔合線、粗晶區(qū)、細(xì)晶區(qū)和母材的硬度。依據(jù)GB/T13816對(duì)原始焊件和一次焊補(bǔ)件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。

圖1 構(gòu)架試板焊接工藝

2 試驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 顯微組織觀察

原始焊件金相試樣顯微組織如圖2所示，一次焊補(bǔ)件金相試樣顯微組織如圖3所示，其組織均為珠光體+鐵素體。焊補(bǔ)前后，試樣的母材組織無(wú)變化，從焊縫中心到母材，組織形態(tài)的變化情況為：柱狀晶區(qū)→粗晶區(qū)→細(xì)晶區(qū)→帶狀組織。焊縫由上層到下層晶粒尺寸逐漸減小。焊補(bǔ)后存在重疊的熱影響區(qū)，相對(duì)于原始焊接接頭金相試樣，在焊縫與熱影響區(qū)的交界處多了一個(gè)粗晶區(qū)和一個(gè)細(xì)晶區(qū)，上層焊縫尤為明顯。焊根處為焊補(bǔ)過(guò)程中始終保留的部分，相對(duì)原始焊件，一次焊補(bǔ)件焊根處晶粒明顯細(xì)化。

圖2 原始焊件金相試樣顯微組織

2.2 顯微硬度

原始焊件與一次焊補(bǔ)件顯微硬度對(duì)比如圖4所示。原始焊接接頭各層焊縫區(qū)硬度與一次焊補(bǔ)件相應(yīng)的區(qū)域硬度接近，硬度最高值出現(xiàn)在熱影響區(qū)的粗晶區(qū)，且基本低于250 HV，一次焊補(bǔ)對(duì)焊件的硬度無(wú)明顯影響。

2.3 拉伸試驗(yàn)

原始焊件拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，一次焊補(bǔ)件拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。原始焊件的平均屈服強(qiáng)度354.61 MPa，平均抗拉強(qiáng)度527.03 MPa；一次焊補(bǔ)件平均屈服強(qiáng)度348.23 MPa，平均抗拉強(qiáng)度為525.20 MPa。無(wú)論是原始焊件還是一次焊補(bǔ)件，均在母材處斷裂，說(shuō)明焊接修補(bǔ)后若能保證焊接接頭的焊接質(zhì)量，焊補(bǔ)對(duì)焊接接頭的靜載強(qiáng)度沒(méi)有影響。

2.4 沖擊韌性試驗(yàn)

原始焊件的沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。母材沖擊功平均值113.37 J，高于焊縫沖擊功平均值74.27 J，與熱影響區(qū)沖擊功平均值112.21 J相接近，所有沖擊試件均未斷裂。一次焊補(bǔ)件沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表6，母材沖擊功平均值119.47 J，高于焊縫沖擊功平均值92.20 J，與熱影響區(qū)沖擊功平均值109.31 J接近。與母材和熱影響區(qū)相比，焊縫沖擊功最低。焊縫的粗大柱狀晶是造成沖擊功較低的主要原因。一次焊補(bǔ)件的沖擊韌性較原始焊件有所提高，這是因?yàn)楹秆a(bǔ)對(duì)上一次殘余的焊接接頭部分起到熱處理作用，細(xì)化了晶粒，改善了組織分布，韌性得到提高。

圖3 一次焊補(bǔ)件金相試樣顯微組織

圖4 原始焊件與一次焊補(bǔ)件顯微硬度對(duì)比

2.5 疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)

原始焊件和一次焊補(bǔ)件的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表7、表8所示。在循環(huán)周次1×107下，原始焊接接頭疲勞強(qiáng)度為154 MPa，且所有試樣全部斷裂于焊根處。一次焊補(bǔ)接頭高應(yīng)力水平下的疲勞性能與原始焊接接頭的疲勞性能相近，表現(xiàn)為在相同應(yīng)力水平下試樣斷裂時(shí)的循環(huán)次數(shù)相近，而低應(yīng)力水平下的疲勞性能優(yōu)于原始焊接接頭，循環(huán)周次1×107下的疲勞強(qiáng)度為170MPa。疲勞試驗(yàn)頻率20Hz，應(yīng)力比R=0。

表3 原始焊件拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 一次焊補(bǔ)件拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表5 原始焊件的沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表6 一次焊補(bǔ)件沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表7 原始焊件的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表8 一次焊補(bǔ)件的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

（1）對(duì)比分析原始焊件與一次焊補(bǔ)件焊接接頭的顯微組織，焊接修補(bǔ)對(duì)接頭顯微組織無(wú)有害影響，還可細(xì)化保留的下層焊縫晶粒，對(duì)焊接接頭的強(qiáng)度和韌性有一定貢獻(xiàn)。

（2）顯微硬度測(cè)試結(jié)果表明，經(jīng)一次焊補(bǔ)后，焊縫硬度無(wú)明顯下降。

（3）由拉伸試驗(yàn)結(jié)果可知，焊接構(gòu)件為高配接頭，拉伸斷裂均發(fā)生在母材。

（4）沖擊試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明，一次焊補(bǔ)件的沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度較原始焊件略有提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]葉洪巖，鄔平波.轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架靜強(qiáng)度分析及疲勞強(qiáng)度評(píng)估[J].鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛工人：自然科學(xué)版，2011（2）：23-28.

[2]趙建明，顧麗英.焊接轉(zhuǎn)向架焊接接頭疲勞性能的試驗(yàn)[J].機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝，2003（6）：15-17.

[3]王浩，李天賜，張樂(lè)樂(lè).焊接技術(shù)在金屬結(jié)構(gòu)修復(fù)中的應(yīng)用和發(fā)展?fàn)顩r[J].焊接，2017（1）：18-26.

[4]趙柏森.熱作模具鋼特性及焊接修復(fù)應(yīng)用現(xiàn)狀[J].熱加工工藝，2013，42（17）：9-12.

[5]羅洪軍，徐林，黃小歐.中碳調(diào)質(zhì)鋼大型零部件焊接修復(fù)[J].熱噴涂技術(shù)，2004，10（3）：22-25.